Периодическая система химических элементов Менделеева

Периоды - это горизонтальные ряды таблицы, они подразделяются на малые и большие. В малых периодах находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды), в больших периодах - 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Каждый период начинается с типичного металла, а заканчивается неметаллом (галогеном) и благородным газом. Большие периоды подразделяются на ряды.

Группы - это вертикальные последовательности элементов, они нумеруются римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и Б. Короткопериодный вариант Периодической системы включал подгруппы элементов (главную и побочную).

Подгруппа - это совокупность элементов, являющихся безусловными химическими аналогами; часто элементы подгруппы обладают высшей степенью окисления, отвечающей номеру группы.

В А-группах химические свойства элементов могут меняться в широком  диапазоне от неметаллических к  металлическим (например, в главной  подгруппе V группы азот - неметалл, а  висмут - металл).

В Периодической системе  типичные металлы расположены в IА группе (Li-Fr), IIА (Mg-Ra) и IIIА (In, Tl). Неметаллы  расположены в группах VIIА (F-Al), VIА (O-Te), VА (N-As), IVА (C, Si) и IIIА (B). Некоторые  элементы А-групп (бериллий Ве, алюминий Al, германий Ge, сурьма Sb, полоний Po и  другие), а также многие элементы Б-групп проявляют и металлические, и неметаллические свойства (явление  амфотерности).

Для некоторых групп применяют  групповые названия: IА (Li-Fr) - щелочные металлы, IIА (Ca-Ra) - щелочноземельные металлы, VIА (O-Po) - халькогены, VIIА (F-At) - галогены, VIIIА (He-Rn) - благородные газы.

Вначале нужно обратить внимание на расположение элементов в горизонтальных рядах. В первом ряду стоят только два элемента – водород и гелий. Эти два элемента составляют первый период. Второй и третий ряды состоят из рассмотренных уже нами элементов и образуют два периода по восьми элементов в каждом. Оба периода начинаются со щелочного металла и заканчиваются благородным газом. Все три периода называются малыми периодами.

Четвертый ряд также начинается со щелочного металла – калия. Судя по тому, как изменялись свойства в двух предыдущих рядах, можно было бы ожидать, что и здесь они  будут изменяться в той же последовательности и седьмым элементом в ряду будет опять галоген, а восьмым – благородный газ. Однако это не наблюдается. Вместо галогена на седьмом месте находится марганец – металл, образующий как основные, так и кислотные оксиды, из которых лишь высший Mn₂O₇ аналогичен соответствующему оксиду хлора (Cl₂O₇). После марганца в том же ряду стоят еще три металла – железо, кобальт и никель, очень сходные друг с другом. И только следующий, пятый ряд, начинающийся с меди, заканчивается благородным газом криптоном. Шестой ряд снова начинается со щелочного металла рубидия и т. д. Таким образом, у элементов, следующих за аргоном, более или мене полное повторение свойств наблюдается только через восемнадцать элементов, а не через восемь, как было во втором и третьем рядах. Эти восемнадцать элементов образуют четвертый – так называемый большой период, состоящий из двух рядов.

Пятый большой период составляют следующие два ряда, шестой и седьмой. Этот период начинается щелочным металлом рубидием и заканчивается благородным  газом ксеноном.

В восьмом ряду после лантана  идут четырнадцать элементов, называемых лантаноидами (или лантанидами), которые  чрезвычайно сходны с лантаном и  между собой. Ввиду этого сходства, обусловленного особенностью строения их атомов, лантаноиды обычно помещают вне обще таблицы, отмечая лишь в  клетке для лантана их положение  в системе.

Поскольку следующий за ксеноном благородный радон находится  только в конце девятого ряда, то восьмой и девятый ряды тоже образуют один большой период – шестой, содержащий тридцать два элемента.

В больших периодах не все  свойства элементов изменяются так  последовательно, как во втором и  третьем. Здесь наблюдается еще  некоторая периодичность в изменении  свойств внутри самих периодов. Так, высшая валентность по кислороду  вначале равномерно растет при переходе от одного элемента к другому, но затем, достигнув максимума в середине периоде, падает до двух, после чего опять возрастает до семи к концу  периода. В связи с этим большие  периоды разделены каждый на две  части (два ряда).

Десятый ряд, составляющий седьмой, - пока незаконченный, - период, содержит девятнадцать элементов, из которых  первый и последние тринадцать получены лишь сравнительно недавно искусственным путем. Следующие за актинием четырнадцать элементов сходны по строению их атомов с актинием; поэтому их под названием актиноиды (или актиниды) помещают, подобно лантаноидам, вне общей таблицы.

