§ 5. Периодический закон, Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева и строение атома

Определения и обозначения

Периодический закон — свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от заряда ядер их атомов. Иначе говоря, с закономерным изменением числа протонов закономерно меняются электронное строение и химическое поведение элементов. Закон позволяет не просто перечислять элементы, а находить повторяющиеся связи между их свойствами.

Периодическая система химических элементов — графическое выражение периодического закона, в котором элементы упорядочены по возрастанию заряда ядра. Каждый элемент занимает определённое место, связанное с устройством его атома. По таблице можно сравнивать элементы и делать выводы о свойствах ещё не изученных соединений.

Период — горизонтальный ряд элементов в Периодической системе. Номер периода связан с числом занятых энергетических уровней, то есть оболочек, на которых находятся электроны атома. Поэтому период помогает определить, насколько далеко от ядра располагается внешний уровень.

Группа — вертикальный столбец элементов. У элементов главных подгрупп сходно строение внешних электронных оболочек, поэтому их химические свойства похожи, хотя не совпадают полностью. Группа помогает сопоставлять число внешних электронов и типичные свойства атомов, учитывая, что для переходных элементов простое правило определения числа электронов по номеру группы не подходит.

Как это устроено

Порядковый номер элемента показывает заряд ядра в единицах элементарного заряда: в ядре столько же протонов, сколько составляет этот номер. В нейтральном атоме положительный заряд протонов уравновешен электронами, поэтому электронов тоже столько же. Последовательное увеличение номера означает последовательное добавление протона и электрона, а значит, задаёт порядок элементов в системе.

Положение элемента связано с распределением электронов по энергетическим уровням и подуровням. Номер периода показывает число занятых уровней: чтобы перейти к следующему периоду, нужно начать заполнять новый внешний уровень. Подуровни, на которые попадают добавляемые электроны, определяют блок элемента: s-, p-, d- или f-блок. Так таблица отражает не только порядок атомных номеров, но и особенности электронного строения.

Свойства повторяются потому, что при увеличении заряда ядра электроны последовательно заполняют оболочки, а строение внешнего уровня со временем становится похожим на уже встречавшееся. Именно внешние электроны в наибольшей степени участвуют в образовании химических связей и определяют реакции атома. Когда похожая конфигурация повторяется, сходными оказываются и важные химические свойства; этот повтор не означает, что элементы полностью одинаковы.

В периоде слева направо электроны добавляются на один и тот же внешний уровень, а заряд ядра растёт. Притяжение электронов к ядру усиливается, поэтому атомный радиус в целом уменьшается, металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В группе сверху вниз появляется новый энергетический уровень, внешний электрон в среднем оказывается дальше от ядра, радиус увеличивается, а отдавать электроны становится легче — металлические свойства усиливаются.

Строение внешнего уровня и положение элемента помогают предсказать типичные степени окисления — условные заряды атомов в соединениях, используемые при их описании. Для главных подгрупп число внешних электронов подсказывает, сколько электронов атом может отдавать, присоединять или обобществлять; на этой основе оценивают состав соединений и высшую степень окисления. Характер высшего оксида и соответствующего гидроксида также связан с положением: например, высшие оксиды неметаллов обычно кислотные, а оксиды многих металлов — основные.

Положение элемента в системе, строение атома и закономерности изменения свойств

Сначала определите, сравниваются ли элементы одного периода или одной группы, затем проследите нужную строку таблицы. Формулировки «в целом» напоминают, что закономерность описывает общую тенденцию, а не отменяет особенностей отдельных элементов. Для вывода о числе внешних электронов обязательно учитывайте, относятся ли элементы к главным подгруппам.

Разбор задач

Задача 1. Для элемента с порядковым номером 16 определите заряд ядра, число электронов в нейтральном атоме, распределение электронов по уровням, период и группу. Указание числа протонов даёт заряд ядра, а распределение электронов связывает номер с положением элемента в таблице. Решение:

1. Заряд ядра равен +16, поскольку в ядре 16 протонов.
2. В нейтральном атоме 16 электронов: их число уравновешивает заряд ядра.
3. Распределяем электроны по уровням: 2, 8, 6. Заняты три уровня, значит, элемент находится в третьем периоде.
4. На внешнем уровне шесть электронов; для главной подгруппы это соответствует шестой группе старой нумерации, или группе 16 в современной нумерации. Элемент — сера.

