§ 51. Периодическая таблица химических элементов

Определения и обозначения

Периодическая таблица химических элементов — таблица, в которой элементы расположены по возрастанию порядковых номеров, а сходные по свойствам элементы объединены в группы. Её удобно использовать как карту: она помогает находить элемент и замечать закономерности в строении атомов и свойствах веществ. Поэтому таблица нужна не только для поиска названия или символа элемента.

Порядковый номер химического элемента — число, равное заряду ядра атома и числу протонов в нём. По этому числу определяют место элемента в таблице и отличают его от других элементов. Например, у кислорода порядковый номер 8, значит, в ядре его атома 8 протонов.

Период — горизонтальный ряд элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронных слоёв. Электронные слои — области вокруг ядра, на которых располагаются электроны. Номер периода помогает связать положение элемента в таблице со строением его атома.

Группа — вертикальный столбец элементов со сходным строением внешнего электронного слоя и похожими химическими свойствами. Внешний слой — самый удалённый от ядра слой с электронами. Зная группу, можно сравнивать элементы и предполагать, какие свойства у них будут общими.

Как это устроено

Порядок элементов определяют по заряду ядра, а не только по относительной атомной массе. Масса атома складывается из масс протонов и нейтронов, а у одного элемента могут существовать атомы с разным числом нейтронов — изотопы. Поэтому средняя относительная атомная масса иногда не возрастает строго от клетки к клетке, тогда как число протонов всегда однозначно задаёт элемент. Например, если в ядре 8 протонов, это кислород независимо от числа нейтронов.

В клетке элемента обычно указывают его порядковый номер, химический символ, название и относительную атомную массу; оформление и расположение чисел могут немного отличаться в разных вариантах таблицы. Символ — это буквенное обозначение элемента: например, O означает кислород, а Mg — магний. Чтобы распознать элемент, найди его символ или название, а затем проверь порядковый номер: он не повторяется у разных элементов. Относительная атомная масса — не порядковый номер, а отдельная характеристика.

Номер периода определяют по горизонтальному ряду, в котором расположена клетка. Для элементов первых периодов он показывает, сколько электронных слоёв занято электронами: у кислорода два слоя, поэтому он находится во втором периоде. Причина этой связи в том, что при переходе к новому периоду у атомов начинает заполняться следующий электронный слой. Это позволяет по месту элемента в таблице ориентироваться в строении его атома.

Номер группы находят по вертикальному столбцу. У элементов одной группы, особенно у элементов главных групп, сходно устроен внешний электронный слой; поэтому их атомы часто одинаковым образом взаимодействуют с другими атомами. Так объясняется сходство многих химических свойств и типов соединений. Например, натрий и калий находятся в одной группе и имеют по одному электрону на внешнем слое, поэтому оба проявляют свойства активных металлов.

В периоде слева направо заряд ядра растёт, а электроны добавляются на один и тот же внешний слой. Из-за изменения строения атомов и их взаимодействия с электронами и другими атомами свойства элементов закономерно меняются: металлические свойства обычно ослабевают, неметаллические усиливаются. В группах повторяются сходные особенности внешнего слоя, поэтому проявляется периодическое сходство свойств. Изменение не означает, что все элементы одной группы одинаковы: важны также число электронных слоёв и положение элемента.

Как читать периодическую таблицу химических элементов

Чтобы прочитать клетку, сначала найдите символ элемента и его порядковый номер, затем определите горизонтальный ряд и вертикальный столбец. Не принимайте число относительной атомной массы за порядковый номер: у кислорода первое около 16, а второе равно 8. Сопоставляйте все данные клетки с её положением в таблице.

Разбор задач

Задача 1. По таблице определите порядковый номер, период и группу магния Mg. Решение: сначала находим клетку с символом Mg, чтобы не перепутать магний с другим элементом. Далее читаем номер и определяем ряды и столбец.

