Свойства химических элементов позволяют объединять их в соответствующие группы. На этом принципе была создана периодическая система, изменившая представление о существующих веществах и позволившая предположить существование новых, ранее неизвестных элементов.
Вконтакте
Периодическая таблица химических элементов была составлена Д. И. Менделеевым во второй половине XIX века. Что такое это, и для чего она нужна? Она объединяет все химические элементы по возрастанию атомного веса, причем, все они расставлены так, что их свойства изменяются периодическим образом.
Периодическая система Менделеева в свела в единую систему все существующие элементы, прежде считавшиеся просто отдельными веществами.
На основании ее изучения были предсказаны, а впоследствии - синтезированы новые химические вещества. Значение этого открытия для науки невозможно переоценить , оно значительно опередило свое время и дало толчок к развитию химии на многие десятилетия.
Существует три наиболее распространенных варианта таблицы, которые условно именуются «короткая», «длинная» и «сверхдлинная». Основной считается длинная таблица, она утверждена официально. Отличием между ними является компоновка элементов и длина периодов.
Система содержит 7 периодов . Они представлены графически в виде горизонтальных строк. При этом, период может иметь одну или две строки, называемые рядами. Каждый последующий элемент отличается от предыдущего возрастанием заряда ядра (количества электронов) на единицу.
Если не усложнять, период - это горизонтальная строка периодической таблицы. Каждый из них начинается металлом и заканчивается инертным газом. Собственно, это и создает периодичность - свойства элементов изменяются внутри одного периода, вновь повторяясь в следующем. Первый, второй и третий периоды - неполные, они называются малыми и содержат соответственно 2, 8 и 8 элементов. Остальные - полные, они имеют по 18 элементов.
Группа - это вертикальный столбец , содержащий элементы с одинаковым электронным строением или, говоря проще, с одинаковой высшей . Официально утвержденная длинная таблица содержит 18 групп, которые начинаются со щелочных металлов и заканчиваются инертными газами.
Каждая группа имеет свое название, облегчающее поиск или классификацию элементов. Усиливаются металлические свойства в независимости от элемента по направлению сверху-вниз. Это связано с увеличением количества атомных орбит — чем их больше, тем слабее электронные связи, что делает более ярко выраженной кристаллическую решетку.
Металлы в таблице
Менделеева имеют преобладающее количество, список их достаточно обширен. Они характеризуются общими признаками, по свойствам они неоднородны и делятся на группы. Некоторые из них имеют мало общего с металлами в физическом смысле, а иные могут существовать только доли секунды и в природе абсолютно не встречаются (по крайней мере, на планете ), поскольку созданы, точнее, вычислены и подтверждены в лабораторных условиях, искусственно. Каждая группа имеет собственные признаки
, название и довольно заметно отличается от других. Особенно это различие выражено у первой группы.
Какого положение металлов в периодической системе? Элементы расположены по увеличению атомной массы или количества электронов и протонов. Их свойства изменяются периодически, поэтому аккуратного размещения по принципу «один к одному» в таблице нет. Как определить металлы, и возможно ли это сделать по таблице Менделеева? Для того, чтобы упростить вопрос, придуман специальный прием: условно по местам соединения элементов проводится диагональная линия от Бора до Полония (или до Астата). Те, что оказываются слева - металлы, справа - неметаллы. Это было бы очень просто и здорово, но есть исключения - Германий и Сурьма.
Такая «методика» - своего рода шпаргалка, она придумана лишь для упрощения процесса запоминания. Для более точного представления следует запомнить, что список неметаллов составляет всего 22 элемента,
поэтому отвечая на вопрос, сколько всего металлов всего содержится в таблице Менделеева
На рисунке можно наглядно увидеть, какие элементы являются неметаллами и как они располагаются в таблице по группам и периодам.
Существуют общие физические свойства металлов. К ним относятся:
Следует понимать, что свойства металлов очень различаются относительно их химической или физической сути. Некоторые из них мало похожи на металлы в обыденном понимании этого термина. Например, ртуть занимает особенное положение. Она при обычных условиях находится в жидком состоянии, не имеет кристаллической решетки, наличию которой обязаны своими свойствами другие металлы. Свойства последних в этом случае условны, с ними ртуть роднят в большей степени химические характеристики.
Интересно! Элементы первой группы, щелочные металлы, в чистом виде не встречаются, находясь в составе различных соединений.
