§ 4. Общая характеристика s-, p-, d- и f-элементов. Положение металлических и неметаллических элементов в периодической системе

Определения и обозначения

s-Элементы — элементы, у которых заполняется s-подуровень внешнего энергетического уровня. К ним относят элементы 1-й и 2-й групп, а также водород и гелий по электронному строению. Их положение связано с левым краем периодической системы.

p-Элементы — элементы, у которых заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня. Они расположены в правой части таблицы, в группах 13–18. Это понятие помогает связывать электронную конфигурацию с изменением свойств в периоде.

d-Элементы — элементы, у которых заполняется d-подуровень предвнешнего энергетического уровня. Они находятся в центральной части периодической системы, между s- и p-блоками. Такие элементы называют переходными.

f-Элементы — элементы, у которых заполняется f-подуровень уровня, расположенного ещё глубже. Они образуют два ряда, связанные с шестым и седьмым периодами, и обычно вынесены вниз таблицы. Такое выделение не меняет их настоящего положения в периодической системе.

Как это устроено

Периодическая система построена в соответствии с электронной структурой атомов. При последовательном увеличении заряда ядра электроны добавляются на определённые энергетические уровни и подуровни. Подуровень, на который попадает различающийся электрон, и определяет название блока элемента.

s-, p-, d- и f-подуровни заполняются на разных энергетических уровнях, поэтому соответствующие элементы занимают разные области таблицы. В начале периода обычно заполняется s-подуровень, затем в его конце — p-подуровень. d-подуровень заполняется после начала нового внешнего уровня, а f-подуровень — ещё глубже, что объясняет его особое расположение.

s-блок включает две крайние левые группы, p-блок — шесть правых групп, d-блок — десять центральных групп. У s-элементов типичны конфигурации ns¹ и ns², у p-элементов — ns²np¹–ns²np⁶. Для d-элементов характерно заполнение (n − 1)d¹–(n − 1)d¹⁰ при внешней конфигурации ns⁰–², а для f-элементов — (n − 2)f¹–(n − 2)f¹⁴; в этих обозначениях n — номер внешнего уровня.

f-Элементы помещают под основной таблицей, потому что при их появлении заполняется внутренний f-подуровень, а внешний уровень изменяется мало. Первый вынесенный ряд относится к шестому периоду, второй — к седьмому. В целом металлический характер преобладает у s- и d-элементов и у значительной части f-элементов, тогда как в p-блоке встречаются металлы, полуметаллы и неметаллы.

Блоки элементов и их положение в периодической системе

Таблицу удобно читать сначала по второму столбцу: он показывает, какой подуровень определяет блок. Затем по третьему столбцу проверяют положение элемента. Последний столбец даёт только общий ориентир, поскольку внутри одного блока встречаются элементы с разными свойствами.

Разбор задач

Задача 1

Определите блок элемента с электронной конфигурацией внешнего уровня 3s². В записи указан внешний энергетический уровень с номером 3. Нужно определить подуровень, который заполняется последним.

1. Находим последний записанный подуровень: это 3s.
2. Буква s показывает тип заполняемого подуровня.
3. Следовательно, элемент относится к s-блоку; конфигурация 3s² характерна для магния.

Ответ: элемент относится к s-блоку.

Задача 2

Распределите Na, Si, Cl и Fe по блокам и укажите, какие элементы являются металлами, а какие — неметаллами. Сначала определяем блок по последнему заполняемому подуровню, затем оцениваем положение элемента в таблице. Нельзя заменять один признак другим.

1. Na имеет внешнюю конфигурацию 3s¹, поэтому это s-элемент и металл.
2. Si и Cl находятся в p-блоке: для кремния характерно 3p², для хлора — 3p⁵. Si относят к полуметаллам, а Cl — к неметаллам.
3. Fe имеет заполняемый 3d-подуровень, поэтому это d-элемент; он является металлом.

Ответ: Na — s-блок, металл; Si — p-блок, элемент у границы с промежуточными свойствами; Cl — p-блок, неметалл; Fe — d-блок, металл.

Задача 3

Сравните Mg, Al, Si и P: определите их блоки и положение относительно границы между металлами и неметаллами. Все четыре элемента находятся в одном периоде, поэтому особенно наглядно проявляется изменение свойств слева направо. Граница здесь не является математически точной линией.

1. Mg имеет конфигурацию 3s² и относится к s-блоку; это металл, расположенный левее границы.
2. Al имеет внешний подуровень 3p¹ и относится к p-блоку; это металл, но уже ближе к условной границе.
3. Si имеет 3p² и находится около границы, поэтому проявляет промежуточные свойства.
4. P имеет 3p³, относится к p-блоку и является неметаллом, расположенным правее границы.

Ответ: Mg — s-блок, металл; Al — p-блок, металл; Si — p-блок, полуметалл; P — p-блок, неметалл. В ряду слева направо металлический характер ослабевает, а неметаллический усиливается.

Типичные ошибки

Ошибка: определять блок только по номеру группы. Так легко перепутать p-элементы 13–18-й групп с d-элементами, ведь и те и другие могут иметь сложные конфигурации. Проверка проста: найдите подуровень, на который поступил последний электрон.

Ошибка: считать, что все s-элементы — щелочные металлы. В s-блок входят также элементы 2-й группы, а водород и гелий относят к нему по электронному строению. Проверьте не только блок, но и конкретное положение элемента и его свойства.

Ошибка: представлять границу металлов и неметаллов строгой линией. Её допускают, потому что таблица создаёт зрительное впечатление чёткого разделения. Если элемент расположен около диагонали от бора к астату, учитывайте возможность промежуточных свойств.

Ошибка: считать нижние строки f-элементов отдельной частью таблицы без связи с периодами. Их выносят только для компактности, а относятся они к шестому и седьмому периодам. Проверяйте, к какому периоду относится ряд, а не только его положение на странице.

Связь с другими темами

Для понимания блоков нужны знания о строении электронной оболочки, энергетических уровнях и подуровнях. Особенно важно уметь пользоваться порядком заполнения орбиталей и читать электронные конфигурации атомов.

Классификация по блокам помогает объяснять периодические изменения радиусов атомов, энергии ионизации, электроотрицательности и металлических свойств. Она также нужна при составлении конфигураций атомов и ионов и при объяснении свойств переходных элементов.

Что запомнить

• Блок элемента определяется подуровнем, на который поступает различающийся электрон.
• s- и p-блоки образуют крайние части таблицы, d-блок расположен между ними, а f-блок вынесен вниз.
• Элементы d-блока называют переходными; они занимают центральную часть периодической системы.
• Большинство элементов — металлы; они расположены преимущественно слева и в центре таблицы.
• Неметаллы сосредоточены главным образом в правой верхней части таблицы.
• Граница между металлами и неметаллами условна; у некоторых элементов свойства промежуточные.