§ 15. Періодична система хімічних елементів з позиції теорії будови атома

Вивчаючи будову атома, вам неодноразово доводилося звертатись за тією чи іншою інформацією до періодичної системи хімічних елементів. Адже ви знаєте, що кожний елемент у періодичній системі займає постійне, чітко визначене місце. За ним можна безпомилково дізнатися про: а) заряд ядра атома; б) кількість електронів в електронній оболонці атома; в) кількість енергетичних рівнів для кожного хімічного елемента.

ПОРЯДКОВИЙ НОМЕР ЕЛЕМЕНТА В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ ТА БУДОВА АТОМА. Порядковий номер має однакове значення з протонним числом. Отже, який порядковий номер хімічного елемента, стільки й протонів міститься в ядрі атома.

Величина позитивного заряду ядра атома однакова з порядковим номером хімічного елемента в періодичній системі. Кількість електронів в електронній оболонці атома теж дорівнює порядковому номеру.

Тобто алгебраїчна сума зарядів протонів й електронів в атомі дорівнює нулю. Саме тому атом — електронейтральна частинка.

НОМЕР ПЕРІОДУ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА БУДОВА АТОМА. Положення хімічного елемента в періоді періодичної системи визначає кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома.

Кількість енергетичних рівнів (електронних шарів) в електронній оболонці атома завжди дорівнює номеру періоду, в якому розташований хімічний елемент.

Це означає, що в усіх елементів одного періоду кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атомів однакова. Переконаємося в цьому на прикладі будови електронних оболонок атомів Літію, Карбону, Неону (схема 11).

Схема 11. Будова електронних оболонок атомів

Як бачимо, атоми кожного з розглянутих хімічних елементів мають по два енергетичні рівні, незважаючи на різну кількість електронів в електронній оболонці атома та на зовнішньому енергетичному рівні. Приклад 1 ілюструє практичне застосування знань про взаємозв’язок номера періоду з будовою атома.

Приклад 1. Електронна оболонка атома якого з елементів — Аргентуму Ag, Стронцію Sr чи Кальцію Са — має найменшу кількість енергетичних рівнів?

1. Встановимо розташування зазначених хімічних елементів у періодах періодичної системи:

Аргентум під порядковим номером 47 розташований у 5 періоді. Стронцій (порядковий номер 38) теж елемент 5 періоду. Кальцій розміщено в 4 періоді.

2. Знаючи, що кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома збігається з номером періоду, робимо висновок, що електронні оболонки атомів Аргентуму та Стронцію мають по 5 енергетичних рівнів, а Кальцію — чотири.

Відповідь: найменша кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома Кальцію.

НОМЕР ГРУПИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА БУДОВА АТОМА. Положення хімічного елемента у групі періодичної системи тісно пов’язане з будовою електронних оболонок атомів. Так, в елементів головних підгруп короткоперіодної системи та групах А довгоперіодної системи номер групи збігається з кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атома. Тобто валентні електрони в атомах елементів цих підгруп розташовані на зовнішньому енергетичному рівні.

В елементів побічних підгруп короткоперіодної системи та груп Б довгоперіодної системи номер групи збігається з максимальною валентністю атомів елемента у сполуках з Оксигеном (оксидах). Валентні електрони таких атомів розташовані не лише на зовнішньому енергетичному рівні, а й на попередньому енергетичному рівні.

Валентність елементів зі сталою валентністю і, як правило, максимальна валентність елементів зі змінною валентністю збігаються з номером групи.

Знаючи це, ви зможете легко визначати валентність хімічного елемента за його місцем у групі періодичної системи.

Приклад 2. Чому неметалічний елемент Хлор і металічний елемент Манган належать до однієї групи? Складіть формули оксидів з максимальною валентністю цих елементів.

1. З’ясуємо, про яку групу йдеться в умові завдання.

Періодична система свідчить про те, що обидва елементи розташовані в VII групі, але Хлор — у головній підгрупі, а Манган — у побічній.

2. За номером групи робимо висновок про те, що кожен з атомів має по сім валентних електронів. У неметалічного елемента головної підгрупи Хлору вони розташовані на зовнішньому енергетичному рівні. У металічного елемента побічної підгрупи Мангану два з них (як у переважної більшості металічних елементів побічних підгруп) розміщені на останньому (зовнішньому) енергетичному рівні. Ще п’ять він використовує з тих, що перебувають на передостанньому рівні на підрівні d.

3. Розглянуті елементи можуть утворювати оксиди з максимальною валентністю VII.