Самый мягкий металл, существующий в природе - цезий - относится к этой группе. Он, как и другие щелочные подобные вещества, мало общего имеет с более типичными металлами. Некоторые источники утверждают, что на самом деле, самый мягкий металл калий, что сложно оспорить или подтвердить, поскольку ни тот, ни другой элемент не существует сам по себе — будучи выделенным в результате химической реакци они быстро окисляются или вступают в реакцию.
Вторая группа металлов - щелочноземельные - намного ближе к основным группам. Название «щелочноземельные» происходит из древних времен, когда окислы назывались «землями», поскольку они имеют рыхлую рассыпчатую структуру. Более-менее привычными (в обиходном смысле) свойствами обладают металлы начиная с 3 группы. С увеличением номера группы количество металлов убывает
В природе существует очень много повторяющихся последовательностей:
В середине 19 века Д.И.Менделеев заметил, что химические свойства элементов также имеют определенную последовательность (говорят, что эта идея пришла ему во сне). Итогом чудесных сновидений ученого стала Периодическая таблица химических элементов, в которой Д.И. Менделеев выстроил химические элементы по возрастанию атомной массы. В современной таблице химические элементы выстроены по возрастанию атомного номера элемента (количество протонов в ядре атома).
Атомный номер изображен над символом химического элемента, под символом - его атомная масса (сумма протонов и нейтронов). Обратите внимание, что атомная масса у некоторых элементов является нецелым числом! Помните об изотопах! Атомная масса - это средневзвешенное от всех изотопов элемента, встречающихся в природе в естественных условиях.
Под таблицей расположены лантаноиды и актиноиды.
Расположены в Периодической таблице слева от ступенчатой диагональной линии, которая начинается с Бора (В) и заканчивается полонием (Po) (исключение составляют германий (Ge) и сурьма (Sb). Нетрудно заметить, что металлы занимают бОльшую часть Периодической таблицы. Основные свойства металлов: твердые (кроме ртути); блестят; хорошие электро- и теплопроводники; пластичные; ковкие; легко отдают электроны.
Элементы, расположенные справа от ступенчатой диагонали B-Po, называются неметаллами . Свойства неметаллов прямо противоположны свойствам металлов: плохие проводники тепла и электричества; хрупкие; нековкие; непластичные; обычно принимают электроны.
Между металлами и неметаллами находятся полуметаллы (металлоиды). Для них характерны свойства как металлов, так и неметаллов. Основное применение в промышленности полуметаллы нашли в производстве полупроводников, без которых немыслима ни одна современная микросхема или микропроцессор.
Как уже говорилось выше, периодическая таблица состоит из семи периодов. В каждом периоде атомные номера элементов увеличиваются слева направо.
Свойства элементов в периодах изменяются последовательно: так натрий (Na) и магний (Mg), находящиеся в начале третьего периода, отдают электроны (Na отдает один электрон: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ; Mg отдает два электрона: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2). А вот хлор (Cl), расположенный в конце периода, принимает один элемент: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 .
В группах же, наоборот, все элементы обладают одинаковыми свойствами. Например, в группе IA(1) все элементы, начиная с лития (Li) и заканчивая францием (Fr), отдают один электрон. А все элементы группы VIIA(17), принимают один элемент.
Некоторые группы настолько важны, что получили особые названия. Эти группы рассмотрены ниже.
Группа IA(1) . Атомы элементов этой группы имеют во внешнем электронном слое всего по одному электрону, поэтому легко отдают один электрон.
Наиболее важные щелочные металлы - натрий (Na) и калий (K), поскольку играют важную роль в процессе жизнедеятельности человека и входят в состав солей.
Электронные конфигурации:
Группа IIA(2) . Атомы элементов этой группы имеют во внешнем электронном слое по два электрона, которые также отдают во время химических реакций. Наиболее важный элемент - кальций (Ca) - основа костей и зубов.
Электронные конфигурации:
Группа VIIA(17) . Атомы элементов этой группы обычно получают по одному электрону, т.к. на внешнем электронном слое находится по пять элементов и до "полного комплекта" как раз не хватает одного электрона.
Наиболее известные элементы этой группы: хлор (Cl) - входит в состав соли и хлорной извести; йод (I) - элемент, играющий важную роль в деятельности щитовидной железы человека.
Электронная конфигурация:
Группа VIII(18). Атомы элементов этой группы имеют полностью "укомплектованный" внешний электронный слой. Поэтому им "не надо" принимать электроны. И отдавать их они "не хотят". Отсюда - элементы этой группы очень "неохотно" вступают в химические реакции. Долгое время считалось, что они вообще не вступают в реакции (отсюда и название "инертный", т.е. "бездействующий"). Но химик Нейл Барлетт открыл, что некоторые из этих газов при определенных условиях все же могут вступать в реакции с другими элементами.
