§ 25. Периодическая система и периодическая таблица

Определения и обозначения

Периодическая система химических элементов — упорядоченное расположение элементов, отражающее периодическое изменение их свойств. Иначе говоря, при чтении системы можно увидеть не случайный список, а повторяющиеся закономерности. Это помогает сравнивать элементы и объяснять, почему их свойства похожи или различаются.

Периодическая таблица — табличная форма изображения периодической системы; в клетке элемента указаны его основные сведения. Обычно там есть символ элемента и порядковый номер, а в некоторых вариантах — и другие данные. Клетка позволяет быстро найти элемент и определить его место среди остальных.

Период — горизонтальный ряд таблицы; номер периода связан с числом электронных слоёв в атомах элементов этого ряда. Электронный слой — область вокруг ядра, где находятся электроны. Поэтому номер периода помогает сделать вывод о строении атома, не изображая каждый его электрон отдельно.

Группа — вертикальный столбец таблицы; элементы одной группы имеют сходные свойства, а у элементов главных подгрупп обычно одинаковое число электронов на внешнем слое. Внешний слой — самый удалённый от ядра слой с электронами. Его строение влияет на химическое поведение элемента, поэтому положение в группе полезно при сравнении элементов.

Как это устроено

Элементы в таблице расположены по возрастанию порядкового номера, потому что он отражает заряд ядра атома. При переходе к следующему элементу в ядре становится на один протон больше, а заряд увеличивается на одну единицу. Такой порядок задаёт однозначное место каждому элементу и позволяет сопоставлять их свойства последовательно, а не по случайному признаку.

При увеличении заряда ядра меняется и число электронов в нейтральном атоме. Электроны распределяются по слоям, причём внешний слой не заполняется одинаковым образом у всех элементов подряд. Когда строение внешнего слоя проходит определённую последовательность, а затем начинается похожий цикл, свойства элементов тоже начинают повторяться. Так связь между строением атома и свойствами объясняет периодичность.

Периоды — горизонтальные строки, начинающиеся с элемента, у которого начинается заполнение нового электронного слоя, и заканчивающиеся элементом с завершённым внешним слоем. В таблице семь периодов; их длина различается, потому что на слоях может размещаться разное число электронов. Слева направо заряд ядра растёт, а свойства элементов постепенно меняются: обычно усиливаются неметаллические свойства, тогда как металлические ослабевают. Номер периода связан с числом занятых электронных слоёв, поэтому элементы третьего периода имеют три слоя.

Группы идут вертикально: в столбце собраны элементы, чьи атомы имеют сходное строение внешнего слоя. У элементов главных подгрупп число внешних электронов обычно соответствует номеру группы в принятой школьной нумерации главных групп. Поскольку именно внешние электроны участвуют в образовании химических связей и превращениях, сходство их числа и расположения приводит к сходству химических свойств. Это правило нельзя без оговорок переносить на все элементы таблицы.

Чтобы прочитать сведения об элементе, сначала найди его клетку и посмотри на порядковый номер и символ. Номер показывает заряд ядра и число протонов, а символ — условное буквенное обозначение элемента. Затем определи строку и столбец: так узнаешь период и группу и сможешь сделать вывод о числе слоёв, а для главной подгруппы — о внешних электронах. Эти выводы описывают строение атома, но не заменяют чтение всех данных, если в задаче нужны дополнительные сведения.

Как положение элемента в периодической таблице связано с его строением

Сначала проверь порядковый номер и период элемента, а затем прочитай его положение в группе. Номер периода помогает определить число слоёв; для элементов главных подгрупп номер группы обычно показывает число внешних электронов. Например, у хлора в третьем периоде три слоя, а в седьмой группе — семь электронов на внешнем слое.

Разбор задач

Задача 1

Найдите в таблице элемент с порядковым номером 11 и укажите его символ, период и группу. Начинаем с номера, потому что он однозначно определяет элемент. После этого по клетке можно прочитать его обозначение и положение в таблице.

