Периодический закон и система

В 1869 году Д. И. Менделеев упорядочил 63 известных тогда элемента, открыл периодическую повторяемость их свойств и составил периодическую систему. Сегодня мы знаем причину этой периодичности: строение внешнего электронного слоя атомов периодически повторяется, а химические свойства зависят именно от внешних электронов. Ученик, умеющий «читать» периодическую систему, предсказывает свойства любого элемента, не заучивая их: радиус атома, металл это или неметалл, свойства оксидов и гидроксидов, высшая и низшая степени окисления — всё следует из положения элемента в таблице. Эта тема — продолжение темы «Строение атома».

§1. Периодический закон и его история

Менделеев расположил элементы в порядке возрастания атомной массы и поместил сходные по свойствам элементы в один столбец. Его формулировка: свойства простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от атомных масс элементов. Позднее английский физик Г. Мозли (1913) доказал, что порядковый номер элемента равен заряду ядра, и закон получил новую формулировку:

Хотя Менделеев опирался на атомные массы, в некоторых парах (Ar–K, Co–Ni, Te–I) он сознательно нарушил порядок масс, ориентируясь на свойства. Например, масса калия (39,1) меньше массы аргона (39,9), но калий стоит после аргона. А заряд ядра всегда возрастает на единицу: Ar — 18, K — 19. Это подтвердило правоту Менделеева.

§2. Строение периодической системы

• Период — горизонтальный ряд; начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом (кроме первого периода). Номер периода = число электронных слоёв в атоме. Периодов 7: 1–3 малые, 4–7 большие.
• Группа — вертикальный столбец; групп 8, каждая делится на главную (A) и побочную (B) подгруппы. У элементов главных подгрупп номер группы = число электронов на внешнем слое = высшая степень окисления (кроме фтора и кислорода).
• Подгруппы A — s- и p-элементы, подгруппы B — d-элементы; лантаноиды и актиноиды (f-элементы) вынесены под таблицу.

Низшая (отрицательная) степень окисления неметаллов равна номер группы − 8: азот −3, сера −2, хлор −1.

Пример

Элемент находится в 3-м периоде, VIA группе. Определите его и запишите основные соединения.

1. 3-й период — три электронных слоя; VIA группа — 6 электронов на внешнем слое.
2. Электронная формула 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ — это сера (Z = 16).
3. Высший оксид SO₃ (+6), водородное соединение H₂S (6 − 8 = −2).

§3. Периодическое изменение свойств атомов

Причина: по периоду заряд ядра растёт, а число слоёв не меняется — внешние электроны сильнее притягиваются к ядру, и атом «сжимается». При движении вниз по группе каждый раз добавляется новый слой, внешний электрон удаляется от ядра, а внутренние электроны экранируют ядро, поэтому электрон отрывается легче.

• Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электроны химической связи. Самый электроотрицательный элемент — фтор (4,0 по шкале Полинга), затем кислород (3,5) и азот (3,0).
• Энергия ионизации — энергия, необходимая для отрыва одного электрона от атома: по периоду растёт, по группе уменьшается. Наименьшая энергия ионизации у цезия и франция — это самые активные металлы.
• Сродство к электрону — энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к атому; наибольшее у галогенов.

Граница между металлами и неметаллами в таблице проходит по диагонали бор — кремний — мышьяк — теллур. Элементы вблизи границы (кремний, германий) имеют промежуточные свойства и используются как полупроводники. Слева и снизу от границы — металлы, справа и сверху — неметаллы; поэтому самый типичный металл находится в левом нижнем углу таблицы, а самый типичный неметалл — в правом верхнем (фтор).

§4. Изменение свойств оксидов и гидроксидов

На примере 3-го периода свойства переходят от основных к кислотным:

Вниз по группе основные свойства усиливаются: Be(OH)₂ амфотерен, Mg(OH)₂ — слабое основание, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂ — щёлочи.
Летучие водородные соединения: SiH₄, PH₃, H₂S, HCl — по периоду вправо кислотность растёт; вниз по группе тоже растёт: HF < HCl < HBr < HI.
Общие формулы (главные подгруппы I–VII): высший оксид R₂O, RO, R₂O₃, RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇; водородное соединение в IV–VII группах RH₄, RH₃, H₂R, .

Пример

Высший оксид элемента RO₃, массовая доля водорода в его водородном соединении 5,88 %. Найдите элемент.

1. RO₃ → VI группа → водородное соединение H₂R.
2. ω(H) = 2/(2 + Ar) = 0,0588 → 2 + Ar = 34.
3. Ar = 32 — сера.

Пример

Массовая доля кислорода в высшем оксиде элемента V группы 56,34 %. Найдите элемент.

1. Высший оксид R₂O₅: ω(O) = 80/(2Ar + 80) = 0,5634.
2. 2Ar + 80 = 80/0,5634 = 142 → 2Ar = 62.
3. Ar = 31 — фосфор, оксид P₂O₅.

§5. План характеристики элемента

По положению в периодической системе элемент характеризуют так: порядковый номер, период и группа; состав атома (p, n, e); электронная формула и валентные электроны; металл или неметалл; высшая и низшая степени окисления; формула и характер высшего оксида и гидроксида; водородное соединение; сравнение с соседями. Например, фосфор (Z = 15): 3-й период, VA группа, [Ne] 3s² 3p³, неметалл, +5 и −3, P₂O₅ — кислотный оксид, H₃PO₄ — кислота средней силы, PH₃; неметалл более слабый, чем азот и сера.

§6. Значение периодической системы

Менделеев оставил в таблице пустые места для ещё не открытых элементов и предсказал их свойства: экаалюминий (галлий, 1875), экабор (скандий, 1879), экасилиций (германий, 1886). Когда эти элементы были открыты, их свойства очень точно совпали с предсказанием. Периодический закон открыл путь развитию теории строения атома, а сегодня указывает направление поиска новых материалов (полупроводников, катализаторов, сплавов). 101-й элемент менделевий назван в честь Менделеева.

Проверьте себя

1. У какого атома наибольший радиус: Na, Mg, K, Li?

2. Расположите по возрастанию электроотрицательности: O, F, N, C.

3. Какая кислота самая сильная: H₂SiO₃, H₃PO₄, H₂SO₄, HClO₄?

4. Высший оксид R₂O₇, в водородном соединении HR ω(H) = 2,74 %. Найдите элемент.

5. Какой элемент находится в 4-м периоде, IIA группе, и каков характер его гидроксида?

6. Почему калий стоит после аргона, хотя его атомная масса меньше?

7. Какова низшая степень окисления азота?

8. Какой оксид Al₂O₃?

Типичные ошибки

• Думать, что радиус по периоду растёт: наоборот, уменьшается.
• Приравнивать высшую степень окисления кислорода и фтора к номеру группы.
• Считать Al₂O₃ основным оксидом: он амфотерный.
• Путать номер периода с числом валентных электронов: период — число слоёв, номер группы A — число внешних электронов.
• Брать за основу современной формулировки атомную массу: основа — заряд ядра.