§ 8. Элемент можно описать по его положению в Периодической системе

Определения и обозначения

Порядковый номер химического элемента — число элемента в Периодической системе, обозначаемое Z. Он показывает заряд ядра в единицах элементарного заряда и число протонов в ядре. По нему можно установить, какой именно элемент рассматривается, и узнать число электронов в его нейтральном атоме.

Период — горизонтальный ряд элементов в таблице. Номер периода сообщает, сколько энергетических уровней занято в атоме элемента. Это помогает понять, на скольких уровнях распределены электроны, а не сколько электронов находится на внешнем уровне.

Группа — вертикальный столбец Периодической системы. У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем энергетическом уровне. Чтобы пользоваться этим правилом, нужно отличать главные подгруппы от побочных: номер группы сам по себе не всегда показывает число внешних электронов.

Электронная оболочка атома — совокупность электронов, распределённых по энергетическим уровням вокруг ядра. Уровни можно представить как области с разной энергией, на которых находятся электроны. Зная положение элемента и его порядковый номер, можно описать это распределение и проверить, соответствует ли оно периоду и группе.

Как это устроено

Порядковый номер задаёт число протонов, потому что каждый элемент отличается от других именно зарядом своего ядра. Заряд ядра создаётся протонами, поэтому число протонов равно Z. В нейтральном атоме суммарный заряд равен нулю: положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов. Значит, число электронов такого атома тоже равно Z, а у иона равенство может нарушаться.

Номер периода помогает определить число занятых энергетических уровней, поскольку в таблице периоды связаны с последовательным заполнением электронных оболочек. При переходе к следующему периоду у атомов появляется ещё один занятый уровень. Поэтому атом элемента третьего периода имеет три занятых уровня, а не три электрона. Это правило даёт структуру оболочки, но не говорит, сколько электронов приходится на каждый уровень.

Для элементов главных подгрупп номер группы позволяет установить число электронов на внешнем уровне. Внешними называют электроны наиболее удалённого занятого уровня; именно они особенно важны при химических взаимодействиях. Связь с номером группы отражает сходное устройство внешней оболочки у элементов главных подгрупп. У элементов побочных подгрупп строение сложнее, поэтому переносить на них это правило без проверки нельзя.

Чтобы распределить электроны по уровням, сначала определяют их общее число по порядковому номеру, а затем используют номер периода и группы. Период задаёт количество уровней, а главная подгруппа — число электронов на внешнем. Оставшиеся электроны распределяют по внутренним уровням с учётом правил строения атома, изученных ранее. Готовое распределение проверяют: сумма электронов должна дать Z, число уровней — совпасть с номером периода, а внешний уровень — согласоваться с группой.

Сходство химических свойств элементов одной главной подгруппы связано с похожим строением их внешнего уровня. В химических превращениях атомы взаимодействуют прежде всего внешними электронами: они могут участвовать в образовании химических связей. Поэтому одинаковое число таких электронов часто приводит к сходным способам взаимодействия с другими веществами. При этом свойства элементов не становятся полностью одинаковыми, поскольку отличаются и другие особенности их атомов.

Что можно узнать о химическом элементе по его положению в Периодической системе

Пользуйтесь таблицей последовательно: сначала возьмите порядковый номер, затем проверьте период и подгруппу. Не применяйте правило о числе внешних электронов к элементам побочных подгрупп без дополнительных сведений. В конце сравните полученное распределение с тремя проверками из последней строки.

Разбор задач

Задача 1. Для атома магния (Mg) укажите порядковый номер, число протонов и электронов, число энергетических уровней и электронов на внешнем уровне. Чтобы решить задачу, нужно прочитать в таблице порядковый номер, период и принадлежность к подгруппе. Затем эти сведения связывают с составом нейтрального атома и проверяют результат. Такой порядок не позволяет перепутать число уровней с числом электронов на них.

