§ 41. Структура Периодической системы химических элементов

Определения и обозначения

Периодическая система — таблица, в которой элементы расположены по возрастанию заряда ядра и объединены по сходству свойств. Её используют, чтобы быстро находить элемент и сравнивать его с другими. Порядковый номер элемента показывает заряд его ядра.

Период — горизонтальный ряд элементов. Номер периода связан с числом электронных слоёв, занятых электронами в атоме. По нему можно определить, сколько таких слоёв у атома элемента.

Группа — вертикальный столбец элементов. Положение в группе помогает увидеть сходство строения атомов и химических свойств. Для главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое.

Главная и побочная подгруппы — части групп, различающиеся составом элементов и особенностями строения их атомов. Главные подгруппы включают элементы малых и больших периодов, а побочные — элементы больших периодов. Это деление помогает точнее читать положение элемента и не переносить правило о внешних электронах на все элементы подряд.

Как это устроено

Порядок элементов в системе определяется возрастанием заряда ядра, то есть порядкового номера. У каждого следующего элемента заряд ядра больше на единицу, поэтому его атом отличается числом протонов. Такой порядок выбран не случайно: при последовательном увеличении номера закономерно меняется и строение электронных оболочек, а вместе с ним повторяются сходные свойства элементов.

Каждый период начинается щелочным металлом, а кроме первого заканчивается благородным газом. По мере движения слева направо электроны заполняют слои и подуровни атома, поэтому период содержит столько элементов, сколько требуется для соответствующего заполнения. Из-за различий в строении оболочек периоды имеют разное число элементов: первые два — малые, остальные — большие.

В малых периодах меньше элементов, а большие периоды имеют более сложный состав и включают несколько групп. Лантаноиды и актиноиды — ряды элементов, входящие в большие периоды; их показывают отдельно под основной таблицей. Если поместить эти ряды в обычные строки, таблица стала бы очень широкой, поэтому их вынесли вниз ради компактности, не отделяя от системы.

У атомов элементов одного периода одинаково число занятых электронных слоёв. Поэтому номер периода показывает, сколько таких слоёв есть в атоме, а не сколько электронов находится на внешнем слое. Например, атом элемента третьего периода имеет три занятых электронных слоя; электроны при этом распределены между ними.

У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое. Внутри такой подгруппы внешние слои устроены сходным образом, поэтому элементы проявляют похожие химические свойства. Сходство не означает полного совпадения свойств: атомы элементов отличаются числом слоёв и общим числом электронов.

Чтобы определить положение элемента, сначала находят его по порядковому номеру, затем читают горизонтальный ряд и вертикальный столбец. После этого уточняют, главная или побочная это подгруппа, поскольку от этого зависит, какие сведения о строении атома можно получить по номеру группы. Такой способ позволяет связать место элемента в таблице с числом электронных слоёв и, для главной подгруппы, электронов на внешнем слое.

Как читать положение элемента в Периодической системе

Сначала найдите элемент по символу или порядковому номеру, затем прочитайте его период и группу. Обязательно уточните подгруппу: правило о числе внешних электронов применяют к элементам главных подгрупп. По периоду число занятых электронных слоёв определяют и для элементов побочных подгрупп.

Разбор задач

Элемент с порядковым номером 11

Задача: для элемента с порядковым номером 11 определите название и символ, период, группу и подгруппу. Начинать нужно не с догадки о свойствах, а с поиска номера в таблице. Затем положение элемента читают по строке и столбцу.

1. Находим в таблице порядковый номер 11: ему соответствует натрий, символ Na.
2. Определяем горизонтальный ряд: натрий находится в третьем периоде.
3. Находим вертикальный столбец: это первая группа, главная подгруппа.

Ответ: натрий, Na; третий период, I группа, главная подгруппа. Положение в третьем периоде означает, что у атома три занятых электронных слоя. Принадлежность к главной подгруппе позволяет связать номер группы с числом электронов на внешнем слое.

Атом магния

Задача: определите число электронных слоёв и электронов на внешнем слое атома магния по его положению в таблице. Здесь нужно отдельно использовать сведения о периоде и группе. Сначала уточняем, что магний расположен во втором периоде и главной подгруппе II группы.

1. Берём номер периода: он равен двум, значит, заняты два электронных слоя.
2. Устанавливаем группу: магний относится ко второй главной подгруппе.
3. Для главной подгруппы связываем номер группы с числом электронов на внешнем слое.

Ответ: у атома магния два занятых электронных слоя и два электрона на внешнем слое. Число слоёв определено по периоду, а число внешних электронов — по номеру группы главной подгруппы. Эти два вывода получены по разным признакам таблицы.

Элемент третьего периода, главной подгруппы VII группы

Задача: определите порядковый номер элемента и число электронов на внешнем слое. Условия ограничивают поиск одновременно периодом и группой. На пересечении третьего периода и главной подгруппы VII группы находится хлор.

1. Находим строку третьего периода и столбец VII главной подгруппы.
2. Читаем элемент в этой позиции: это хлор, его символ — Cl, порядковый номер — 17.
3. Так как хлор находится в главной подгруппе VII группы, число электронов на внешнем слое связано с номером группы.

Ответ: хлор, порядковый номер 17; на внешнем слое семь электронов. Проверка: в третьем периоде у атома хлора три занятых электронных слоя. Это не меняет числа электронов на внешнем слое, которое определено по главной подгруппе.

Типичные ошибки

Период и группу часто путают, потому что оба понятия описывают положение элемента в таблице. Период идёт горизонтально, группа — вертикально. Проверьте себя: если вы двигаетесь по строке слева направо, это период, а если по столбцу сверху вниз — группа.

Номер периода иногда принимают за число электронов на внешнем слое. Путаница возникает из-за того, что оба числа связаны со строением атома, но они показывают разное. Проверка проста: номер периода указывает число занятых слоёв, а число внешних электронов для главной подгруппы связывают с номером группы.

Правило о числе внешних электронов по номеру группы нельзя без оговорок применять к элементам побочных подгрупп. Это происходит, когда забывают проверить подгруппу элемента. Перед выводом посмотрите, к какой части группы он относится; если подгруппа побочная, не делайте такой вывод только по её номеру.

Лантаноиды и актиноиды могут показаться отдельными периодами, потому что они напечатаны внизу таблицы. Такое расположение нужно для компактности, а сами ряды относятся к большим периодам основной системы. Проверьте связь с таблицей: вынесенные элементы продолжают её структуру, а не образуют независимую часть.

Связь с другими темами

Для чтения таблицы нужно знать состав атома, а также понятия заряда ядра и порядкового номера. Ещё понадобится представление об электронном слое: это область строения атома, в которой находятся электроны с определённой энергией. Эти знания помогают понять, почему номер периода связан с числом занятых слоёв.

Структура системы становится опорой для дальнейшего изучения электронного строения атомов и валентности — способности атома образовывать определённое число химических связей. По положению элементов можно прослеживать закономерности изменения их свойств. Поэтому умение читать таблицу помогает не просто находить символы, но и объяснять особенности элементов.

Что запомнить

• Элементы расположены по возрастанию заряда ядра.
• Период — горизонтальный ряд, группа — вертикальный столбец.
• Номер периода связан с числом занятых электронных слоёв атома.
• У элементов главной подгруппы номер группы связан с числом электронов на внешнем слое.
• Элементы одной группы имеют сходные черты строения атомов и химических свойств.
• Лантаноиды и актиноиды показаны отдельно для компактности таблицы.