Электронные конфигурации:
Нетрудно заметить, что внутри каждой группы элементы похожи друг на друга своими валентными электронами (электроны s и p-орбиталей, расположенных на внешнем энергетическом уровне).
У щелочных металлов - по 1 валентному электрону:
У щелочноземельных металлов - по 2 валентных электрона:
У галогенов - по 7 валентных электронов:
У инертных газов - по 8 валентных электронов:
Дополнительную информацию см. в статье Валентность и в Таблице электронных конфигураций атомов химических элементов по периодам .
Обратим теперь свое внимание на элементы, расположенные в группах с символов В . Они расположены в центре периодической таблицы и называются переходными металлами .
Отличительной особенностью этих элементов является присутствие в атомах электронов, заполняющих d-орбитали :
Отдельно от основной таблицы расположены лантаноиды и актиноиды - это, так называемые, внутренние переходные металлы . В атомах этих элементов электроны заполняют f-орбитали :
Графическим изображением Периодического закона является Периодическая система (таблица). Горизонтальные ряды системы называют периодами, а вертикальные столбцы – группами.
Всего в системе (таблице) 7 периодов, причем номер периода равен числу электронных слоев в атоме элемента, номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня. Каждый период (кроме первого) начинается s-элементом — активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом, перед которым стоит p-элемент — активный неметалл (галоген). Если продвигаться по периоду слева направо, то с ростом заряда ядер атомов химических элементов малых периодов будет возрастать число электронов на внешнем энергетическом уровне, вследствие чего свойства элементов изменяются – от типично металлических (т.к. в начале периода стоит активный щелочной металл), через амфотерные (элемент проявляет свойства и металлов и неметаллов) до неметаллических (активный неметалл – галоген в конце периода), т.е. металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические.
В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее, что объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда ядра число электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянным и равным 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются медленно. При переходе к нечетным рядам, с ростом величины заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне (от 1 до 8), свойства элементов изменяются также, как в малых периодах.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вертикальные столбцы в Периодической системе – группы элементов со сходным электронным строением и являющимися химическими аналогами. Группы обозначают римскими цифрами от I до VIII. Выделяют главные (А) и побочные (B) подгруппы, первые из которых содержат s- и p-элементы, вторые – d – элементы.
Номер А подгруппы показывает число электронов на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов). Для элементов В-подгрупп нет прямой связи между номером группы и числом электронов на внешнем энергетическом уровне. В А-подгруппах металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические – уменьшаются с возрастанием заряда ядра атома элемента.
Между положением элементов в Периодической системе и строением их атомов существует взаимосвязь:
— атомы всех элементов одного периода имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами;
— атомы всех элементов А подгрупп имею равное число электронов на внешнем энергетическом уровне.
Обычно характеристику химического элемента на основании его положения в Периодической системе дают по следующему плану:
— указывают символ химического элемента, а также его название;
— указывают порядковый номер, номер периода и группы (тип подгруппы), в которых находится элемент;
— указывают заряд ядра, массовое число, число электронов, протонов и нейтронов в атоме;
— записывают электронную конфигурацию и указывают валентные электроны;
— зарисовывают электронно-графические формулы для валентных электронов в основном и возбужденном (если оно возможно) состояниях;
— указывают семейство элемента, а также его тип (металл или неметалл);
— сравнивают свойства простого вещества со свойствами простых веществ, образованных соседними по подгруппе элементами;
— сравнивают свойств простого вещества со свойствами простых веществ, образованных соседними по периоду элементами;
— указывают формулы высших оксидов и гидроксидов с кратким описанием их свойств;
— указывают значения минимальной и максимальной степеней окисления химического элемента.
Рассмотрим характеристику химического элемента на примере магния (Mg) согласно плану, описанному выше:
1. Mg – магний.
2. Порядковый номер – 12. Элемент находится в 3 периоде, в II группе, А (главной) подгруппе.
3. Z=12 (заряд ядра), M=24 (массовое число), e=12 (число электронов), p=12 (число протонов), n=24-12=12 (число нейтронов).
4. 12 Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 – электронная конфигурация, валентные электроны 3s 2 .
5. Основное состояние
Возбужденное состояние
6. s-элемент, металл.
7. Высший оксид – MgO — проявляет основные свойства:
MgO + H 2 SO 4 = MgSO 4 + H 2 O
MgO + N 2 O 5 = Mg(NO 3) 2
В качестве гидроксида магнию соответствует основание Mg(OH) 2 , которое проявляет все типичные свойства оснований:
Mg(OH) 2 + H 2 SO 4 = MgSO 4 + 2H 2 O
8. Степень окисления «+2».
