Периодический закон был открыт Д. И. Менделеевым (1869 г.) задолго до создания квантовой теории строения атома, поэтому первоначальная формулировка периодического закона была такой:
свойства простых веществ и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от атомных масс элементов.
Современная формулировка периодического закона учитывает новейшие открытия квантовой химии:
Свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер элементов.
Порядок заполнения электронами в атомах энергетических уровней, подуровней и орбиталей показывает, что с увеличением заряда ядра происходит закономерное периодическое повторение электронных структур, а значит, и повторение свойств элементов. Это отражается в периодической таблице элементов, которая является графическим выражением периодического закона.
Каждый элемент занимает в периодической таблице определенную клеточку, в которой указаны символ и название элемента, его порядковый номер, относительная атомная масса. В некоторых периодических таблицах иногда приводятся и другие справочные данные (рис. 3.12).
Периодическая система элементов состоит из периодов и групп.
Рисунок 3.12 – Сведения об элементе, приведенные в периодической таблице Д. И. Менделеева
Период – это горизонтальный последовательный ряд элементов, в атомах которых электроны заполняют одинаковое количество энергетических уровней.
= = .
Например, кальций (20Са: ...4s2) находится в четвертом периоде (n = 4), поэтому в атоме Са имеется четыре энергетических уровня, валентные электроны размещаются на внешнем (четвертом) уровне. Элемент стронций (38Sr: ...5s2) находится в пятом периоде
(n = 5), значит, в атоме Sr есть пять энергетических уровней и два валентных электрона находятся на пятом уровне. Видно, что у атомов Са и Sr аналогичная конфигурация внешнего энергетического уровня.
Элементы с одинаковой электронной конфигурацией внешнего энергетического уровня называются элементами-аналогами.
Различие в порядке заполнения как внешних, так и более близких к ядру электронных слоев объясняет причину разной длины периодов.
В атомах s- и р-элементов идет заполнение электронами внешнего энергетического уровня, у d-элементов – второго снаружи, а у f-элементов – третьего снаружи энергетического уровня.
В пределах одного периода свойства элементов изменяются постепенно, а при переходе от предыдущего периода к последующему наблюдается резкое изменение свойств, обусловленное заполнением нового уровня.
Постепенное изменение свойств характерно не только для простых веществ, но и для сложных соединений (табл. 3.8).
Первые три периода называются малыми, а элементы второго и третьего периодов – еще и типическими, потому что их свойства являются основой для распределения всех других элементов на восемь групп. Остальные периоды называются большими. Седьмой период – незавершенный.
Все периоды, кроме первого, начинаются со щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и заканчиваются, за исключением незавершенного седьмого, инертными элементами (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Щелочные металлы являются элементами-аналогами, поскольку их атомы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего слоя (ns1, где n – главное квантовое число, отвечающее внешнему энергетическому уровню и указывающее номер периода). У инертных элементов, кроме гелия (1s2), тоже одинаковое строение внешнего электронного уровня: ns2np6, поэтому они составляют свою подгруппу элементов-аналогов.
Рассмотренная закономерность дает возможность сделать вывод:
периодическое повторение одинаковых электронных конфигураций внешнего электронного слоя является причиной сходства физических и химических свойств у элементов-аналогов, потому что именно внешние электроны атомов преимущественно определяют их свойства.
В малых типических периодах с увеличением порядкового номера элемента наблюдается постепенное ослабление металлических и усиление неметаллических свойств. Например, атомы всех элементов третьего периода имеют по три электронных слоя. Строение двух внутренних слоев одинаково для всех элементов третьего периода (1s22s22p6), а строение внешнего (третьего) слоя различно. При переходе от каждого предшествующего элемента к последующему заряд ядра атома возрастает на единицу и соответственно увеличивается количество внешних электронов. Вследствие этого их притяжение к ядру усиливается, а радиус атома уменьшается. Это и приводит к ослаблению металлических свойств и возрастанию неметаллических.
Вертикальные столбцы элементов в периодической таблице – это группы. Каждая группа состоит из двух подгрупп: главной (А) и побочной (В). В состав главных подгрупп входят s- и р-элементы, а в состав побочных – d- и f-элементы больших периодов.
Главная подгруппа – это совокупность элементов, которые размещаются в периодической таблице вертикально, имеют одинаковую конфигурацию внешнего электронного слоя и подобные химические свойства.
Номер главной подгруппы = Количество внешних электронов.
Например, в атоме элемента серы S на внешнем энергетическом уровне имеется шесть электронов, потому S размещается в главной подгруппе шестой группы и является р-элементом.
Таблица 3.8 – Некоторые свойства элементов третьего периода и их соединений
Электронное семейство
s-Элементы
р-Элементы
Символ элемента
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Заряд ядра атома
+11
+12
+13
+14
+15
+16
+17
+18
Внешняя электронная конфигурация
3s1
3s2
3s23p1
3s23p2
3s23p3
3s23p4
3s23p5
3s23p6
Атомный радиус, нм
0,189
0,160
0,143
0,118
0,110
0,102
0,099
0,054
Максимальная валентность
І
ІІ
ІІІ
ІV
V
VІ
VІІ
-
Высшие оксиды и их свойства
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
P2O5
SO3
Cl2O7
-
Осиновые свойства
Амфо-терные свой-ства
Кислотные свойства
Гидраты оксидов (основания или кислоты)
NaOH -
сильная щелочь
Mg(OH)2 -
слабое осно-вание
Al(OH)3 -
амфо-терное осно-вание
H2SiO3 -
слабая кис-лота
H3PO4 -
кисло-та сред-ней силы
H2SO4 -
силь-ная кис-лота
HСlO4 -
силь-ная кис-лота
-
Соединения с водородом
NaH
MgH2
AlH3
SiH4
PH3
H2S
HCl
-
Твердые солеподобные вещества
Газообразные вещества
Для элементов одной подгруппы характерно сходство химических свойств (табл. 3.9). Но есть и отличия. Рассмотрим элементы подгруппы IA. Все они, кроме Н, – активные металлы. Но с возрастанием радиуса атома и количества электронных слоев, которые экранируют (заслоняют) влияние ядра на валентные электроны, металлические свойства усиливаются. Поэтому Fr – более активный металл, чем Сs, и т.д. А в подгруппе VIIIA по той же причине при увеличении порядкового номера ослабевают неметаллические свойства элементов. Поэтому F – более активный неметалл по сравнению с Cl и т.д.