Ответ: заряд ядра +16, электронов 16, распределение по уровням 2, 8, 6; третий период, шестнадцатая группа.

Задача 2. Сравните атомные радиусы и металлические свойства натрия и хлора, объяснив различие их положения в одном периоде. Оба элемента находятся в третьем периоде, но натрий стоит левее хлора. Решение:

1. У обоих атомов заняты три энергетических уровня, поэтому дополнительный уровень при сравнении не появляется.
2. У хлора заряд ядра больше: его порядковый номер 17, у натрия — 11. Электроны внешнего уровня притягиваются к ядру сильнее, поэтому радиус атома хлора меньше.
3. Натрий — металл и легче отдаёт внешний электрон. У хлора сильнее выражены неметаллические свойства, поскольку ему выгодно присоединить электрон для завершения внешнего уровня.

Ответ: радиус атома натрия больше, чем хлора; металлические свойства сильнее выражены у натрия. Причина — рост заряда ядра при заполнении одного и того же уровня слева направо.

Задача 3. Элемент находится в третьем периоде и шестнадцатой группе. Составьте электронную конфигурацию внешнего уровня и предскажите характер высшего оксида. Решение:

1. Третий период означает, что внешний уровень имеет номер 3.
2. Шестнадцатая группа главной подгруппы указывает на шесть электронов на внешнем уровне: конфигурация 3s² 3p⁴.
3. Элемент — сера; её высшая степень окисления равна +6. Чтобы сбалансировать её в оксиде с кислородом (−2), на один атом серы приходится три атома кислорода, поэтому формула высшего оксида — SO₃.
4. SO₃ — кислотный оксид: ему соответствует кислота H₂SO₄. Это согласуется с неметаллическим характером серы.

Ответ: внешний уровень 3s² 3p⁴; высший оксид SO₃, кислотный.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что свойства зависят от атомной массы. Такое представление связано с историей открытия закона и тем, что массы часто возрастают вместе с порядковыми номерами, но современная основа — заряд ядра. Масса может различаться у изотопов одного элемента, тогда как число протонов остаётся тем же. Проверьте себя: спросите, какой признак однозначно определяет место элемента в таблице.

Ошибка — принимать номер периода за число электронов на внешнем уровне. Обычно это происходит из-за смешения двух разных характеристик положения атома. Период показывает число занятых энергетических уровней, а число внешних электронов для главных подгрупп связано с группой. Проверка проста: у натрия третьего периода три уровня, но на внешнем уровне только один электрон.

Ошибка — определять число внешних электронов по номеру группы у любого элемента без уточнений. У элементов главных подгрупп правило работает в привычном виде, но у переходных элементов заполняются и внутренние d-подуровни. Поэтому номер группы не всегда равен числу электронов на внешней оболочке. Перед выводом проверьте, находится ли элемент в главной или побочной подгруппе.

Ошибка — считать, что элементы одного периода или группы обладают одинаковыми свойствами. Похожие положения означают общую тенденцию или сходство, а не полное совпадение: внутри ряда свойства постепенно меняются. Это заблуждение появляется, если запомнить таблицу как набор одинаковых столбцов и строк. Проверяйте вывод по конкретному признаку и направлению изменения, а не только по принадлежности к группе или периоду.

Связь с другими темами

Для работы с периодической системой нужно знать состав атома, заряды протона и электрона, а также понятия энергетического уровня и электронной конфигурации. Эти знания соединяются в единую картину: заряд ядра задаёт порядковый номер, а число и расположение электронов объясняют химическое поведение. Поэтому тема служит основой для изучения химической связи и степеней окисления. Она также помогает понимать свойства неорганических веществ, поскольку свойства элементов проявляются в их соединениях.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен заряду ядра и числу электронов в нейтральном атоме.
• Периодический закон в современной формулировке основан на заряде ядра атома.
• Номер периода связан с числом занятых энергетических уровней.
• Периодическая система — форма выражения периодического закона.
• При движении по периоду слева направо атомный радиус в целом уменьшается, а неметаллические свойства усиливаются.
• В группе сверху вниз атомный радиус в целом увеличивается, а металлические свойства усиливаются.