"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Периодическая система связывает свойства элементов и их соединений со строением атомов и зарядом ядер. По периоду, группе и электронной конфигурации можно оценить число электронных уровней, характер внешнего слоя, типичные степени окисления и свойства простых веществ. Эти сведения помогают предсказывать, будет ли оксид основным, амфотерным или кислотным, и составлять формулы соединений. Предсказание проверяют по составу вещества и его реакциям.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодический закон — закон, согласно которому свойства химических элементов и их соединений периодически зависят от заряда ядра атома. Заряд ядра определяется числом протонов, а для нейтрального атома ему соответствует число электронов. Закон помогает объяснить повторение сходных свойств и предсказывать их изменение при переходе от одного элемента к другому.
Периодическая система химических элементов — упорядоченное расположение элементов, отражающее периодический закон и строение их атомов. Период показывает положение элемента в ряду с определённым числом энергетических уровней, а группа объединяет элементы со сходными особенностями внешнего электронного слоя. По месту элемента в системе можно наметить свойства его простого вещества и соединений.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Например, у атома натрия конфигурация 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹: цифры обозначают уровни, буквы — подуровни, а верхние индексы — число электронов. Конфигурация показывает, какие электроны участвуют в образовании химических связей и определяют многие свойства атома.
Характерная степень окисления — условный заряд атома в соединении, вычисленный так, как если бы общие электроны связи полностью перешли к более электроотрицательному атому. Она зависит от строения внешнего электронного слоя и состава конкретного вещества. Знание типичных степеней окисления позволяет составлять формулы соединений, но одну и ту же степень нельзя автоматически приписывать элементу во всех его веществах.
Порядковый номер элемента задаёт заряд ядра, а в нейтральном атоме — и число электронов. Электроны распределяются по уровням и подуровням по определённым правилам, поэтому каждому элементу соответствует своё строение электронной оболочки. Повторение сходных конфигураций внешнего слоя объясняет периодичность химических свойств и то, почему положение элемента в системе связано с его атомным строением.
При движении слева направо по периоду электроны добавляются преимущественно на один и тот же внешний уровень, тогда как заряд ядра растёт. Ядро сильнее притягивает электронную оболочку, поэтому радиус атома обычно уменьшается, а способность притягивать общие электроны — электроотрицательность — возрастает. В результате атомам становится сложнее отдавать электроны: металлический характер простых веществ ослабевает, а неметаллический обычно усиливается.
В главной подгруппе сверху вниз каждый следующий период приносит новый энергетический уровень. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними электронами, поэтому атомный радиус обычно увеличивается, а притяжение внешних электронов ослабевает. Отдать электрон становится легче, и металлические свойства элементов, как правило, усиливаются.
Строение внешнего слоя позволяет предположить, какие электроны атом может отдавать, присоединять или обобществлять, а значит — какие степени окисления для него характерны. По ним составляют формулы соединений, учитывая, что сумма степеней окисления атомов в нейтральном веществе равна нулю. Например, высшая степень окисления серы равна +6, поэтому формулу её высшего оксида получают как SO₃: три атома кислорода имеют степень окисления −2 каждый.
Изменение металлического и неметаллического характера отражается на оксидах и гидроксидах. Оксиды активных металлов обычно проявляют основные свойства, а оксиды неметаллов часто являются кислотными; у некоторых элементов встречаются амфотерные соединения, реагирующие и с кислотами, и со щелочами. Поэтому при движении по периоду свойства оксидов и соответствующих гидроксидов часто меняются от основных через амфотерные к кислотным, но конкретный характер устанавливают не только по формуле, а также по реакциям.