Таблица 3.9 – Некоторые характеристики элементов IA- и VIIA-подгрупп
Период
Подгруппа IA
Подгруппа VIIA
символ элемента
Заряд ядра
радиус атома, нм
внешняя электрон-ная конфигу-рация
символ элемента
заряд ядра
радиус атома, нм
внешняя электрон-ная конфигу-рация
II
III
IV
V
VI
VII
Li
Na
K
Rb
Cs
Fr
+3
+11
+19
+37
+55
+87
0,155
0,189
0,236
0,248
0,268
0,280
2s1
3s1
4s1
5s1
6s1
7s1
F
Cl
Br
I
At
-
+9
+17
+35
+53
+85
-
0,064
0,099
0,114
0,133
0,140
-
2s22p5
3s23p5
4s24p5
5s25p5
6s26p5
-
Побочная подгруппа В – это совокупность элементов, которые размещаются в периодической таблице вертикально и имеют одинаковое количество валентных электронов на внешнем s-подуровне и втором снаружи d-подуровне.
Следовательно, в побочные подгруппы входят d-элементы больших периодов, которые имеют одинаковое количество электронов на внешнем и втором снаружи энергетических уровнях. Поскольку в атомах d-элементов электроны заполняют второй снаружи энергетический уровень, а на внешнем уровне находятся лишь один или два электрона (что является отличительным признаком металлов), эти элементы называют переходными металлами.
Например, элементы Cu, Ag, Au являются аналогами, потому что имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего и второго снаружи энергетических уровней: (n – 1) dns1, где – номер периода. Они относятся к d-элементам и образуют побочную подгруппу первой группы – ІВ.
По месту положения элемента в периодической таблице можно получить такую информацию:
Порядковый номер элемента показывает заряд ядра (количество протонов) и количество электронов в электронной оболочке.
Номер периода показывает количество энергетических уровней в атоме элемента.
Номер группы показывает наивысшую степень окисления большинства элементов и число электронов на валентных подуровнях.
Номер главной подгруппы показывает количество электронов на внешнем энергетическом уровне, номер побочной подгруппы – количество электронов на внешнем и втором снаружи энергетических уровнях (валентные электроны).
Пример 3.12. Не сверяясь с периодической таблицей, по электронной формуле определить расположение в ней элементов: а) скандия (Sc: …4s23d1); б) цинка (Zn: ...4s23d10); в) железа (Fe: ...4s23d6).
Решение. а) Расположение первых пяти d-элементов (подгруппы IIIВ–VIIВ) каждого периода можно определить по сумме внешних s-электронов и d-электронов второго снаружи уровня. Из электронной формулы Скандия (Sc: …4s23d1) видно, что он является d-элементом, поэтому находится в побочной подгруппе третьей группы. Номер группы равен сумме валентных электронов (2 + 1 = 3). Номер периода (четыре) равен номеру внешнего энергетического уровня.
б) Расположение последних двух d-элементов каждого периода (подгруппы IВ и IIВ), в атомах которых второй снаружи уровень полностью завершен, можно определить по количеству электронов на внешнем уровне. Из электронной формулы цинка (Zn: ...4s23d10) видно, что он находится в побочной подгруппе второй группы, номер периода – четыре.
в) Триады Fe-Co-Ni, Ru-Rh-Pd и Os-Ir-Pt размещены в побочной подгруппе восьмой группы. Значит, железо (Fe: ...4s23d6) находится в подгруппе VIIIB, в четвертом периоде.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
главная подгруппа
головна підгрупа
main group
sous-groupe
??????
?????
группа
група
group
groupe
??????
период
період
period
p?riode
????
побочная подгруппа
побічна підгрупа
side subgroup (transition elements)
sous-accessoire
?????
?????
элементы - аналоги
елементи -аналоги
analog elements
?lements analogues
??????? - ????????
Обратите внимание!
Что находится в зависимости от чего?
Свойства элементов находятся в зависимости от заряда их ядер.
Контрольные вопросы
Сформулируйте периодический закон Д. И. Менделеева.
Выберите современную формулировку периодического закона Д. И. Менделеева:
а) свойства элементов и образованных ими простых и сложных соединений находятся в периодической зависимости от электронных конфигураций атомов;
б) электронное строение атомов и свойства элементов, которые от них зависят, находятся в периодической зависимости от атомных масс элементов;
в) свойства элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер.
Какое строение имеет периодическая система?
Что такое период? Почему периоды содержат разное количество элементов?
Какие периоды называются малыми, большими?
Что такое группа?
Элементы каких электронных семейств находятся в главных подгруппах І и ІІ групп периодической системы: а) s- и р-; б) s- и d-; в) s-; г) р- ?
Что показывает номер периода, номер группы?
Что такое элементы-аналоги? Являются ли полными электронными аналогами такие элементы: O и S, S и Se, Mn и Te?
= 
= 
.
на внешнем энергетическом уровне имеется шесть электронов, потому S размещается в главной подгруппе шестой группы и является р-элементом.
– номер периода. Они относятся к d-элементам и образуют побочную подгруппу первой группы – ІВ.