1. Найди клетку, в которой указан порядковый номер 11.
2. Прочитай символ: это Na, натрий.
3. Определи строку и столбец: натрий находится в третьем периоде и первой группе.

Ответ: натрий (Na), третий период, первая группа. Порядковый номер не следует принимать за номер периода: он указывает заряд ядра и число протонов. Положение клетки нужно определять отдельно по её строке и столбцу.

Задача 2

Определите число электронных слоёв и электронов на внешнем слое атома магния, используя его положение в таблице. Сначала нужно найти период, потому что с ним связано количество слоёв. Затем для магния — элемента главной подгруппы — можно использовать номер группы, чтобы узнать число внешних электронов.

1. Найди клетку Mg: его порядковый номер — 12.
2. Магний стоит в третьем периоде, значит, в его атоме три электронных слоя.
3. Он находится во второй группе главной подгруппы, поэтому на внешнем слое два электрона.

Ответ: у атома магния три электронных слоя и два электрона на внешнем слое. Проверь, что группа — именно вертикальный столбец, а не строка. Вывод о числе внешних электронов по номеру группы здесь применим, так как магний относится к главной подгруппе.

Задача 3

Элемент находится в третьем периоде и первой группе. Определите его и объясните, как положение позволяет сделать вывод о строении его атома. Здесь дано пересечение строки и столбца, поэтому сначала нужно отыскать именно его. После определения элемента используем номер периода и принадлежность к главной подгруппе.

1. Найди третий горизонтальный ряд.
2. В нём отыщи первую группу. На пересечении находится натрий, Na.
3. Третий период означает три электронных слоя, а первая главная группа — один электрон на внешнем слое.

Ответ: это натрий; его атом имеет три электронных слоя и один электрон на внешнем слое. Такой вывод основан на положении элемента, а не на совпадении номера группы и периода. Порядковый номер натрия равен 11, поэтому в нейтральном атоме 11 протонов и 11 электронов.

Типичные ошибки

Период и группу иногда путают, потому что оба понятия обозначают положение элемента в таблице. Но период — горизонтальная строка, а группа — вертикальный столбец. Чтобы проверить себя, проследи от клетки элемента сначала влево или вправо, а затем вверх или вниз: это покажет разные направления.

Порядковый номер принимают за номер периода, поскольку оба значения записаны числами. На самом деле порядковый номер соответствует заряду ядра и числу протонов, а период определяется строкой таблицы. Самопроверка простая: например, натрий имеет номер 11, но находится в третьем периоде.

Правило о числе внешних электронов в группе иногда применяют ко всем элементам без исключения. В школьных задачах такая связь обычно используется для элементов главных подгрупп, а для остальных её нельзя автоматически считать верной. Перед выводом проверь, к какой части таблицы относится элемент и какой вид нумерации групп используется.

Периодическую систему и периодическую таблицу могут считать одним и тем же понятием. Система выражает закономерность расположения элементов и изменения их свойств, а таблица — один из способов эту систему представить. Чтобы не смешивать термины, спроси себя: речь идёт о самой закономерности или о её табличном изображении?

Связь с другими темами

Чтобы пользоваться таблицей, нужно знать строение атома: что такое ядро, заряд ядра, протоны, электроны и электронные слои. Тогда положение элемента становится не просто адресом в клетках, а подсказкой о его атоме. Дальше эти знания помогут объяснять изменение свойств элементов, разбирать химическую связь и понимать строение веществ.

Что запомнить

• Элементы в системе расположены по возрастанию порядкового номера.
• Периодическая таблица — табличное изображение периодической системы.
• Период — горизонтальный ряд, группа — вертикальный столбец.
• Порядковый номер элемента равен заряду ядра и числу протонов в атоме.
• Номер периода связан с числом электронных слоёв в атоме.
• Элементы одной группы имеют сходные свойства.
• У элементов главных подгрупп номер группы обычно указывает число электронов на внешнем слое.