9. Металлические свойства у магния выражены сильнее, чем у бериллия, но слабее, чем у кальция.
10. Металлические свойства у магния выражены слабее, чем у натрия, но сильнее, чем у алюминия (соседние элементы 3-го периода).
ПРИМЕР 1
| Задание | Охарактеризуйте химический элемент серу на основании её положения в Периодической системе Д.И. Менделеева |
| Решение | 1. S – сера.
2. Порядковый номер – 16. Элемент находится в 3 периоде, в VI группе, А (главной) подгруппе. 3. Z=16 (заряд ядра), M=32 (массовое число), e=16 (число электронов), p=16 (число протонов), n=32-16=16 (число нейтронов). 4. 16 S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 – электронная конфигурация, валентные электроны 3s 2 3p 4 . 5. Основное состояние Возбужденное состояние 6. p-элемент, неметалл. 7. Высший оксид – SO 3 — проявляет кислотные свойства: SO 3 + Na 2 O = Na 2 SO 4 8. Гидроксид, соответствующий высшему оксиду – H 2 SO 4 , проявляет кислотные свойства: H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2H 2 O 9. Минимальная степень окисления «-2», максимальная – «+6» 10. Неметаллические свойства у серы выражены слабее, чем у кислорода, но сильнее, чем у селена. 11. Неметаллические свойства у серы выражены сильнее, чем у фосфора, но слабее, чем у хлора (соседние элементы в 3-м периоде). |
ПРИМЕР 2
| Задание | Охарактеризуйте химический элемент натрий на основании её положения в Периодической системе Д.И. Менделеева |
| Решение | 1. Na – натрий.
2. Порядковый номер – 11. Элемент находится в 3 периоде, в I группе, А (главной) подгруппе. 3. Z=11 (заряд ядра), M=23 (массовое число), e=11 (число электронов), p=11 (число протонов), n=23-11=12 (число нейтронов). 4. 11 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 – электронная конфигурация, валентные электроны 3s 1 . 5. Основное состояние 6. s-элемент, металл. 7. Высший оксид – Na 2 O — проявляет основные свойства: Na 2 O + SO 3 = Na 2 SO 4 В качестве гидроксида натрию соответствует основание NaOH, которое проявляет все типичные свойства оснований: 2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O 8. Степень окисления «+1». 9. Металлические свойства у натрия выражены сильнее, чем у лития, но слабее, чем у калия. 10. Металлические свойства у натрия выражены сильнее, чем у магния (соседний элемент 3-го периода). |
Графическим отображением периодического закона является Периодическая система химических элементов. Известно более \(700\) форм периодической таблицы. Официальным по решению Международного союза химиков является её полудлинный вариант.
Каждому химическому элементу в таблице отведена одна клеточка, в которой указаны символ и название элемента, порядковый номер и относительная атомная масса.
Ломаная линия обозначает границу между металлами и неметаллами.
Последовательность расположения элементов не всегда совпадает с возрастанием атомной массы. Есть несколько исключений из правила. Так, относительная атомная масса аргона меньше атомной массы калия, в теллура - меньше, чем иода.
Каждый элемент имеет свой порядковый (атомный) номер , располагается в определённом периоде и определённой группе.
Период - горизонтальный ряд химических элементов, начинающийся щелочным металлом (или водородом) и заканчивающийся инертным (благородным) газом.
В таблице семь периодов. В каждом содержится определённое число элементов:
\(1\)-й период - \(2\) элемента,
\(2\)-й период - \(8\) элементов,
\(3\)-й период - \(8\) элементов,
\(4\)-й период - \(18\) элементов,
\(5\)-й период - \(18\) элементов,
\(6\)-й период - \(32\) элемента (\(18 + 14\)),
\(7\)-й период - \(32\) элемента (\(18 + 14\)).
Три первых периода называют малыми периодами, остальные - большими . И в малых, и в больших периодах происходит постепенное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических , только в больших периодах оно происходит более плавно.
Элементы с порядковыми номерами \(58\)–\(71\) (лантаноиды ) и \(90\)–\(103\) (актиноиды ) вынесены из таблицы и располагаются под ней. Это элементы IIIB группы. Лантаноиды относятся к шестому периоду, а актиноиды - к седьмому .
Восьмой период появится в Периодической таблице, когда будут открыты новые элементы.
Группа - вертикальный столбец химических элементов, имеющих сходные свойства.