| Характеристика | Положение в периодической системе | Строение атома | Простое вещество | Высший оксид и соответствующий гидроксид | Летучее водородное соединение |
|---|---|---|---|---|---|
| Номер периода и группы | Период и группа задают место элемента | Период связан с числом уровней; группа помогает оценить внешний слой | Положение помогает предположить характер простого вещества | Позволяет наметить тип соединений | Помогает предположить возможную формулу |
| Число электронных уровней и электронов внешнего уровня | Для главных подгрупп период и группа дают ориентиры | Уровней обычно столько, каков номер периода; внешние электроны определяют конфигурацию | Влияет на способность атомов отдавать или присоединять электроны | Связано с возможными степенями окисления элемента | Помогает определить соотношение атомов в формуле |
| Изменение атомного радиуса и электроотрицательности | Тенденция зависит от направления в периоде или группе | В периоде радиус обычно уменьшается; в группе сверху вниз увеличивается | Меняется склонность атомов отдавать или притягивать электроны | Изменяется соотношение металлических и неметаллических свойств | Меняется характер связи и свойства соединения |
| Металлический или неметаллический характер | Обычно металлы расположены левее, неметаллы — правее | Зависит от того, насколько легко атом отдаёт электроны | Простое вещество проявляет металлические или неметаллические свойства | Металлический характер часто связан с основными оксидами, неметаллический — с кислотными | Для неметаллов характерны многие летучие водородные соединения |
| Характерные степени окисления | Положение помогает определить вероятные значения | Зависят от внешних электронов и конкретного окружения атома | В простом веществе степень окисления равна 0 | Высшая степень окисления помогает составить формулу оксида | Степени окисления помогают проверить формулу |
| Основные, амфотерные или кислотные свойства соединений | Намечаются с учётом положения и характера элемента | Связаны с электронной конфигурацией и степенью окисления | Простое вещество не определяет свойства соединений однозначно | Свойства устанавливают по составу и реакциям оксида и гидроксида | Проверяют по составу и характерным реакциям вещества |
Читайте таблицу как цепочку рассуждений: положение элемента помогает восстановить строение атома, а оно — предположить свойства веществ. Сначала выясните, какие сведения относятся к вашему элементу, затем проверьте вывод по формуле и химическим реакциям. Для переходных элементов и элементов с несколькими степенями окисления особенно важно не ограничиваться номером группы.
Решение. Начинаем с положения элемента: номер периода отвечает на вопрос о числе занятых энергетических уровней, а для элемента главной подгруппы группа помогает определить число внешних электронов. Порядковый номер 13 означает, что в нейтральном атоме 13 электронов. Распределяем их по подуровням в порядке заполнения: сначала 1s, затем 2s, 2p, 3s и 3p.
Ответ: три энергетических уровня, три внешних электрона; электронная конфигурация Al — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹. Конфигурация подтверждает вывод по положению элемента.
Решение. Оба элемента находятся в третьем периоде, поэтому добавляемые электроны занимают один и тот же внешний уровень. При движении от натрия к хлору заряд ядра возрастает, и притяжение электронов усиливается. Это позволяет объяснить тенденцию не только запомнить: внешний слой сжимается, а отдавать электроны атомам становится труднее.
Ответ: радиус Na больше радиуса Cl; металлические свойства натрия выражены сильнее. Проверка рассуждения: при движении слева направо в периоде металлический характер обычно ослабевает.
Решение. Алюминий находится в главной подгруппе третьей группы, поэтому его высшая характерная степень окисления равна +3. В оксиде кислород имеет степень окисления −2; для нейтральной формулы подбираем наименьшее соотношение атомов, при котором сумма степеней окисления равна нулю. Формула высшего оксида — Al₂O₃, а соответствующего гидроксида — Al(OH)₃.
Ответ: высший оксид Al₂O₃, соответствующий гидроксид Al(OH)₃; гидроксид амфотерен. Одна реакция с кислотой показывает его основные свойства, а реакция со щёлочью — кислотные; для вывода об амфотерности нужны обе стороны поведения.
Ошибка — считать, что номер группы всегда равен числу внешних электронов. Такое правило используют прежде всего для элементов главных подгрупп, но оно не подходит без оговорок для переходных элементов и современной нумерации групп. Ошибку допускают, перенося простое правило на все элементы сразу. Проверяйте электронную конфигурацию: число внешних электронов нужно считать по занятому внешнему уровню.
