§ 43. Характеристика химического элемента и его свойств на основе положения в периодической системе Д.И. Менделеева и теории строения атома

Определения и обозначения

Атомный номер Z — это число, показывающее заряд ядра атома и число протонов в нём. В нейтральном атоме протонов и электронов поровну, поэтому по Z можно определить состав ядра и число электронов. Число нейтронов атомный номер не задаёт: оно зависит от конкретного изотопа.

Период — горизонтальный ряд элементов в периодической системе. Номер периода показывает число занятых электронных слоёв атома. Это помогает понять общий размер атома и определить, сколько энергетических уровней участвует в его строении.

Группа — вертикальный столбец элементов. У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое: например, у элементов I группы обычно один такой электрон, а у элементов VII группы — семь. Сходное число внешних электронов объясняет сходство свойств.

Электронная конфигурация атома — запись распределения электронов по энергетическим уровням. Например, запись 2, 8, 1 означает: на первом слое два электрона, на втором восемь, на третьем один. По такой записи видны период и особенности внешнего слоя.

Как это устроено

Порядковый номер позволяет восстановить важнейшую часть строения атома. Если элемент имеет Z = 11, его ядро содержит 11 протонов и имеет заряд +11, а нейтральный атом содержит 11 электронов. Число электронов меняется только при образовании иона, когда атом принимает или отдаёт электроны.

Распределение электронов по слоям устанавливают по порядковому номеру, последовательно заполняя уровни электронами. Первый слой в простых моделях вмещает до 2 электронов, второй — до 8, а оставшиеся электроны переходят на следующие уровни. Число получившихся занятых слоёв совпадает с номером периода, потому что периодическая система построена с учётом появления нового энергетического уровня.

У элемента главной подгруппы число внешних электронов можно связать с номером группы. Например, у магния из группы II на внешнем слое два электрона, а у серы из группы VI — шесть. В одной главной подгруппе внешние слои имеют сходный общий вид, хотя число внутренних слоёв сверху вниз увеличивается.

Внешние электроны определяют, насколько легко атом отдаёт или принимает электроны и какие связи образует. В периоде слева направо атомы обычно сильнее удерживают электроны: металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В группе сверху вниз внешние электроны удаляются от ядра, поэтому их легче отдавать и металлические свойства обычно возрастают.

По положению элемента можно предположить его высшую степень окисления и состав соединений с кислородом. Затем подбирают индексы так, чтобы суммарная степень окисления в формуле была равна нулю. Для металла соответствующий гидроксид обычно имеет основные свойства, а для неметалла высший оксид может соответствовать кислотному гидроксиду.

Характеристика элемента по положению в периодической системе и строению атома

Таблицу удобно заполнять последовательно: сначала определить Z и состав атома, затем установить строение электронных слоёв, свойства и возможные соединения. Проверяйте себя: число электронов в распределении должно совпадать с порядковым номером, а число слоёв — с номером периода.

Разбор задач

Задача 1. Составьте характеристику атома натрия по его положению в периодической системе и определите распределение электронов по слоям. Порядковый номер натрия равен 11, он расположен в третьем периоде и первой главной подгруппе.

1. Записываем Z = 11, поэтому ядро содержит 11 протонов, а нейтральный атом — 11 электронов.
2. Натрий находится в третьем периоде, значит, его электроны занимают три слоя.
3. Распределяем 11 электронов: 2 на первом слое, 8 на втором и 1 на третьем.

Ответ: состав атома натрия: 11 протонов и 11 электронов; распределение электронов — 2, 8, 1. Один электрон на внешнем слое объясняет его металлический характер и способность легко отдавать этот электрон.

Задача 2. Для элемента с распределением электронов по слоям 2, 8, 2 определите период, группу главной подгруппы и тип элемента. Сначала нужно использовать число слоёв, затем — число внешних электронов.

1. В записи 2, 8, 2 всего три занятых слоя, поэтому элемент находится в третьем периоде.
2. На внешнем, третьем, слое два электрона, значит, для главной подгруппы это II группа.
3. Два внешних электрона обычно указывают на металлический характер; такой атом соответствует магнию.

Ответ: третий период, II группа главной подгруппы, металл магний. Его порядковый номер можно получить сложением электронов: 2 + 8 + 2 = 12.

Задача 3. По положению серы предположите формулы её высшего оксида и соответствующего гидроксида. Сера находится в VI группе главной подгруппы и обычно проявляет высшую степень окисления +6.

1. Соединяем серу со своей высшей степенью окисления и кислород со степенью −2.
2. Для уравнивания зарядов берём один атом серы и три атома кислорода: SO₃.
3. Высшему оксиду неметалла соответствует кислотный гидроксид; добавление воды даёт H₂SO₄.

Ответ: высший оксид серы — SO₃, соответствующий гидроксид — H₂SO₄. Проверка: в SO₃ сумма степеней окисления равна +6 − 6 = 0.

Типичные ошибки

Путают период и внешние электроны. Номер периода показывает число занятых слоёв, а не число электронов на внешнем уровне. Проверьте себя по записи: в распределении 2, 8, 1 три слоя, но внешний слой содержит только один электрон.

Считают порядковый номер числом нейтронов. Так происходит из-за смешения понятий «заряд ядра» и «масса атома». Z задаёт число протонов, а нейтроны находят по разности массового числа и Z; у изотопов эта разность различается.

Переносят правило о внешних электронах на все группы. Простое соответствие номера группы и числа внешних электронов применяют прежде всего к главным подгруппам. Если элемент относится к побочной подгруппе, нужно отдельно учитывать строение его атома.

Определяют свойства только по номеру группы. Одинаковая группа не означает полного совпадения свойств: важны также период, число электронных слоёв и расстояние внешних электронов от ядра. Сравнивая элементы, сначала определите их электронные конфигурации.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о протонах, нейтронах, электронах, строении атома и устройстве периодической системы. Полученные правила пригодятся при изучении химической связи, валентности и степеней окисления: они помогают объяснить образование соединений и составлять их формулы.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен заряду его ядра.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Номер периода указывает на число занятых электронных слоёв.
• Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое.
• Сходное строение внешнего слоя объясняет сходство свойств элементов одной главной подгруппы.
• Положение элемента в периодической системе помогает предсказать свойства его соединений.