1. У магния порядковый номер Z = 12, поэтому в ядре 12 протонов.
2. Атом нейтрален, значит, электронов тоже 12.
3. Магний находится в третьем периоде, поэтому заняты три энергетических уровня.
4. Он относится к главной подгруппе II группы, следовательно, на внешнем уровне 2 электрона. Распределение 2, 8, 2 даёт в сумме 12 электронов.

Ответ: Z = 12, 12 протонов, 12 электронов, 3 уровня, 2 электрона на внешнем уровне.

Задача 2. Опишите строение атома серы (S) по её положению в Периодической системе и запишите распределение электронов по уровням. Здесь важно не угадывать распределение по названию элемента, а использовать номер, период и главную подгруппу. Сначала устанавливаем общее число электронов, а затем проверяем внешнюю оболочку и число уровней. Такая проверка показывает, согласуются ли все сведения.

1. Порядковый номер серы Z = 16, поэтому у нейтрального атома 16 электронов.
2. Сера находится в третьем периоде: в атоме заняты три уровня.
3. Она находится в главной подгруппе VI группы, значит, на внешнем уровне 6 электронов.
4. Распределение по уровням — 2, 8, 6; сумма равна 16, уровней три, на последнем уровне шесть электронов.

Ответ: ядро серы содержит 16 протонов, нейтральный атом — 16 электронов; распределение по уровням: 2, 8, 6.

Задача 3. Элемент находится в третьем периоде и главной подгруппе VII группы. Определите его порядковый номер, название и распределение электронов по уровням. Сначала по двум координатам находят клетку таблицы, а затем проверяют выбор по строению атома. Номер группы здесь можно использовать, потому что в условии явно указана главная подгруппа.

1. На пересечении третьего периода и главной подгруппы VII группы находится хлор (Cl).
2. Порядковый номер хлора — 17, поэтому у нейтрального атома 17 электронов.
3. Третий период означает три занятых уровня, а главная подгруппа VII группы указывает на 7 внешних электронов.
4. Распределение 2, 8, 7 содержит 17 электронов и отвечает всем заданным координатам.

Ответ: хлор (Cl), Z = 17; распределение электронов по уровням — 2, 8, 7.

Типичные ошибки

Путать номер периода с числом электронов на внешнем уровне. Ошибка возникает потому, что оба признака связаны с положением элемента в таблице. Но период показывает число занятых уровней, а число внешних электронов для главных подгрупп связано с группой. Проверьте себя на магнии: третий период означает три уровня, а главная подгруппа II группы — два внешних электрона.

Считать порядковый номер числом нейтронов. Так путают разные части атомного ядра: порядковый номер показывает число протонов, а количество нейтронов зависит от изотопа. Например, у атомов одного элемента число протонов одинаковое, но число нейтронов может различаться. Для проверки сначала найдите Z, а сведения о нейтронах берите из данных о конкретном изотопе.

Принимать заряд ядра за число электронов у любого атома. Это верно только для нейтрального атома, где число электронов уравновешивает число протонов. У иона электронов меньше или больше, чем протонов, потому что атом теряет или присоединяет электроны. Проверьте, указан ли заряд частицы: если он не равен нулю, нельзя автоматически приравнивать число электронов к Z.

Определять число внешних электронов по номеру любой группы. Причина ошибки — правило о связи номера группы с внешним уровнем запоминают без уточнения, к каким элементам оно относится. Его применяют к элементам главных подгрупп, а не без разбора ко всем элементам таблицы. Перед выводом проверьте обозначение подгруппы; если она побочная, используйте другие сведения о строении атома.

Связь с другими темами

Для описания элемента нужно знать устройство атома: ядро, протоны, электроны и энергетические уровни. Также понадобятся сведения о строении Периодической системы — о периодах, группах и подгруппах. Определение строения атома по его положению в таблице помогает дальше объяснять химическую связь и свойства элементов и их соединений. Поэтому умение читать положение элемента становится инструментом для изучения последующих тем химии.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру.
• Номер периода показывает число занятых энергетических уровней.
• У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.
• Элементы одной главной подгруппы имеют сходное строение внешнего уровня и сходные химические свойства.