Номер периода иногда принимают за число электронов в атоме. На самом деле у нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру, а период показывает число занятых энергетических уровней. Путаница возникает из-за того, что оба числа связаны с положением элемента в таблице. Для проверки отдельно найдите порядковый номер и период, а затем сравните их значения.
Нельзя надёжно определить все свойства элемента только по номеру группы. Даже у элементов одной группы свойства различаются по мере изменения радиуса, числа уровней и степени удерживания внешних электронов. Ошибку провоцирует сходство элементов группы, которое принимают за полное тождество. Проверяйте вывод с учётом периода, электронной конфигурации и конкретного соединения.
Формула высшего оксида сама по себе не доказывает, что оксид кислотный или основный. Формула помогает определить состав, но характер устанавливают по поведению вещества в реакциях; некоторые оксиды амфотерны. Часто вывод делают по степени окисления или по привычному типу элемента, не проверяя исключения. Сверьте состав соединения и рассмотрите реакции с кислотой и щёлочью, если нужно отличить амфотерный характер.
Для работы с периодической системой нужно знать строение атома, электронные конфигурации и смысл периодического закона. Эти основы позволяют объяснить, почему положение элемента связано с его свойствами, а не просто заучивать последовательность элементов. Умение читать таблицу становится опорой для дальнейших выводов о составе веществ.
Тема связана с химической связью и окислительно-восстановительными реакциями: строение внешнего слоя помогает понять образование связей и изменение степеней окисления. Предсказание свойств оксидов и гидроксидов опирается на знания о кислотах, основаниях, солях и оксидах. Поэтому свойства соединений удобно изучать в сравнении, а не как отдельные несвязанные факты.
Обобщение закономерностей помогает сопоставлять металлы, неметаллы и их соединения, а затем предсказывать возможные продукты реакций. Предсказание — это обоснованная гипотеза, а не гарантия: её проверяют по формулам, условиям реакции и химическим свойствам веществ. Так периодическая система становится инструментом для решения задач.
Как по периодической системе определить число электронных уровней в атоме?
Для элемента главных подгрупп номер периода показывает число занятых энергетических уровней в атоме. Например, атом элемента третьего периода имеет три таких уровня. Это не число электронов: их общее количество у нейтрального атома равно порядковому номеру элемента.
Почему свойства элементов закономерно меняются в периодах и группах?
В периоде растёт заряд ядра, а добавляемые электроны занимают тот же внешний энергетический уровень. Поэтому притяжение внешних электронов обычно усиливается. В группе сверху вниз добавляются уровни, внешние электроны удаляются от ядра, и их притяжение ослабевает.
Можно ли по номеру группы сразу определить все степени окисления элемента?
Нет: номер группы помогает предположить некоторые типичные степени окисления, но не задаёт их полный список. Нужно учитывать электронную конфигурацию, тип элемента и конкретное соединение. Особенно осторожно применяют это правило к переходным элементам и элементам с несколькими возможными степенями окисления.
Как предсказать, будет ли оксид кислотным, основным или амфотерным?
Сначала учитывают положение элемента и его металлический или неметаллический характер: оксиды металлов часто основные, а неметаллов — кислотные. Среди соединений некоторых металлов встречаются амфотерные оксиды, способные реагировать и с кислотами, и со щелочами. Окончательный вывод делают по составу вещества и подтверждают характерными реакциями.
Почему элементы одной группы похожи, но не обладают одинаковыми свойствами?
У элементов одной группы часто сходное строение внешнего электронного слоя, поэтому они образуют соединения похожих типов. Но сверху вниз увеличивается число энергетических уровней и атомный радиус, а внешние электроны удерживаются слабее. Из-за этого выраженность металлических и других химических свойств меняется.
Раздел IV. Обзор химических элементов и их соединений на основе периодической системы