НОМЕР ГРУПИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА ЛЕТКІ СПОЛУКИ ЕЛЕМЕНТА З ГІДРОГЕНОМ. Номер групи дозволяє визначити валентність неметалічного елемента в його леткій сполуці з Гідрогеном. Валентність дорівнює різниці між числом 8 і числом, що позначає номер групи.

Приклад 3. Складіть формулу леткої сполуки з Гідрогеном та вищого оксиду неметалічного елемента з порядковим номером 52.

1. З’ясовуємо, який елемент розташований у періодичній системі під номером 52 та до якої групи і підгрупи він належить.

Це елемент VI групи головної підгрупи Телур Те.

2. Визначаємо його валентність у леткій сполуці з Гідрогеном.

3. Складаємо формулу леткої сполуки Телуру з Гідрогеном за валентністю.

4. Складаємо формулу оксиду з найвищою валентністю Телуру. Номер групи свідчить про те, що в такому оксиді Телур виявляє валентність VI.

Зверніть увагу на те, що сума валентностей неметалічного елемента Телуру в його вищому оксиді й леткій сполуці з Гідрогеном дорівнює 8. Це поширюється й на інші неметалічні елементи, які утворюють сполуки з Гідрогеном та Оксигеном.

Попрацюйте групами

Уважно прочитайте сформульовані в параграфі правила й до кожного з них наведіть і запишіть конкретні приклади.

Пересвідчіться, що періодична система відображає будову атомів хімічних елементів.

РОЗТАШУВАННЯ В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ ЛАНТАНОЇДІВ ТА АКТИНОЇДІВ ІЗ ПОЗИЦІЇ ТЕОРІЇ БУДОВИ АТОМА. У параграфі 8 ішлося про те, що властивості сполук металічних елементів лантаноїдів багато в чому подібні. Те саме можна сказати і про сполуки актиноїдів. Виявляється, що це зумовлюється однаковою будовою зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атомів і заповнення електронами 4 f-підрівнів (лантаноїди) і 5 f-підрівнів (актиноїди). Тому їх називають f-елементами.

МІСЦЕ МЕТАЛІЧНИХ І НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ З ПОЗИЦІЇ БУДОВИ ЕЛЕКТРОННИХ ОБОЛОНОК АТОМА. Розглянемо, як узгоджується з будовою електронних оболонок атомів місце металічних і неметалічних хімічних елементів у періодичній системі на прикладі елементів третього періоду. Ви вже знаєте, що періоди починаються (виняток становить перший період) металічним елементом. Закінчуються періоди інертними елементами (окрім сьомого), яким передують представники родини неметалічних елементів галогенів. Подана в таблиці 10 інформація переконує в тому, що в межах третього періоду зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента збільшується загальна кількість електронів в електронній оболонці та на її зовнішньому енергетичному рівні. Отже, така будова електронних оболонок атомів елементів одного періоду обумовлює розташування металічних елементів на початку періодів, а неметалічних — у кінці. У таблиці 10 ви бачите, що Натрій, Магній, Алюміній — металічні елементи, а Силіцій, Фосфор, Сульфур, Хлор, Аргон — неметалічні.

Порівняння елементів третього періоду та їх деяких сполук

Ознаки порівняння

Елементи третього періоду

Періодичний закон і періодична система хімічних елементів

У процесі розвитку хімії поступово складалося уявлення про хімічні елементи, а також про простих і складних речовинах. З сучасної точки зору, хімічний елемент – це вид атома з певним зарядом ядра. Прості речовини складаються з атомів одного елемента, а складні – з атомів двох і більше елементів. До середини XIX в. було відомо вже більше шістдесяти елементів, трохи більше – відповідних їм простих речовин, а також і безліч складних речовин: оксидів, гідроксидів, солей. Досліджуючи реакції, в яких беруть участь ті чи інші прості речовини, хіміки встановили, що деякі з них володіють схожими хімічними властивостями (наприклад, хлор і бром, натрій і калій). У той же час існують речовини, які дуже сильно розрізняються за властивостями (наприклад, натрій і хлор). Виникла потреба у приведенні всього безлічі елементів в яку-небудь систему, яка дозволила б пояснити хімічні особливості різних речовин, утворених цими елементами. Спроб створення такої системи було зроблено багато. Найближче до вирішення цього завдання підійшов в 1864 р німецький хімік Юліус Лотар Мейєр, але справжній закон, що дозволив не тільки пояснити, а й передбачити властивості елементів на єдиній основі, відкрив російський хімік Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907) (рис. 120 ).