В вертикальных столбцах таблицы, или в группах, располагаются  элементы, обладающие сходными свойствами. Поэтому каждая вертикальная группа представляет собой как бы естественное семейство элементов. Всего в  таблице таких групп восемь. Номера групп отмечены вверху римской цифрой.

Элементы, входящие в первую группу, образуют оксиды с общей  формулой R₂O, во второй – RO, в третьей – R₂O₃ и т. д. Таким образом, наибольшая валентность элементов каждой группы по кислороду соответствует, за немногими исключениями, номеру группы.

Сравнивая элементы, принадлежащие  к одной и той же группе, нетрудно заметить, что, начиная с пятого ряда (четвертый период), каждый элемент  обнаруживает наибольшее сходство не с элементом, расположенным непосредственно под или над ним, а с элементами, отделенными от него одной клеткой. Например, в седьмой группе бром не примыкает непосредственно к хлору и иоду, а отделен от хлора марганцем, а от иода – технецием; находящиеся в шестой группе сходные элементы – селен и теллур разделены молибденом, сильно отличающимся от них; находящиеся в первой группе рубидий обнаруживает большое сходство с цезием, стоящим в восьмом ряду, но мало похож на расположенное непосредственное под ним серебро и т. д.

Это объясняется тем, что  с четвертого ряда начинаются большие  периоды, состоящие каждый из двух рядов, расположенных один над другим. Поскольку  в пределах периода металлические  свойства ослабевают в направлении  слева направо, то понятно, что в  каждом большом периоде у элементов  верхнего (четного) ряда они выражены сильнее, чем у элементов нижнего (нечетного). Чтобы отметить различие между рядами, элементы первых рядов  больших периодов сдвинуты в таблице  влево, а элементы вторых – вправо.

     Таким образом, начиная с четвертого периода каждую группу периодической системы можно разбить на две подгруппы: «четную», состоящую из элементов верхних рядов, и «нечетную», образованную элементами нижних рядов. Что же касается элементов малых периодов, которые Менделеев назвал типическими, то в первой и второй группах они ближе примыкают по своим свойствам к элементам четных рядов и сдвинуты влево, в других – к элементам нечетных рядов и сдвинуты вправо. Поэтому типические элементы обычно объединяют со сходными с ними элементами четных или нечетных рядов в одну главную подгруппу, а другая подгруппа называется побочной.

При построении периодической  системы Менделеев руководствовался принципом расположения элементов по возрастающим атомным массам. Однако, в трех случаях этот принцип оказался нарушенным. Так, аргон (атомная масса 39,948 а. е. м.) стоит до калия (39,098 а. е. м.), кобальт (58,9332 а. е. м.) находится до никеля (58,70 а. е. м.) и теллур (127,60 а. е. м.) до иода (126, 9045 а. е. м.). Здесь Менделеев отступил от принятого им порядка, исходя из свойств этих элементов, требовавших именно такой последовательности их расположения. Таким образом, он не придавал исключительного значения атомной массе и, устанавливая место элемента в таблице, руководствовался всей совокупностью его свойств. Позднейшие исследования показали, что произведенное Менделеевым размещение элементов в периодической системе является совершенно правильным и соответствует строению атомов.

Правильность размещения аргентума, кобальта и теллура в  периодической системе была подтверждена в 1913 году, уже после смерти Д. И. Менделеева в 1907 году, английским ученым Мозли. Мозли, исследуя рентгеновские спектры  различных элементов, определил заряды их ядер и установил, что порядковый номер элемента в таблице Д. И. Менделеева равен величине заряда его ядра. 

Итак, в периодической  системе свойства элементов, их атомная  масса, валентность, химический характер изменяются в известной последовательности как в горизонтальном, так и  в вертикальном направлениях. Место  элемента в таблице определяется, следовательно, его свойствами, и, наоборот, каждому месту соответствует  элемент, обладающий определенной совокупностью  свойств. Поэтому, зная положение элемента в таблице, можно довольно точно  указать его свойства.

Не только химические свойства элементов, но и очень многие физические свойства простых веществ изменяются периодически, если рассматривать их как функции атомной массы.

Периодичность в изменении  физических свойств простых веществ  ярко выявляется, например, при сопоставлении  их атомных объемов².

Таким образом, было доказано, что химическая природа элемента определяется не атомным весом, а  величиной заряда ядра.

Вследствие этого формулировка периодического закона претерпела некоторое  изменение. Теперь она следующая:

Свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической  зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Эта формулировка не противоречит данной Д. И. Менделеевым, а лишь отражает более поздние представления о строении атома. Она позволила не только подтвердить правильность расположения в таблице аргона, кобальта и теллура, но и установить, что в первом периоде находятся всего два элемента, а также определить заряды ядер лантаноидов и их число.  

