§ 4. С ростом атомной массы свойства элементов периодически меняются

Определения и обозначения

Периодический закон — закономерность, согласно которой свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически повторяются при увеличении атомной массы элементов. Иными словами, при упорядочивании элементов можно заметить не случайный набор свойств, а повторяющийся рисунок. Закон нужен, чтобы сравнивать элементы и предсказывать особенности ещё не изученных веществ.

Период — горизонтальный ряд элементов, в котором свойства изменяются по мере увеличения атомной массы. Двигаясь по нему слева направо, можно проследить постепенный переход от элементов с более выраженными металлическими свойствами к неметаллическим. Понятие периода помогает сравнивать соседние элементы и видеть направление изменения их свойств.

Группа — вертикальный столбец периодической таблицы, объединяющий элементы со сходными свойствами и характером соединений. Элементы группы могут образовывать соединения сходного состава и проявлять близкую валентность, но это не делает их одинаковыми. Группа нужна, чтобы находить повторяющиеся черты у элементов, расположенных один под другим.

Периодичность свойств — повторение сходных свойств элементов и их соединений через определённые промежутки в последовательности элементов. Например, после ряда постепенных изменений встречаются элементы, свойства которых напоминают свойства более ранних элементов. Это понятие объясняет, почему таблицу можно использовать не только для перечисления элементов, но и для предсказания их поведения.

Как это устроено

Если расположить элементы по возрастанию атомной массы, их свойства изменяются не произвольно: в последовательности возникают общие тенденции. Это связано с тем, что элемент образует простое вещество и соединения с характерными свойствами, а при продвижении по ряду характер элементов постепенно меняется. Поэтому атомная масса служит порядком, в котором удобно наблюдать закономерность, а не единственным объяснением всех свойств.

Вначале свойства могут меняться постепенно, но затем появляются элементы, похожие на уже встречавшиеся. Повторение возникает потому, что некоторые характерные особенности элементов и их соединений возвращаются через определённые промежутки. Так проявляется периодичность: свойства не остаются неизменными, а образуют последовательность изменений с повторяющимися чертами.

В пределах периода металлические свойства обычно ослабевают слева направо, а неметаллические усиливаются. В начале ряда находятся элементы, простые вещества которых чаще проявляют металлический характер; дальше усиливаются свойства, характерные для неметаллов. Поэтому положение элемента относительно начала и конца периода помогает предсказать его химическое поведение, хотя это общая тенденция, а не замена проверке конкретного вещества.

Элементы одной группы сходны, поскольку образуют соединения близкого состава и проявляют близкую валентность. Валентность — способность атома образовывать определённое число связей с другими атомами; она влияет на формулы соединений и тем самым на их свойства. Сходство в группе позволяет ожидать похожий характер реакций, но величины свойств и сила их проявления у разных элементов могут отличаться.

Сравнивать изменения удобно не только по простым веществам, но и по оксидам и гидроксидам. Оксиды — соединения элемента с кислородом, а гидроксиды содержат группы OH; их свойства показывают, насколько выражен металлический или неметаллический характер элемента. В периоде высшие оксиды обычно меняются от основных через амфотерные к кислотным, поэтому сопоставление формул и характера соединений раскрывает закономерность глубже, чем простое запоминание ряда элементов.

Изменение свойств элементов в периодах и группах

Сначала найди, сравниваются ли элементы одного периода или одной группы: направление движения определяет, какую колонку таблицы использовать. Слово «обычно» напоминает, что таблица показывает общие тенденции, а не отменяет особенностей отдельных элементов. Для вывода об оксиде учитывай и положение элемента, и его металлический или неметаллический характер.

Разбор задач

1. Расположите элементы одного периода по усилению металлических свойств.

Условие: даны несколько элементов одного периода, и нужно поставить их в ряд от наименее металлического к наиболее металлическому. Конкретные символы не указаны, поэтому решение должно опираться на положение элементов в таблице. Не следует начинать с сравнения атомных масс: сначала выясняют направление изменения свойств в периоде.

1. Найди все элементы в периодической таблице и проверь, что они принадлежат одному горизонтальному ряду.
2. Расположи их слева направо по положению в этом ряду.
3. Помни, что металлические свойства в периоде обычно ослабевают слева направо, значит, для усиления этого свойства порядок нужно обратить.

