1.10. Періодична система хімічних елементів з позиції теорії будови атома

Якщо на зовнішньому енергетичному рівні міститься максимально можлива для цього рівня кількість електронів, то він називається завершеним і є найбільш стабільним. Атоми інертних елементів (He, Ne, Ar, Kr, Xe) мають завершені енергетичні рівні і тому за звичайних умов не вступають у хімічні реакції (за винятком Ксенону). У атомів всіх інших елементів зовнішні енергетичні рівні незавершені. У атомів металічних елементів на останньому енергетичному рівні міститься від 1 до 3 електронів. Ці елементи легко віддають електрони зовнішнього рівня, які слабко зв’язані з ядром.

Здатність елемента віддавати електрони можна вважати мірою металічності. Чим менше електронів на зовнішньому енергетичному рівні атома, тим металічні властивості виражені сильніше. Атоми неметалічних елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні від 4 до 7 електронів, які міцно зв’язані з ядром. Тому вони, вступаючи в хімічну реакцію, як правило, приєднують електрони. Чим більше електронів на зовнішньому енергетичному рівні атома, тим легше він притягує до себе електрони, тим сильніше виражені у нього неметалічні властивості. Здатність атома притягувати електрони можна вважати мірою неметалічності.

Хімічні властивості типових металів зумовлюються легкістю відщеплення електронів від їх атомів, а хімічні властивості типових неметалів – легкістю приєднання електронів до їх атомів.

Зміни в межах одного періоду

У першому періоді містяться два елементи – Гідроген і Гелій. Атом Гідрогену має один неспарений електрон, але він належить до неметалічних елементів (як виняток). У атома Гелію два спарені електрони, рівень завершений. Це хімічно інертний неметалічний елемент (виняток). У елементів II періоду, який починається лужним металом Літієм і закінчується інертним газом Неоном, зліва на право зростає кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні, заряд ядра атома відносна атомна маса, валентність за Оксигеном, зменшується валентність за Гідрогеном і зменшується радіус атома. Літій – типовий металічний елемент, Берилій – амфотерний, Бор – проявляє неметалічні властивості, які зростають у кожного наступного елемента. Флуор – типовий неметалічний елемент, Неон – інертний елемент. Аналогічні зімни можемо спостерігати у елементів III періоду, який починається лужним металом Натрієм і закінчується інертним елементом Аргоном. У елементів цього періоду плавно зростає число електронів на третьому енергетичному рівні. Як бачимо, будова зовнішньої оболонки із зростанням порядкового номера елемента періодично повторюється, а отже, періодично повторюються і хімічні властивості елементів. Як змінюються властивості елементів в межах одного періоду?

В межах періоду спадають металічні і збільшуються неметалічні властивості.

Елементи одного періоду мають однакове число енергетичних рівнів але різний заряд ядра атома. Із зростанням зарядів ядер атомів елементів притягання ядром електронних оболонок посилюється — відбувається своєрідне стискання їх, тобто зменшення радіуса атома. На початку періоду розміщуються елементи, які мають великий радіус атома і мале число електронів у зовнішньому електронному шарі. Електрони, які перебувають далі від ядра, слабкіше з ним зв’язані, тому легше відриваються від нього. Чим менший заряд ядра і чим далі електрони розміщені від ядра, тим металічні властивості будуть сильніше виражені. В кінці періоду атоми мають менший радіус атома, більше число електронів і більший заряд ядра атома, тому електрони зовнішнього електронного рівня сильніше зв’язані з ядром, атоми проявляють неметалічні властивості.

В періодах, зліва направо, в міру зростання зарядів ядер і зменшення радіуса атома зростає сила, з якою електрони зовнішнього шару утримуються ядром, легкість відривання електронів від цього шару зменшується, а притягання – збільшується.

У наступних періодах спостерігається поступова зміна властивостей від типового лужного металу до типового галогену. Тільки у них міститься не 8, а 18 елементів і більше, тому спостерігається деяка періодичність у зміні властивостей всередині самих періодів. Так, у парних рядах великих періодів металічні властивості елементів послаблюються повільно, тому всі елементи парних рядів – металічні. У непарних рядах великих періодів властивості елементів змінюються так само, як і в елементів малих періодів: металічні властивості послаблюються, а неметалічні – посилюються. Особливу подібність у хімічних властивостях проявляють металічні елементи VIII групи (тріади), що утворюють родини Феруму, Паладію та Платини.

Порівняємо елементи Неон і Натрій. У атома Неону 10 електронів розташовані на двох енергетичних рівнях, рівні завершені. У атома Натрію 10 електронів, як і у Неону, розташовані на двох енергетичних рівнях, а одинадцятий електрон займає третій енергетичний рівень.

Аналогічно у атома Аргону завершені перші два енергетичні рівні, а на третьому зовнішньому рівні міститься 8 електронів (октет). У атома Калію така будова повторюється, але дев’ятнадцятий електрон займає четвертий енергетичний рівень. З появою нового енергетичного рівня, властивості елементів різко змінюються.

З нагромадженням електронів у зовнішньому шарі пов’язана плавна зміна властивостей елементів у періодах. З появою нового електронного шару відбувається різна, стрибкоподібна зміна властивостей: з’являється новий електронний шар – починається новий період.

