§ 3. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Определения и обозначения

Периодический закон — закон, согласно которому свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от заряда атомных ядер. Иначе говоря, при увеличении заряда ядра некоторые особенности строения атомов и свойств веществ через определённые промежутки повторяются. Закон нужен, чтобы не просто запоминать свойства отдельных элементов, а объяснять их общие закономерности.

Периодическая система химических элементов — графическое выражение периодического закона, в котором элементы расположены по возрастанию заряда ядра. Положение элемента в таблице связано со строением его атома, поэтому по системе можно находить закономерности свойств. Она помогает сравнивать элементы и делать обоснованные предположения о свойствах ещё не изученных соединений.

Период — последовательность элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронных слоёв. Электронный слой — область вокруг ядра, связанная с определённым энергетическим уровнем электронов. Номер периода помогает установить число занятых слоёв в атоме и понять, как меняются свойства элементов при движении по строке.

Группа — вертикальный столбец элементов, свойства которых имеют общие черты. Такое сходство связано с электронным строением атомов, особенно с устройством их внешней оболочки, участвующей в химических взаимодействиях. Группа позволяет объединять элементы со сходным химическим поведением, хотя их свойства не полностью одинаковы и меняются сверху вниз.

Как это устроено

В основу современного расположения элементов положен заряд ядра, а не атомная масса. Порядковый номер показывает, сколько протонов находится в ядре атома, поэтому он задаёт заряд ядра. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, а именно электроны определяют строение оболочки и во многом химические свойства. Масса атома может не возрастать строго с каждым следующим элементом, поэтому она не объясняет правильный порядок и повторение свойств.

Периодичность возникает из-за последовательного заполнения электронных уровней и подуровней при увеличении заряда ядра. Электроны распределяются по состояниям с разной энергией, а заполнение внешней оболочки постепенно меняется. Когда особенности внешнего строения начинают повторяться, сходным образом проявляются и химические свойства элементов. Повторяется не весь атом целиком: у следующих периодов может быть больше электронных слоёв, но характер внешней оболочки снова становится похожим.

Строки таблицы называют периодами, столбцы — группами. Период показывает, сколько электронных слоёв занято в атоме, а положение внутри периода связано с тем, как заполняются подуровни. В группе элементы объединены сходством электронного строения внешних оболочек, хотя детали строения атомов у них различаются. Поэтому, определяя положение элемента, полезно одновременно смотреть и на строку, и на столбец: эти сведения дополняют друг друга.

В периоде слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются; радиус атома в целом уменьшается. Это связано с ростом заряда ядра: электроны притягиваются сильнее, хотя число занятых слоёв в пределах периода не меняется. В главных подгруппах сверху вниз радиус обычно возрастает, а металлические свойства усиливаются. Высшие оксиды и соответствующие им гидроксиды также закономерно меняют характер: в периоде от основных они переходят к амфотерным, а затем к кислотным, хотя для конкретного элемента нужно учитывать его положение и свойства соединений.

В периодической системе выделяют s-, p-, d- и f-блоки. Буква показывает, на какой подуровень поступает последний электрон атома: соответственно s-, p-, d- или f-подуровень. Поэтому блок непосредственно связан с электронной конфигурацией, а не просто с внешним видом таблицы. Определив блок, можно понять, к какому типу элементов относится атом и какие особенности электронного строения следует учитывать при объяснении его свойств.

Строение Периодической системы и сведения, которые даёт положение элемента

Используйте таблицу как последовательность вопросов: сначала найдите период и оцените число слоёв, затем группу и сходство с другими элементами. После этого уточните подгруппу и блок, чтобы не переносить общее правило на неподходящий элемент. Все выводы о свойствах проверяйте с учётом электронной конфигурации.

Разбор задач

Хлор: порядковый номер, период, группа и число слоёв

Условие. По Периодической системе определите порядковый номер, период и группу хлора, а также число электронных слоёв в его атоме. Нужно связать место элемента в таблице с зарядом ядра и строением атома.

1. Найдём обозначение хлора — Cl — в таблице и прочитаем его порядковый номер: 17. Значит, заряд ядра атома хлора равен +17, а в ядре 17 протонов.
2. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому у хлора 17 электронов. Элемент расположен в третьем периоде, следовательно, его атом имеет три занятых электронных слоя.
3. Хлор находится в 17-й группе современной нумерации, или в главной подгруппе VII группы в традиционной записи. Это согласуется с внешней конфигурацией 3s²3p⁵: на внешнем уровне семь электронов.