Ответ: перечисли элементы справа налево, начиная с наиболее правого. Если в условии будут конкретные символы, поставь их именно в таком порядке. Проверка: при движении по полученному ряду металлический характер должен постепенно усиливаться.

2. Сравните свойства элементов одной группы и объясните сходство их соединений.

Условие: нужно сопоставить два элемента, стоящих в одном вертикальном столбце, и объяснить, почему их соединения похожи. Здесь важно отделить сходство от полного совпадения: свойства элементов одной группы не обязаны быть одинаковыми. Основанием сравнения служат общие черты их соединений и валентности.

1. Убедись, что оба элемента находятся в одной группе.
2. Сравни типичные формулы их соединений и отметь, что они часто имеют сходный состав.
3. Свяжи это сходство с близкой валентностью и общим характером химических свойств, но оставь место для различий между элементами.

Ответ: элементы одной группы обычно сходны по свойствам и образуют соединения сходного состава, потому что проявляют близкую валентность. При этом нельзя утверждать, что их реакции и свойства веществ полностью совпадают. Для самопроверки назови отдельно одну общую черту и одно возможное различие.

3. По положению элемента в периоде предскажите характер его оксида.

Условие: требуется определить, будет ли оксид элемента преимущественно основным, амфотерным или кислотным. Для такого прогноза недостаточно просто узнать атомную массу; нужно установить место элемента в периоде и оценить его металлический характер. Термин «высший оксид» означает оксид, в котором элемент проявляет наиболее высокую характерную валентность.

1. Найди элемент в периоде и определи, расположен ли он ближе к началу, середине или концу ряда.
2. Сопоставь положение с тенденцией: слева направо металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются.
3. Предположи характер оксида: у выраженных металлов он чаще основной, в переходной области возможен амфотерный, у неметаллов чаще кислотный.

Ответ: положение даёт обоснованное предположение, но для точного вывода следует проверить формулу и свойства конкретного оксида. Самопроверка проста: выбранный характер должен соответствовать общей тенденции изменения свойств в периоде, а не противоречить ей.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что свойства только возрастают вместе с атомной массой. Её допускают, потому что именно увеличение массы указано в формулировке закона, но при этом забывают о повторении свойств. Проверь себя: можешь ли ты объяснить, почему после постепенных изменений появляются похожие элементы? Если нет, нужно учесть периодичность.

Ошибка — путать период и группу: период горизонтальный, группа вертикальная. Это часто происходит, когда ученик запоминает слова, но не связывает их с видом строки и столбца таблицы. Перед сравнением проведи пальцем по таблице: движение вбок означает период, движение сверху вниз — группу.

Ошибка — утверждать, что все элементы одной группы полностью одинаковы. Сходные свойства и соединения не означают тождества элементов: могут различаться сила проявления свойств и конкретные реакции. Проверь себя, используя слова «похожи» или «сходны», а не «совершенно одинаковы», и укажи, что именно у них общее.

Ошибка — считать изменения свойств в периоде случайными и не связывать их с соединениями элементов. Так бывает, если запоминать только названия элементов, не сравнивая простые вещества, оксиды и гидроксиды. Проверь себя: можешь ли ты объяснить переход от металлического характера к неметаллическому и связать его с характером оксидов? Если можешь, закономерность понята.

Связь с другими темами

Для понимания закономерностей нужно знать, что такое химический элемент, атомная масса, простое и сложное вещество. Эти понятия позволяют отличить свойства элемента от свойств образованных им веществ и осмысленно сравнивать их. Изучение периодического изменения свойств подготавливает к теме строения атома и периодической системы химических элементов. В дальнейшем положение элемента в таблице поможет предсказывать свойства простых веществ, оксидов и других соединений.

Что запомнить

• При увеличении атомной массы свойства элементов изменяются закономерно и периодически повторяются.
• Период — горизонтальный ряд элементов.
• Группа — вертикальный столбец элементов со сходными свойствами.
• В периоде металлические свойства обычно ослабевают слева направо.
• В периоде неметаллические свойства обычно усиливаются слева направо.
• Характер оксидов и гидроксидов меняется вместе со свойствами элементов.