Глава IV.32 Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, представленная в виде таблицы любой формы (коротко- или длиннопериодный вариант), объединяет все химические элементы и несёт существенную информацию о строении их атомов. Повторим эти сведения, раскрыв физический смысл символики, принятой в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

1. Порядковый номер химического элемента соответствует положительному заряду атомного ядра, т. е. числу содержащихся в нём протонов. Так как атом электронейтрален, порядковый номер химического элемента соответствует числу электронов, образующих электронную оболочку атома.

2. Номер периода, в котором расположен химический элемент, соответствует числу энергетических уровней (электронных слоёв) в атоме.
3. Номер группы соответствует числу электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов А-групп.

Как вы уже знаете, завершёнными, а потому и наиболее устойчивыми являются электронные оболочки атомов благородных (инертных) газов, т. е. те, внешний энергетический уровень которых заполнен (содержит два электрона у гелия и восемь у остальных благородных газов).

Атомы всех химических элементов стремятся заполнить свой внешний электронный слой, подобно атомам благородных газов. Сделать это можно двумя способами.

Первый способ получения завершённого внешнего электронного слоя – присоединить электроны, которых не хватает до восьми (до двух – у гелия).

Свойство атомов завершать внешний электронный слой путём присоединения электронов характерно для неметаллов. Чем легче атом присоединяет недостающие до завершения слоя электроны, тем сильнее выражены неметаллические свойства химического элемента.

Определить число электронов, необходимое атому для завершения внешнего энергетического уровня, просто. Для этого от восьми нужно отнять число электронов на внешнем энергетическом уровне: оно соответствует номеру группы, в которой находится химический элемент в Периодической системе Д. И. Менделеева. Например, атому азота для завершения внешнего энергетического уровня не хватает трёх электронов (8 – 5 = 3), атому кислорода – двух (8 – 6 = 2), атому фтора – одного (8 – 7 = 1).

Второй способ получения завершённого внешнего электронного слоя – отдать электроны с внешнего электронного уровня другому атому. При этом предвнешний энергетический уровень становится внешним. Стремятся отдать электроны внешнего энергетического уровня атомы металлов. Чем легче атом отдаёт внешние электроны, тем сильнее выражены металлические свойства химического элемента.

Способность атома отдавать или присоединять электроны определяется двумя причинами: числом электронов на внешнем энергетическом уровне и радиусом атома, т. е. расстоянием между ядром и самым отдалённым от него электронным слоем.

С увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов металлические свойства химических элементов ослабевают, а неметаллические усиливаются. Действительно, атомы IА-группы (группы щелочных металлов) легко отдают свой единственный электрон с внешнего энергетического уровня. Отдать два электрона атому химического элемента IIA-группы (группы щелочноземельных металлов) уже труднее, так как возрастает сила притяжения электронов к ядру, а потому их металлические свойства выражены слабее по сравнению со щелочными металлами.

Атомы элементов VIIА-группы (галогенов) легче присоединяют один недостающий электрон, чем атомы элементов VIА-группы, которым необходимо принять уже два электрона. Поэтому галогены – самые активные неметаллы в своём периоде.

С увеличением радиуса атомов металлические свойства химических элементов усиливаются, а неметаллические – ослабевают. Чем больше радиус атома, тем дальше внешние электроны расположены от ядра и слабее к нему притягиваются. Следовательно, отдать внешние электроны становится проще, а удержать присоединённые – сложнее.

Сделаем выводы.

1. В пределах одного периода с увеличением порядкового номера химических элементов металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются. Это объясняется тем, что в периоде с увеличением порядковых номеров химических элементов число электронов во внешнем энергетическом уровне атомов увеличивается от одного у щелочного металла до восьми у благородного газа. Также возрастает заряд ядра атома, а следовательно, и притяжение внешних электронов к ядру, в результате чего радиус атома уменьшается.
2. В пределах одной группы с увеличением порядкового номера химических элементов металлические свойства усиливаются, а неметаллические – ослабевают. Это объясняется тем, что число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов одной группы не изменяется (оно численно равно номеру группы), а радиусы атомов растут, так как увеличивается число энергетических уровней (оно соответствует номеру периода).

Указанные закономерности иллюстрируют схемы 7 и 8.

Схема 7

Схема 8

В заключение проиллюстрируем на конкретных примерах закономерности изменения свойств элементов.

В ряду химических элементов:

а) Si, P, S – неметаллические свойства усиливаются (так как атомы этих химических элементов имеют одинаковое число заполняемых электронами энергетических уровней и соответственно четыре, пять и шесть электронов на внешнем энергетическом уровне), а радиусы их атомов уменьшаются;

б) Si, Al, Mg – металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают (так как атомы этих химических элементов имеют одинаковое число заполняемых электронами энергетических уровней и соответственно четыре, три и два электрона на внешнем энергетическом уровне), а радиусы атомов этих химических элементов увеличиваются;

в) B, Al, Ga – металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают, так как атомы этих химических элементов имеют одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне (три электрона), причём число этих уровней, а следовательно, и радиусы атомов увеличиваются;

г) Ge, Si, С – металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются, так как атомы этих химических элементов имеют одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне (четыре электрона), причём число этих уровней, а следовательно, и радиусы атомов уменьшаются.

Нетрудно отметить тот факт, что свойства химических элементов изменяются периодически, т. е. повторяются через определённое число элементов (через период), положение которых в таблице Д. И. Менделеева (порядковый номер) обусловлено зарядом атомного ядра. Недаром сама система Д. И. Менделеева носит название «периодическая». Следовательно, можно сформулировать важнейший закон химии, который так и называется – Периодический закон.