1.10. Периодическая система химических элементов с позиции теории строения атома

Если на внешнем энергетическом уровне содержится максимально возможное для этого уровня количество электронов, то он называется завершенным и наиболее стабильным. Атомы инертных элементов (He, Ne, Ar, Kr, Xe) имеют завершенные энергетические уровни и поэтому в обычных условиях не вступают в химические реакции (за исключением Ксенона). У атомов всех остальных элементов внешние энергетические уровни незавершенны. В атомах металлических элементов на последнем энергетическом уровне содержится от 1 до 3 электронов. Эти элементы легко отдают электроны внешнего уровня, которые слабо связаны с ядром.

Способность элемента отдавать электроны следует считать мерой металличности. Чем меньше электронов на внешнем энергетическом уровне атома, тем более металлические свойства выражены сильнее. Атомы неметаллических элементов имеют на внешнем энергетическом уровне от 4 до 7 электронов, крепко связанных с ядром. Поэтому они, вступая в химическую реакцию, обычно присоединяют электроны. Чем больше электронов на внешнем энергетическом уровне атома, тем легче он притягивает к себе электроны, тем сильнее выражены у него неметаллические свойства. Способность атома притягивать электроны можно считать мерой неметалличности.

Химические свойства типичных металлов обуславливаются легкостью отщепления электронов от их атомов, а химические свойства типичных неметаллов легкостью присоединения электронов к их атомам.

Изменения в пределах одного периода

В первом периоде содержатся два элемента – гидроген и гелий. Атом Гидрогена имеет один неспаренный электрон, но он относится к неметаллическим элементам (в виде исключения). У атома Гелия два спаренных электрона, уровень завершен. Это химически инертный неметаллический элемент (исключение). У элементов II периода, начинающегося щелочным металлом Литием и заканчивающегося инертным газом Неоном, слева на право возрастает количество электронов на внешнем энергетическом уровне, заряд ядра атома относительная атомная масса, валентность по Оксигену, уменьшается валентность по Гидрогену и уменьшается радиус атома. Литий – типичный металлический элемент, Бериллий – амфотерный, Бор – проявляет неметаллические свойства, возрастающие у каждого последующего элемента. Флуор – типичный неметаллический элемент, Неон – инертный элемент. Аналогичные зимы можно наблюдать у элементов III периода, который начинается щелочным металлом Натрием и заканчивается инертным элементом Аргоном. У частей этого периода плавно растет число электронов на третьем энергетическом уровне. Как видим, строение наружной оболочки с ростом порядкового номера элемента периодически повторяется, а значит, периодически повторяются и химические свойства элементов. Как изменяются свойства элементов в пределах одного периода?

В пределах периода уменьшаются металлические и увеличивающиеся неметаллические свойства.

Элементы одного периода имеют одинаковое число энергетических уровней, но разный заряд ядра атома. С ростом зарядов ядер атомов элементов притяжение ядром электронных оболочек усиливается – происходит своеобразное сжатие их, то есть уменьшение радиуса атома. В начале периода размещаются элементы, обладающие большим радиусом атома и малое число электронов во внешнем электронном слое. Находящиеся дальше от ядра электроны слабее с ним связаны, поэтому легче отрываются от него. Чем меньше заряд ядра и чем дальше электроны расположены от ядра, тем металлические свойства будут сильнее выражены. В конце периода атомы имеют меньший радиус атома, большее число электронов и больший заряд ядра атома, поэтому электроны внешнего электронного уровня сильнее связаны с ядром, атомы проявляют неметаллические свойства.

В периодах, слева направо, по мере роста зарядов ядер и уменьшения радиуса атома растет сила, с которой электроны внешнего слоя удерживаются ядром, легкость отрыва электронов от этого слоя уменьшается, а притяжение увеличивается.

В последующих периодах наблюдается постепенное изменение свойств от типичного щелочного металла к типовому галогену. Только в них содержится не 8, а 18 элементов и больше, поэтому наблюдается некоторая периодичность в изменении свойств внутри самих периодов. Да, в парных рядах больших периодов металлические свойства элементов ослабляются медленно, поэтому все элементы парных рядов – металлические. В непарных рядах больших периодов свойства элементов изменяются так же, как и у элементов малых периодов: металлические свойства ослабляются, а неметаллические – усиливаются. Особое сходство в химических свойствах проявляют металлические элементы VIII группы (триады), образующие семьи Ферума, Палладия и Платины.

Сравним элементы Неон и Натрий. У атома Неона 10 электронов расположены на двух энергетических уровнях, уровни завершены. У атома Натрия 10 электронов, как и у Неона, расположены на двух энергетических уровнях, а одиннадцатый электрон занимает третий энергетический уровень.

Аналогично у атома Аргона завершены первые два энергетических уровня, а на третьем внешнем уровне содержится 8 электронов (октет). У атома Калия такое строение повторяется, но девятнадцатый электрон занимает 4-ый энергетический уровень. С появлением нового энергетического уровня свойства элементов резко изменяются.