Связь между электронным  строением атомов и положением элементов  в периодической системе

Рассмотрим порядок заполнения электронных оболочек атомов различных элементов в связи с их положением в коротком варианте периодической системы. При этом будем иметь в виду, что у каждого последующего элемента на один электрон больше по сравнению с предыдущим, т. е. электронная формула данного атома полностью включает в себя электронную формулу предыдущего атома и содержит, кроме того, описание состояния еще одного электрона.

Первый период наиболее прост, состоит из двух элементов. У водорода один электрон заселяет 1s-орбиталь. У гелия на этой орбитали уже два электрона, отличающиеся спинами.

Второй период образован  атомами от лития до неона. У первых двух атомов (Li, Be) после заполнения электронами К-слоя (n=1) идет формирование s-оболочки L-слоя (n=2). У следующих шести элементов заполняются электронами 2p-орбитали.

  В третьем периоде в атомах элементов от натрия до аргона комплектуется третий слой (n=3) подобно второму. В третьем слое остается незаполненной вся d-оболочка.

В четвертом периоде у  атомов калия и кальция сначала  заполняется   s-оболочка четвертого слоя (n=4). В атомах следующих десяти элементов (от скандия до цинка) заполняются электронами пять d-орбиталей. Нужно заметить, что последовательность заполнения d-орбиталей атомов хрома и меди несколько нарушается. У них один электрон с внешней 4s-орбитали как бы «проваливается» на 3d-орбиталь. Это явление объясняется особой устойчивостью атома с наполовину или полностью заполненной                    d-оболочкой. Выигрыш энергии в этом случае перекрывает энергетические затраты при переходе одного электрона с 4s-орбитали на 3d-орбиталь. В атоме галлия и атомах следующих за ним пяти элементов заполняется 4p-оболочка.

В пятом периоде порядок  заполнения электронных оболочек элементов  пятого (n=5) и четвертого периодов аналогичен. У двух первых элементов (Rb, Sr) заполняются 5s-оболочки, в следующих десяти элементах этого периода комплектуются с несколькими «провалами» 4d-оболочка и у атомов последних шести элементов заполняются 5р-оболочки. При этом 4f-, 5d-, 5f-оболочки остаются вакантными.

В шестом периоде содержатся 32элемента. У атомов цезия и бария  электронами насыщаются 6s-оболочки. У атомов лантана и следующих за ним тринадцати элементов (кроме гадолиния) электроны заполняют семь орбиталей 4f-оболочек, затем пять орбиталей 5d-оболочек и три орбитали  6p-оболочек. Похожая картина наблюдается у элементов седьмого периода, следующих за актинием.

Итак, каждый период начинается с двух элементов, у которых электронами  заполняются s-орбитали внешнего уровня. Эти элементы находятся в главных подгруппах и Ι и ΙΙ групп и называются s-элементами.

В главных подгруппах ΙΙΙ-VΙΙΙ  групп стоят p-элементы, у которых происходит заполнение p-орбиталей внешнего уровня. Напомним, что у элементов 1-3 периодов p-орбитали заполняются непосредственно после       s-орбиталей, в больших периодах между s-, и p-элементами стоят 10 элементов, у которых электроны поступают на d-орбитали предыдущего уровня. Эти элементы называются d-элементами или переходными металлами. Они находятся в побочных подгруппах всех восьми групп.

Исходя из указанных закономерностей  заполнения орбиталей электронами  по электронной формуле можно  легко определить, в каком периоде, группе и подгруппе находится  элемент в периодической системе.

Электронная формула элемента – 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Этот элемент находится  в третьем периоде, так как  номер периода всегда отвечает числу  энергетических уровней в атоме. Поскольку последний электрон поступил на p-орбиталь, элемент стоит в главной подгруппе. Номер группы для элементов главных подгрупп всегда равен общему числу s- и      p-электронов. Таким образом, рассматриваемый элемент стоит в третьем периоде, главной подгруппе V группы (в подгруппе VА).

У элементов главных подгрупп все внешние электроны называются валентными, так как они могут  участвовать в образовании химической связи. Число валентных электронов (максимальная валентность, максимальная степень окисления) равно номеру группы, т. е. пяти.

Электронная формула элемента -1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s².

Элемент расположен в пятом  периоде (число энергетических уровней), побочной подгруппе (заполняются d-орбитали предпоследнего уровня). Чтобы определить номер группы, в которой стоит d-элемент, необходимо вспомнить, что в каждом периоде в Ι и ΙΙ группах стоят два s-элемента, следовательно, первый d-электрон появляется у элемента, расположенного в ΙΙΙ группе. Рассматриваемый элемент находится в ΙV группе.