В Периодической таблице \(18\) групп, пронумерованных арабскими цифрами. Часто используют нумерацию римскими цифрами с добавлением букв \(A\) или \(B\). В таком случае групп \(8\).
Группы \(A\) начинаются элементами малых периодов, включают также и элементы больших периодов; содержат и металлы, и неметаллы. В коротком варианте Периодической таблицы это главные подгруппы .
Группы \(B\) содержат элементы больших периодов, и это только металлы. В коротком варианте Периодической таблицы это побочные подгруппы .
Число элементов в группах:
IA , VIIIA - по \(7\) элементов;
IIA - VIIA - по \(6\) элементов;
IIIB - \(32\) элемента (\(4 + 14\) лантаноидов \(+ 14\) актиноидов);
VIIIB - \(12\) элементов;
IB , IIB , IVB - VIIB - по \(4\) элемента.
Количественный состав групп будет изменяться по мере добавления в таблицу новых элементов.
Римский номер группы, как правило, показывает высшую валентность в оксидах. Но для некоторых элементов это правило не выполняется. Так, фтор не бывает семивалентным, а кислород - шестивалентным. Не проявляют валентность, равную номеру группы,гелий , неон и аргон - эти элементы не образуют соединений с кислородом. Медь бывает двухвалентной, а золото - трёхвалентным, хотя это элементы первой группы.
Элементы в периодической системе располагаются в последовательности возрастания порядковых номеров Z от 1 до 110. Порядковый номер элемента Z соответствует заряду ядра его атома, а также числу движущихся в поле ядра электронов.
Химические элементы по структуре невозбужденных атомов подразделяются на естественные совокупности, что отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.
Период представляет собой последовательный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа энергетических уровней (электронных слоев). Номер периода указывает на число электронных слоев в атомах элементов. Периоды начинаются s-элементами, в атомах которых на новом уровне появляется первый s – электрон с новым значением главного квантового числа n (водород и щелочные металлы), а заканчиваются р – элементами, атомами благородных газов, имеющих устойчивую электронную структуру внешнего уровня ns 2 np 6 (у первого периода – s – элементом 2 He).
Различие в последовательности заполнения электронных слоев (внешних и более близких к ядру) объясняет причину различной длины периодов. 1,2,3 периоды – малые, 4,5,6,7 – большие периоды. Малые периоды содержат 2 и 8 элементов, большие периоды – 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным, хотя конструктивно он построен аналогично шестому периоду.
В соответствии с максимальным числом электронов на внешнем уровне невозбужденных атомов элементы периодической системы подразделяются на восемь групп. Группы элементов – это совокупность элементов с одинаковым количеством валентных электронов в атоме. Номер группы равен числу валентных электронов.
Положение в группах s- и p- элементов определяется общим числом электронов внешнего слоя. Например, фосфор (), имеющий на внешнем слое пять электронов, относится кV группе, аргон () – кVIII, кальций () – коII группе и т. д.
Положение в группах d – элементов обусловливается общим числом s – электронов внешнего и d – электронов предвнешнего уровня. По этому признаку первые шесть элементов каждого семейства d – элементов располагаются в одной из соответствующих групп: скандий вIII, марганец вVII, железо вVIII и т. д. Цинк , у которого предвнешний слой завершен и внешними являются- электроны, относится коII группе. В атомах d – элементов, как правило, на внешнем уровне содержится по два электрона, за исключением Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Pt, Au. У последних наблюдается энергетически выгодный «провал» одного электрона с внешнего уровня на d – подуровень предвнешнего уровня, что происходит при достройке этого подуровня до пяти (половинная емкость) или десяти электронов (максимальная емкость), т. е. до состояния, когда все орбитали заняты каждая одним электроном или когда они заняты каждая парой электронов. В атоме палладия (Pd) происходит «двойной провал» электронов.
По наличию на внешнем слое лишь одного электрона (за счет «провала» одного из s – электронов внешнего слоя в предвнешний d – подслой) медь (), а также сереброи золотоотносят кI группе. Кобальт и никель, родийи палладий, иридийи платинувместе сFe, Ru, и Os обычно помещают в VIII группу.
В соответствии с особенностями электронных структур семейства 4f – (лантаноиды) и 5f – (актиноиды) элементов помещают в III группу.
Группы делятся на подгруппы: главные (подгруппы А) и побочные (подгруппы В). Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами (элементы - аналоги). s - и р – элементы составляют так называемую главную подгруппу, или подгруппу А, d – элементы – побочную, или подгруппу В.
Например, IV группа периодической системы состоит из следующих подгрупп:
|
Элементы главной подгруппы (А) |