Відкриттю Д. І. Менделєєвим періодичного закону передували роки наполегливої ​​праці в пошуку закономірностей, які могли б дозволити описати зміна властивостей елементів та їхніх сполук на єдиній основі. Нагадаємо, що в той час ще нічого не було відомо про будову атомів і їх зв’язку з властивостями хімічних елементів, хоча атомну масу, або, як тоді говорили, атомна вага, вимірювати вміли. Саме атомну масу і прийняв Д. І. Менделєєв в якості головної характеристики при побудові періодичної системи. Розташувавши елементи в порядку зростання атомних мас, Менделєєв спостерігав періодичну зміну їх властивостей. Цю закономірність він сформулював у вигляді періодичного закону хімічних елементів.
У березні 1869 вчений представив свої результати Російському хімічному суспільству, а через два роки опублікував статтю, в якій сформулював цей закон так:
«Властивості елементів, а тому і властивості утворених ними простих і складних тіл стоять у періодичній залежності від атомної ваги».
Суть відкриття, зробленого Менделєєвим, полягає в наступному. У міру збільшення атомної маси елементів їх властивості поступово змінюються.

Однак у певний момент після зміни атомної маси ще на одну одиницю властивості наступного елемента змінюються різко, стрибком, і цей елемент виявляється схожий на той, який вже був в ланцюжку елементів декількома позиціями раніше. Ця закономірність відображена в Періодичній системі хімічних елементів.

Давайте уважно розглянемо періодичну систему (рис. 121). В її структурі розрізняють горизонтальні ряди, які утворюють малі і великі періоди. Перший період містить всього два елементи – водень і гелій. Другий і третій періоди теж складаються з одного ряду, але містять вже по вісім елементів. Починаються вони з лужного металу (літію або натрію) і закінчуються інертним газом (неоном або аргоном). У всіх періодах із збільшенням відносних атомних мас (зліва направо) спостерігається ослаблення металевих і посилення неметалічних властивостей елементів. Четвертий і п’ятий періоди також починаються лужним металом і закінчуються інертним газом, але в кожному з них міститься по вісімнадцять елементів. Ці періоди представлені двома рядами в періодичній системі і називаються довгими періодами. Шостий період включає в себе 32 елемента, але в періодичній системі теж займає два ряди з таким же числом осередків, як і два попередні періоди. Це можливо тому, що п’ятнадцять елементів з цього періоду, що володіють майже однаковими хімічними властивостями, поміщені в одній комірці під номером 57. Вони називаються лантаноїдами по найменуванню першого з них – лантану і перераховані в додатковому рядку. Аналогічно йде справа з сьомим періодом, де в комірці 89 разом з актинієм вміщаються ще чотирнадцять елементів, званих актиноїдів.
Вертикальні стовпці періодичної системи – групи – утворені елементами, що володіють схожими хімічними властивостями. Кожна група ділиться на дві підгрупи, які раніше називали головної та побічної підгрупами. В даний час головну підгрупу позначають латинською літерою А, а побічну – буквою В. Для прикладу розглянемо першу групами. Лужні метали літій, натрій, калій, цезій, рубідій і францій утворюють IA групу. Це одновалентні метали, легко вступають в хімічні реакції. У III групу входять мідь, срібло і золото. Вони теж є металами, але їх хімічні властивості відрізняються від тих, якими володіють лужні метали.
Періодичний закон отримав загальне визнання не відразу. По-перше, під час його відкриття ще нічого не було відомо про будову атомів і його зв’язки з властивостями хімічних елементів. Тому здавалося, що виявлена ​​Менделєєвим закономірність не має під собою надійної фізичної основи. По-друге, як виявилося, атомні маси деяких елементів до цього були визначені неправильно, і Менделєєв взяв на себе сміливість змінити їх, спираючись тільки на виявлену ним періодичну закономірність. Він справедливо вважав, що ці питання знайдуть своє пояснення при виявленні складної структури атома. Згодом правота його тверджень підтвердилася. По-третє, в періодичній системі виявилися порожні клітинки, яким не відповідав жоден з відомих на той час елементів. Менделєєв передбачив, що ці елементи існують, і дійсно, в 1875 р був відкритий галій, в 1879 г. – скандій, а в 1886 р – германій. З середини 1880-х рр. періодичний закон був остаточно визнаний, але повне своє пояснення він отримав тільки після того, як стало відомо будова атома.
Перевірте свої знання
1. Яка закономірність була покладена Д. І. Менделєєвим в основу відкритого ним періодичного закону?
2. Які елементи розташовані на початку періодів в Періодичній системі Д. І. Менделєєва, а які – в їх кінці?
3. Де в Періодичній системі Д. І. Менделєєва розташовуються елементи зі схожими хімічними властивостями?