С накоплением электронов во внешнем слое связано плавное изменение свойств элементов в периодах. С появлением нового электронного слоя происходит разное, скачкообразное изменение свойств: появляется новый электронный слой – начинается новый период.

Изменения в пределах одной подгруппы

Атомы элементов, имеющих одинаковое количество электронов на внешнем уровне, образуют одну подгруппу, но они отличаются радиусом, поэтому находятся в разных периодах. В пределах главной подгруппы сверху вниз растет радиус атома, что объясняется увеличением числа электронных слоев. Электроны внешнего уровня слабее притягиваются ядром, растет легкость отдачи электронов, усиливаются металлические свойства.

№	Периодическая система химических элементов	Строение атома
1	Порядковый номер элемента.	а) величина заряда ядра атома; б) количество протонов в ядре; в) количество электронов в атоме.
2	Номер периода.	Количество электронных слоёв в атоме.
3	Номер группы.	а) максимальное количество электронов, которые могут участвовать в формировании химических связей; б) для элементов главных подгрупп – количество электронов на внешнем энергетическом уровне.
4	Ослабление металлических и усиление неметаллических свойств слева направо в пределах периода.	По мере увеличения порядкового номера элементов возрастают заряды ядер атомов и сила притяжения к ядру электронов внешнего слоя.
5	Ослабление неметаллических и усиление металлических свойств сверху вниз в пределах главных подгрупп.	При увеличении порядкового номера элемента увеличивается количество электронных слоев и уменьшается сила притяжения электронов внешнего слоя к ядру.

Строение атомов обуславливает две закономерности:

Изменение свойств элементов по горизонтали: ослабление металлических и усиление неметаллических свойств слева направо.
Изменение свойств элементов по вертикали: усиление металлических и уменьшение неметаллических свойств элемента сверху вниз.

Изменение свойств элементов в периодической системе схематически можно изобразить следующим образом:

Отсюда следует, что наиболее сильно металлические свойства выражены у Франция, а неметаллические – у Флуора.

Задания для самоконтроля

▲● 102. У какого из элементов металлические свойства обнаружатся сильнее: K, Li, Fr; Ca, Ba, Mg; Na, Mg, Al? Почему?

103. У какого из элементов неметаллические свойства обнаружатся слабее: C, O, N, Se, O, S, Br, F, Cl? Почему?

104. Среди элементов с протонными числами 5, 6, 13 выберите те, которые имеют одинаковое количество электронов на внешнем энергетическом уровне.

105. Среди элементов с протонными числами 5, 12, 16 выберите те, которые имеют одинаковое количество энергетических уровней.

106. Среди элементов с протонными числами 3, 7, 9 выберите тот, который имеет наиболее ярко выраженные металлические свойства.

107. Из элементов, порядковые номера которых 15, 16, 17, выберите типичный неметаллический элемент.

108. Укажите количество электронов, содержащихся на внешнем энергетическом уровне, в атоме элемента с порядковым номером 15: 5, 3 или 1.

●● 109. Укажите заряд ядра, число нейтронов и электронов в атомах элементов: Калия, Алюминия, Ферума, Хлора, Сульфура.

110. Укажите протонные числа элементов, принадлежащих одной группе периодической системы элементов: а) 12 и 21; б) 21 и 22; в) 21 и 31.

111. Атомы пяти элементов одной из главных подгрупп имеют следующие структуры внешнего электронного слоя: 2s¹, 3s¹, 4s¹, 5s¹ і 6s¹. Какие это элементы?

112. Напишите не менее 6 формул солей, в состав которых входят только элементы II периода.

●●● 113. У какого элемента: а) Калия или Кальция ярче выражены металлические свойства; б) Сульфура или Фосфора ярче выражены неметаллические свойства? Ответ обоснуйте.

114. Электронная формула атома – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Какой это элемент? Запишите для этого элемента формулу высшего оксида, летучего водородного соединения и гидроксида.

115. Какой неметал образует летучее соединение с водородом, в котором массовая доля Гидрогена наибольшая?

116. Укажите элементы, электронные формулы которых: а) 5p⁴; б) 4s²3p³; в) 4p³; г) 5s²4d¹; д) 3s²3p⁴.

117. Найдите в периодической системе элемент, образующий газообразное водородное соединение, молекулярная масса которого равна молекулярной массе кислорода.

118. Всегда двухвалентный элемент образует оксид и гидроксид основного характера. Размещен элемент в IV периоде. Назовите его. Изобразите электронное устройство его атома.

●●●● 119. Как и почему изменяются свойства химических элементов в периодах? Объясните это на примере элементов 3 периода.

120. Как и почему изменяются свойства элементов в главных подгруппах? Объясните это на примере элементов главных подгрупп I и VII группы.

121. Что общего и отличающегося в строении атомов элементов малых и больших периодов? Объясните это на примере 3 и 4 периодов.

122. Что общего и отличающегося в строении атомов элементов главных и побочных подгрупп? Объясните это на примере третьей группы.

123. Высший оксид элемента – твердое кристаллическое вещество с относительной молекулярной массой 100. Назовите элемент, если его соединение с гидрогеном записывается как ЕH₂.