Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам - Теоретический материал - ОСНОВЫ ХИМИИ

Современная формулировка Периодического закона звучит так: “Свойства элементов, а также свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов”.

Графическим выражением Периодического закона является Периодическая система химических элементов, которую представляют обычно в виде таблицы. Каждый элемент в Периодической системе имеет свое место, определяемое номером группы и номером периода. Порядковый номер элемента в Периодической системе — наиболее важная его характеристика. Именно порядковый (или атомный) номер указывает на заряд ядра атома данного элемента, а следовательно, на число протонов в ядре и на число электронов в атоме.

Группами называют вертикальные столбцы Периодической системы. Группа состоит из двух подгрупп — главной и побочной. В последнее время вместо термина “главная подгруппа” используют термин “группа А” (с указанием номера группы), а вместо “побочной подгруппы” — “группа В”. Так, пятую группу образуют элементы азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (группа VA) и ванадий, ниобий, тантал, дубний (группа VB).

Атомы элементов, принадлежащих к одной группе, имеют, как правило, одинаковое число валентных электронов и, следовательно — одинаковую высшую степень окисления. Так, электронные конфигурации атомов фосфора и ванадия:

В атоме фосфора валентными являются пять электронов внешнего уровня 3s²3p³. В атоме ванадия валентными являются внешние s- и предвнешние d-электроны 3d³4s². За счет пяти валентных электронов и фосфор, и ванадий образуют высшие оксиды Р₂O₅ и V₂O₅. Различия в электронном строении атомов фосфора и ванадия, а также различия в валентных электронах обуславливают отнесение этих элементов к разным подгруппам — главной и побочной.

Для d-элементов I и VIII групп число валентных электронов не совпадает с номером группы. Так, в IB группе расположены элементы — медь и золото, для которых более характерна степень окисления не +1, а соответственно +2 и +3. В VIIIB группе элементы — кобальт, никель, палладий и др., которые не проявляют высшей степени окисления +8.

Период — это горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов ядер атомов. В Периодической системе Д.И. Менделеева семь периодов, последний период незавершенный. Каждый период (кроме первого) начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Первый период содержит лишь два элемента (водород и гелий), второй и третий периоды — по восемь элементов. Первые три периода называют малыми периодами. В отличие от первых трех периодов все последующие периоды называют большими, они содержат по 18 и более элементов.

Если порядковый номер указывает на общее число электронов в атоме элемента, то номер периода указывает на число энергетических уровней, на которых расположены электроны в этом атоме. Так, все 15 электронов в атоме фосфора (порядковый номер элемента 15) расположены на трех энергетических уровнях (так как фосфор — элемент третьего периода). Все 26 электронов в атоме железа (порядковый номер элемента 26) расположены на четырех энергетических уровнях (так как железо — элемент четвертого периода).

Изменение свойств элементов в главных подгруппах

В состав подгрупп входят химические элементы со сходными свойствами. Если число электронов на внешнем уровне одинаково для всех элементов одной подгруппы (оно равно номеру группы), то другие свойства элементов закономерно изменяются в подгруппе с увеличением зарядов ядер атомов. Так, сверху вниз возрастает число заполненных электронных слоев, следовательно, возрастают атомные радиусы элементов. В силу этого увеличивается легкость отдачи внешних электронов, уменьшается электроотрицательность элементов, усиливаются металлические свойства и, напротив, ослабевают неметаллические свойства простых веществ, образованных этими элементами. Соответственно, кислотные свойства оксидов и гидроксидов сверху вниз по подгруппе уменьшаются, а основные — усиливаются. Так, для элементов VA группы в ряду оксидов:

первые три проявляют исключительно кислотные свойства, оксид сурьмы — амфотерный с преобладанием кислотных свойств, оксид висмута — амфотерный с преобладанием основных свойств. Следовательно, происходит закономерное ослабление кислотных свойств оксидов (и гидроксидов) и усиление основных.

Изменение свойств элементов по периоду

Рассмотрим в качестве примера характер изменения свойств элементов третьего периода:

Третий период, как и все остальные периоды, начинается с s-элемента, в данном случае с натрия. Электронная конфигурация внешнего электронного уровня атома натрия 3s¹. Заканчивается третий период, как и все остальные периоды, p-элементом, в данном случае инертным газом аргоном, внешняя электронная конфигурация которого 3s²3p⁶. С увеличением зарядов ядер атомов по периоду происходит последовательное увеличение числа электронов на внешнем уровне — от 1 в атоме натрия до 8 в атоме аргона. Это приводит к уменьшению атомного радиуса от 1,89 А в случае натрия до 0,66 А в случае аргона. Следствием уменьшения атомных радиусов является ослабление металлических свойств простых веществ, образованных элементами третьего периода, и усиление неметаллических. С уменьшением атомных радиусов увеличивается электроотрицательность элементов от 1,01 у натрия до 3,0 у хлора. Все это обуславливает ослабление основного характера оксидов и гидроксидов и усиление кислотных свойств оксидов и гидроксидов по периоду слева направо.

Так, первые три химических элемента третьего периода — натрий, магний и алюминий — относятся к металлам, остальные элементы — к неметаллам. Оксид натрия Na₂O обладает сильными основными свойствами, ему соответствует гидроксид NaOH — сильное основание, щелочь. Следующий элемент — магний — образует оксид MgO и гидроксид Mg(OH)₂ — со слабоосновными свойствами. Таким образом, основность оксида и гидроксида значительно уменьшается при переходе от Na к Mg. Еще более основность оксида и гидроксида уменьшается при переходе к алюминию, который образует амфотерные оксид Аl₂O₃ и гидроксид Аl(ОН)₃. Последующие элементы — кремний, фосфор, сера и хлор — образуют оксиды и гидроксиды уже кислотного характера, причем в ряду оксидов SiO₂—Р₂О₅—SO₃—Сl₂O₇ или гидроксидов H₂SiO₃—Н₃РO₄—H₂SO₄—НСlO₄ кислотность существенно возрастает. Если кремниевая кислота относится к наиболее слабым кислотам, то хлорная кислота — одна из сильнейших неорганических кислот. Завершается третий период инертным газом аргоном.