1. В клетке магния указан порядковый номер 12. Следовательно, заряд его ядра равен 12, и в ядре 12 протонов.
2. Клетка Mg находится в третьем горизонтальном ряду, значит, магний — элемент 3-го периода. У его атома заняты три электронных слоя.
3. Магний расположен в вертикальном столбце, обозначенном номером 2, то есть во 2-й группе. Группу читаем по столбцу, а не по горизонтальному ряду.

Ответ: магний имеет порядковый номер 12, находится в 3-м периоде и 2-й группе.

Задача 2. Почему натрий Na и калий K имеют сходные химические свойства? Решение: сравним не атомные массы, а положение элементов и строение их внешнего слоя. Это показывает, какие особенности атомов могут объяснить сходство реакций.

1. В таблице находим клетки Na и K и видим, что оба элемента стоят в одной группе — 1-й.
2. У атомов обоих элементов на внешнем электронном слое находится по одному электрону. Поэтому в химических взаимодействиях они ведут себя сходным образом и часто образуют соединения похожего типа.
3. У калия электронных слоёв больше, чем у натрия, так как он расположен ниже. Значит, атомы не одинаковы во всём, но сходство внешнего слоя объясняет общие свойства.

Ответ: натрий и калий сходны, потому что находятся в одной группе и имеют по одному электрону на внешнем слое.

Задача 3. Расположите Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl по усилению неметаллических свойств. Решение: все эти элементы принадлежат одному, третьему периоду. Поэтому для сравнения достаточно посмотреть, как меняются свойства при движении слева направо по ряду.

1. Определяем порядок клеток в 3-м периоде: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl.
2. В периоде слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются. Следовательно, неметаллические свойства возрастают именно в указанном направлении.
3. Записываем элементы от наиболее металлического из данного набора к наиболее выраженному неметаллу, не меняя порядок их клеток в периоде.

Ответ: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl. Элементы расположены по усилению неметаллических свойств.

Типичные ошибки

Путают период и группу. Период — горизонтальный ряд, группа — вертикальный столбец, но из-за привычки читать таблицу по строкам их легко смешать. Чтобы проверить себя, проследи, куда тянется ряд клеток: горизонтально или сверху вниз. Номер периода и группы нужно считывать по разным направлениям.

Принимают порядковый номер за относительную атомную массу. Эти числа часто находятся рядом, поэтому их можно спутать. Порядковый номер равен числу протонов и задаёт место элемента, а относительная атомная масса характеризует массу атомов и может быть дробной. Проверь, какое именно число указано в таблице и соответствует ли порядковый номер известному заряду ядра.

Определяют период по числу электронов. В атоме нейтрального элемента электронов столько же, сколько протонов, но номер периода не равен общему числу электронов. Он связан с количеством занятых электронных слоёв. Для самопроверки посчитай слои в схеме атома, а не отдельные электроны на них.

Считают, что элементы группы полностью одинаковы. Сходство внешнего слоя помогает объяснить похожие свойства, но атомы элементов различаются зарядом ядра и числом слоёв. Кроме того, в одной группе могут встречаться элементы с разной степенью металлических или неметаллических свойств. Проверяй вывод по конкретным элементам и не превращай правило о сходстве в утверждение об их тождестве.

Связь с другими темами

Для чтения таблицы нужны знания о строении атома, ядре и распределении электронов по слоям: без них трудно понять смысл периода и группы. Таблица помогает связывать это строение с валентностью, химической связью и составлением формул веществ. В дальнейшем положение элемента используют, чтобы предположить, будет ли он проявлять металлические или неметаллические свойства и как может участвовать в химических реакциях.

Что запомнить

• Элементы в современной таблице расположены по возрастанию порядкового номера.
• Порядковый номер равен числу протонов в ядре атома.
• Период — горизонтальный ряд элементов.
• Группа — вертикальный столбец элементов.
• Номер периода связан с числом электронных слоёв атома.
• Элементы одной группы обычно имеют сходные химические свойства.
• В периоде слева направо металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются.