1. Периодический закон

Определения и обозначения

Периодический закон — закон, согласно которому свойства химических элементов, а также состав и свойства образуемых ими веществ периодически зависят от заряда ядра атома. Заряд ядра определяется порядковым номером элемента в таблице. Закон нужен, чтобы объяснять сходство и различия элементов и предсказывать свойства веществ, даже если их ещё не изучали подробно.

Периодическая система химических элементов — таблица, в которой элементы расположены в порядке увеличения заряда ядра, а их свойства изменяются закономерно. Горизонтальный ряд таблицы называется периодом, вертикальный столбец — группой. Эти обозначения помогают связать место элемента с устройством атома и его химическим поведением.

Порядковый номер элемента показывает заряд его ядра, выраженный в единицах элементарного заряда, и число протонов. В нейтральном атоме он также равен числу электронов. Поэтому порядковый номер — удобная отправная точка: по нему можно установить строение атома, а затем объяснить место элемента в системе.

Как это устроено

В атоме положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами. Электроны распределяются по энергетическим слоям — областям, расположенным на разном расстоянии от ядра. Во внешнем слое находятся электроны, которые чаще всего участвуют в образовании химических связей. Поэтому свойства атома зависят не только от общего числа электронов, но и от того, как они распределены.

При переходе от одного элемента к следующему порядковый номер увеличивается на единицу, значит, в ядре становится на один протон больше. В нейтральном атоме появляется и один дополнительный электрон. Он занимает место в электронной оболочке согласно её строению, а расположение электронов постепенно повторяется. Когда похожим становится строение внешнего слоя, элементы проявляют сходные химические свойства; повторение таких сходств и объясняет периодичность.

Номер периода связан с числом занятых электронных слоёв: при переходе к следующему периоду у атомов появляется новый слой. Внутри одного периода число слоёв остаётся одинаковым, но заряд ядра возрастает слева направо. Ядро сильнее притягивает электроны, поэтому радиус атомов обычно уменьшается, а способность отдавать электроны ослабевает. По этой причине металлические свойства в периоде обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются.

Элементы одной главной подгруппы имеют сходное строение внешнего электронного слоя, поэтому часто образуют соединения похожего состава. Вниз по такой подгруппе добавляются электронные слои, и внешние электроны в среднем дальше от ядра. Их легче отдать, поэтому металлические свойства обычно усиливаются. Так положение в таблице помогает объяснить, почему элементы одной группы похожи, хотя их атомы имеют разное число слоёв.

Д. И. Менделеев сформулировал периодический закон, сопоставляя свойства элементов с их атомными массами. Он заметил, что свойства повторяются не случайно, и использовал эту закономерность для систематизации элементов и предсказания свойств ещё не открытых. Позднее было установлено, что основа периодичности — не атомная масса, а заряд ядра. Современная формулировка закона поэтому опирается на порядковый номер.

Изменение свойств элементов в периодической системе

Таблица показывает общие направления изменения свойств, а не точное числовое значение для каждого элемента. Чтобы сравнить два элемента, сначала выясни, находятся ли они в одном периоде или одной главной подгруппе. Затем учитывай, что формулировки «обычно усиливаются» и «обычно ослабевают» описывают общую закономерность, а не отменяют особенности отдельных элементов.

Разбор задач

Задача. Элемент находится в третьем периоде и главной подгруппе шестой группы. Определите его порядковый номер и число электронов на внешнем слое в нейтральном атоме. Для решения важно не угадывать элемент по одному признаку, а по очереди использовать сведения о строке и столбце таблицы. Затем нужно проверить результат по порядковому номеру.

1. Третий период означает, что у атома три занятых электронных слоя. Значит, искать элемент нужно в третьей строке периодической системы. Это ограничивает выбор элементами, чьи атомы имеют три слоя.
2. Главная подгруппа шестой группы указывает на шесть электронов на внешнем слое. Такое строение внешнего слоя служит признаком элементов этой подгруппы. В третьем периоде ему соответствует сера, обозначение S.
3. Находим серу в таблице и проверяем её порядковый номер: он равен 16. Следовательно, в ядре атома 16 протонов, а в нейтральном атоме — 16 электронов. Электроны распределяются по слоям как 2, 8, 6, что подтверждает и третий период, и шесть внешних электронов.

Ответ: сера S, порядковый номер 16; в нейтральном атоме 6 электронов на внешнем слое. Проверка важна, потому что ошибка в определении периода или группы сразу приводит к неверному описанию строения атома. Если число электронов по слоям не совпадает с номером периода и признаком подгруппы, нужно заново проверить положение элемента.

Типичные ошибки

• Считать, что свойства зависят от атомной массы. Такую ошибку допускают, вспоминая историческую формулировку Менделеева и не учитывая современное объяснение. Проверь себя: в современной формулировке ключевой величиной является заряд ядра, то есть порядковый номер.
• Путать период и группу. Период — горизонтальный ряд, группа — вертикальный столбец; путаница приводит к неверному выводу о строении атома. Чтобы проверить себя, проследи положение элемента: номер строки связан с числом слоёв, а у элементов главной подгруппы номер группы помогает установить число внешних электронов.
• Считать тенденции абсолютными правилами. В таблице свойства часто описывают словами «обычно» или «в целом», но их принимают за неизменное изменение у каждого элемента. Сравнивай элементы в одном направлении и помни, что таблица показывает общую закономерность, а конкретные свойства нужно уточнять по данным об элементе и его соединениях.

Связь с другими темами

Периодический закон опирается на знания о строении атома: заряде ядра, протонах, электронах и электронных слоях. Он помогает объяснить, почему атомы образуют ионы и химические связи, а также почему элементы дают соединения со сходным составом. При изучении металлов, неметаллов, оксидов и других классов веществ положение элемента в таблице позволяет заранее предположить некоторые свойства. Поэтому периодическая система связывает сведения об атомах с химическими реакциями и свойствами веществ.

Что запомнить

• Свойства элементов и их соединений периодически зависят от заряда ядра атома.
• Порядковый номер равен числу протонов, а в нейтральном атоме — ещё и числу электронов.
• Период — строка таблицы; номер периода связан с числом занятых электронных слоёв.
• В главных подгруппах элементы имеют сходное строение внешнего слоя и часто похожие химические свойства.
• В периоде металлические свойства обычно ослабевают слева направо, а в главной подгруппе обычно усиливаются сверху вниз.