Зміни в межах однієї підгрупи

Атоми елементів, які мають однакову кількість електронів на зовнішньому рівні утворюють одну підгрупу, але вони відрізняються радіусом, тому знаходяться в різних періодах. В межах головної підгрупи зверху вниз зростає радіус атома, що пояснюється збільшенням числа електронних шарів. Електрони зовнішнього рівня слабкіше притягується ядром, зростає легкість віддавання електронів, посилюються металічні властивості.

№	Періодична система хімічних елементів	Будова атома
1	Порядковий номер елемента.	а) величина заряду ядра атома; б) кількість протонів у ядрі; в) кількість електронів у атомі.
2	Номер періоду.	Кількість електронних шарів у атомі.
3	Номер групи.	а) максимальна кількість електронів, які можуть брати участь в утворенні хімічних зв’язків; б) для елементів головних підгруп – кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні.
4	Послаблення металічних і посилення неметалічних властивостей зліва направо в межах періоду.	Зі збільшенням порядкового номера елементів зростають заряди ядер атомів і сила притягання до ядра електронів зовнішнього шару.
5	Послаблення неметалічних і посилення металічних властивостей зверху донизу в межах головних підгруп.	Зі збільшенням порядкового номера елемента збільшується кількість електронних шарів і зменшується сила притягання електронів зовнішнього шару до ядра.

Будова атомів обумовлює дві закономірності:

Зміну властивостей елементів по горизонталі: послаблення металічних і посилення неметалічних властивостей зліва направо.
Зміну властивостей елементів по вертикалі: посилення металічних і зменшення неметалічних властивостей елемента зверху вниз.

Зміну властивостей елементів у періодичній системі схематично можна зобразити так:

Звідси випливає, що найсильніше металічні властивості виражені у Францію, а неметалічні – у Флуору.

Завдання для самоконтролю

▲● 102. У якого з елементів металічні властивості виявлені сильніше: K, Li, Fr; Ca, Ba, Mg; Na, Mg, Al? Чому?

103. У якого з елементів неметалічні властивості виявлені слабкіше: C, O, N, Se, O, S, Br, F, Cl? Чому?

104. Серед елементів з протонними числами 5, 6, 13 виберіть ті, що мають однакову кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні.

105. Серед елементів з протонними числами 5, 12, 16 виберіть ті, що мають однакову кількість енергетичних рівнів.

106. Серед елементів з протонними числами 3, 7, 9 виберіть той, що має найбільш яскраво виражені металічні властивості.

107. Серед елементів, порядкові номери яких 15, 16, 17, виберіть типовий неметалічний елемент.

108. Зазначте кількість електронів, що містяться на зовнішньому енергетичному рівні в атомі елемента з порядковим номером 15: 5, 3 чи 1.

●● 109. Вкажіть заряд ядра, число нейтронів та електронів в атомах елементів: Калію, Алюмінію, Феруму, Хлору, Сульфуру.

110. Вкажіть протонні числа елементів, що належать до однієї групи періодичної системи елементів: а) 12 і 21; б) 21 і 22; в) 21 і 31.

111. Атоми п’яти елементів однієї з головних підгруп мають такі структури зовнішнього електронного шару: 2s¹, 3s¹, 4s¹, 5s¹ і 6s¹. Які це елементи?

112. Напишіть не менше шести формул солей, до складу яких входять тільки елементи II періоду.

●●● 113. У якого елемента: а) Калію чи Кальцію яскравіше виражені металічні властивості; б) Сульфуру чи Фосфору яскравіше виражені неметалічні властивості? Відповідь обґрунтуйте.

114. Електронна формула атома – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Який це елемент? Запишіть для цього елемента формулу вищого оксиду, леткої водневої сполуки та гідроксиду.

115. Який неметал утворює летку сполуку з воднем, в якій масова частка Гідрогену найбільша?

116. Вкажіть елементи, електронні формули яких: а) 5p⁴; б) 4s²3p³; в) 4p³; г) 5s²4d¹; д) 3s²3p⁴.

117. Знайдіть у періодичній системі елемент, що утворює газоподібну водневу сполуку, молекулярна маса якої дорівнює молекулярній масі кисню.

118. Елемент, що завжди двовалентний, утворює оксид і гідроксид основного характеру. Розміщений елемент у IV періоді. Назвіть елемент. Зобразіть електронну будову його атома.

●●●● 119. Як і чому змінюються властивості хімічних елементів у періодах? Поясніть це на прикладі елементів 3 періоду.

120. Як і чому змінюються властивості елементів в головних підгрупах? Поясніть це на прикладі елементів головних підгруп I і VII групи.

121. Що спільного і відмінного у будові атомів елементів малих і великих періодів? Поясніть це на прикладі 3 і 4 періодів.

122. Що спільного і відмінного у будові атомів елементів головних і побічних підгруп? Поясніть це на прикладі третьої групи.

123. Вищий оксид елемента – тверда кристалічна речовина з відносною молекулярною масою 100. Назвіть елемент, якщо його сполука з Гідрогеном записується як ЕH₂.