Ответ. Порядковый номер хлора — 17, период — 3, группа — 17 (VIIA), число электронных слоёв — 3. Порядковый номер также показывает число протонов и электронов нейтрального атома.

Сравнение Na, Mg и Al

Условие. Расположите Na, Mg и Al по убыванию атомного радиуса и по возрастанию металлических свойств. Все три элемента находятся в одном периоде, поэтому сравнение нужно проводить по горизонтали таблицы.

1. Натрий, магний и алюминий расположены в третьем периоде: Na стоит левее Mg, а Mg — левее Al. При движении слева направо заряд ядра растёт, но число занятых слоёв остаётся одинаковым.
2. Притяжение электронов к ядру усиливается, поэтому атомный радиус обычно уменьшается. Следовательно, по убыванию радиуса элементы расположатся так: Na > Mg > Al.
3. В том же направлении металлические свойства ослабевают, так как атомам становится труднее отдавать электроны. Поэтому по возрастанию металлических свойств порядок обратный: Al < Mg < Na.

Ответ. По убыванию атомного радиуса: Na, Mg, Al. По возрастанию металлических свойств: Al, Mg, Na; обе закономерности объясняются изменением заряда ядра при одинаковом числе занятых слоёв.

Элемент с внешней конфигурацией 3s²3p³

Условие. Определите период, группу и блок элемента с электронной конфигурацией внешнего уровня 3s²3p³, затем предскажите формулу его высшего оксида. В записи указаны электроны внешнего уровня, а не вся конфигурация атома.

1. Число 3 в записи показывает третий энергетический уровень, значит, атом относится к третьему периоду и имеет три занятых слоя.
2. На внешнем уровне пять электронов: два на s-подуровне и три на p-подуровне. Такая конфигурация соответствует фосфору P, элементу 15-й группы, или главной подгруппы V группы.
3. Последний электрон поступает на p-подуровень, следовательно, это p-элемент. Для фосфора высшая степень окисления равна +5, поэтому при составлении оксида у кислорода со степенью окисления −2 получаем формулу P₂O₅.

Ответ. Элемент — фосфор: третий период, 15-я группа (VA), p-блок; формула высшего оксида — P₂O₅. Число внешних электронов помогает установить группу, а положение в главной подгруппе позволяет оценить высшую степень окисления.

Типичные ошибки

Ориентироваться на атомную массу вместо порядкового номера. Так ошибаются, потому что в старых объяснениях периодичности часто упоминают атомные массы. Но современный порядок задаётся зарядом ядра, то есть порядковым номером; в нейтральном атоме он определяет и число электронов. Проверка простая: сопоставьте предполагаемый порядок с номерами элементов, а не с их массами.

Путать период и группу. Обычно это происходит из-за того, что оба понятия описывают положение элемента в таблице. Период — горизонтальная строка, группа — вертикальный столбец. Чтобы проверить ответ, проследите направление: номер строки связан с числом слоёв, а элементы столбца имеют общие черты свойств.

Считать свойства всех элементов группы одинаковыми. Сходство внешних оболочек объясняет похожее химическое поведение, но число слоёв и размеры атомов сверху вниз меняются. Поэтому свойства группы тоже закономерно изменяются. Проверяйте вывод сравнением конкретных элементов, учитывая их положение и электронное строение, а не только номер группы.

Механически считать, что номер группы равен числу электронов внешнего уровня. Такое правило применяют к главным подгруппам, но оно не подходит без оговорок для всех элементов, особенно переходных. Ошибка возникает, если не учитывать, на какой подуровень поступает последний электрон. Проверьте тип элемента по его электронной конфигурации и блоку, прежде чем делать вывод о числе внешних электронов.

Связь с другими темами

Для работы с таблицей нужны знания о составе атома, заряде ядра и порядковом номере, а также начальные навыки записи электронных конфигураций и понимание энергетических уровней. Периодический закон помогает объяснять и предсказывать строение атомов и свойства элементов, простых веществ и соединений. Эти закономерности понадобятся при изучении химической связи, окислительно-восстановительных процессов и свойств металлов и неметаллов. Поэтому умение читать положение элемента в таблице становится основой для дальнейших тем курса химии.

Что запомнить

• Современная формулировка периодического закона связывает свойства элементов со строением атомов и зарядом ядра.
• Порядковый номер элемента равен заряду ядра его атома.
• Периоды располагаются в таблице горизонтально, группы — вертикально.
• Номер периода связан с числом занятых электронных слоёв атома.
• Свойства элементов и их соединений изменяются периодически при увеличении заряда ядра.
• При движении в периоде слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются.