Хімія. 8 клас. Ярошенко

§ 15. Періодична система хімічних елементів з позиції теорії будови атома

Вивчення параграфа допоможе вам:

  • висловлювати судження про фізичну сутність: порядкового номера елемента в періодичній системі, номера періоду, групи та підгрупи;
  • встановлювати максимальне значення валентності хімічного елемента;
  • з'ясувати причину наявності в короткій формі періодичної системи побічних підгруп (аналогічно груп Б у довгій формі періодичної системи);
  • зрозуміти розташування за межами основної структури періодичної системи лантаноїдів та актиноїдів.

Вивчаючи будову атома, вам неодноразово доводилося звертатись за тією чи іншою інформацією до періодичної системи хімічних елементів. Адже ви знаєте, що кожний елемент у періодичній системі займає постійне, чітко визначене місце. За ним можна безпомилково дізнатися про: а) заряд ядра атома; б) кількість електронів в електронній оболонці атома; в) кількість енергетичних рівнів для кожного хімічного елемента.

ПОРЯДКОВИЙ НОМЕР ЕЛЕМЕНТА В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ ТА БУДОВА АТОМА. Порядковий номер має однакове значення з протонним числом. Отже, який порядковий номер хімічного елемента, стільки й протонів міститься в ядрі атома.

Величина позитивного заряду ядра атома однакова з порядковим номером хімічного елемента в періодичній системі. Кількість електронів в електронній оболонці атома теж дорівнює порядковому номеру.

Тобто алгебраїчна сума зарядів протонів й електронів в атомі дорівнює нулю. Саме тому атом — електронейтральна частинка.

НОМЕР ПЕРІОДУ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА БУДОВА АТОМА. Положення хімічного елемента в періоді періодичної системи визначає кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома.

Кількість енергетичних рівнів (електронних шарів) в електронній оболонці атома завжди дорівнює номеру періоду, в якому розташований хімічний елемент.

Це означає, що в усіх елементів одного періоду кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атомів однакова. Переконаємося в цьому на прикладі будови електронних оболонок атомів Літію, Карбону, Неону (схема 11).

Схема 11. Будова електронних оболонок атомів

Як бачимо, атоми кожного з розглянутих хімічних елементів мають по два енергетичні рівні, незважаючи на різну кількість електронів в електронній оболонці атома та на зовнішньому енергетичному рівні. Приклад 1 ілюструє практичне застосування знань про взаємозв'язок номера періоду з будовою атома.

Приклад 1. Електронна оболонка атома якого з елементів — Аргентуму Ag, Стронцію Sr чи Кальцію Са — має найменшу кількість енергетичних рівнів?

Розв'язання

1. Встановимо розташування зазначених хімічних елементів у періодах періодичної системи:

Аргентум під порядковим номером 47 розташований у 5 періоді. Стронцій (порядковий номер 38) теж елемент 5 періоду. Кальцій розміщено в 4 періоді.

2. Знаючи, що кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома збігається з номером періоду, робимо висновок, що електронні оболонки атомів Аргентуму та Стронцію мають по 5 енергетичних рівнів, а Кальцію — чотири.

Відповідь: найменша кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома Кальцію.

НОМЕР ГРУПИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА БУДОВА АТОМА. Положення хімічного елемента у групі періодичної системи тісно пов'язане з будовою електронних оболонок атомів. Так, в елементів головних підгруп короткоперіодної системи та групах А довгоперіодної системи номер групи збігається з кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атома. Тобто валентні електрони в атомах елементів цих підгруп розташовані на зовнішньому енергетичному рівні.

В елементів побічних підгруп короткоперіодної системи та груп Б довгоперіодної системи номер групи збігається з максимальною валентністю атомів елемента у сполуках з Оксигеном (оксидах). Валентні електрони таких атомів розташовані не лише на зовнішньому енергетичному рівні, а й на попередньому енергетичному рівні.

Валентність елементів зі сталою валентністю і, як правило, максимальна валентність елементів зі змінною валентністю збігаються з номером групи.

Знаючи це, ви зможете легко визначати валентність хімічного елемента за його місцем у групі періодичної системи.

Приклад 2. Чому неметалічний елемент Хлор і металічний елемент Манган належать до однієї групи? Складіть формули оксидів з максимальною валентністю цих елементів.

Розв'язання

1. З'ясуємо, про яку групу йдеться в умові завдання.

Періодична система свідчить про те, що обидва елементи розташовані в VII групі, але Хлор — у головній підгрупі, а Манган — у побічній.

2. За номером групи робимо висновок про те, що кожен з атомів має по сім валентних електронів. У неметалічного елемента головної підгрупи Хлору вони розташовані на зовнішньому енергетичному рівні. У металічного елемента побічної підгрупи Мангану два з них (як у переважної більшості металічних елементів побічних підгруп) розміщені на останньому (зовнішньому) енергетичному рівні. Ще п'ять він використовує з тих, що перебувають на передостанньому рівні на підрівні d.

3. Розглянуті елементи можуть утворювати оксиди з максимальною валентністю VII.

Cl2O7

Mn2O7

НОМЕР ГРУПИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА ЛЕТКІ СПОЛУКИ ЕЛЕМЕНТА З ГІДРОГЕНОМ. Номер групи дозволяє визначити валентність неметалічного елемента в його леткій сполуці з Гідрогеном. Валентність дорівнює різниці між числом 8 і числом, що позначає номер групи.

Приклад 3. Складіть формулу леткої сполуки з Гідрогеном та вищого оксиду неметалічного елемента з порядковим номером 52.

Розв'язання

1. З'ясовуємо, який елемент розташований у періодичній системі під номером 52 та до якої групи і підгрупи він належить.

Це елемент VI групи головної підгрупи Телур Те.

2. Визначаємо його валентність у леткій сполуці з Гідрогеном.

8 - 6 = 2

3. Складаємо формулу леткої сполуки Телуру з Гідрогеном за валентністю.

4. Складаємо формулу оксиду з найвищою валентністю Телуру. Номер групи свідчить про те, що в такому оксиді Телур виявляє валентність VI.

Зверніть увагу на те, що сума валентностей неметалічного елемента Телуру в його вищому оксиді й леткій сполуці з Гідрогеном дорівнює 8. Це поширюється й на інші неметалічні елементи, які утворюють сполуки з Гідрогеном та Оксигеном.

Попрацюйте групами

Уважно прочитайте сформульовані в параграфі правила й до кожного з них наведіть і запишіть конкретні приклади.

Пересвідчіться, що періодична система відображає будову атомів хімічних елементів.

РОЗТАШУВАННЯ В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ ЛАНТАНОЇДІВ ТА АКТИНОЇДІВ ІЗ ПОЗИЦІЇ ТЕОРІЇ БУДОВИ АТОМА. У параграфі 8 ішлося про те, що властивості сполук металічних елементів лантаноїдів багато в чому подібні. Те саме можна сказати і про сполуки актиноїдів. Виявляється, що це зумовлюється однаковою будовою зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атомів і заповнення електронами 4 f-підрівнів (лантаноїди) і 5 f-підрівнів (актиноїди). Тому їх називають f-елементами.

МІСЦЕ МЕТАЛІЧНИХ І НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ З ПОЗИЦІЇ БУДОВИ ЕЛЕКТРОННИХ ОБОЛОНОК АТОМА. Розглянемо, як узгоджується з будовою електронних оболонок атомів місце металічних і неметалічних хімічних елементів у періодичній системі на прикладі елементів третього періоду. Ви вже знаєте, що періоди починаються (виняток становить перший період) металічним елементом. Закінчуються періоди інертними елементами (окрім сьомого), яким передують представники родини неметалічних елементів галогенів. Подана в таблиці 10 інформація переконує в тому, що в межах третього періоду зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента збільшується загальна кількість електронів в електронній оболонці та на її зовнішньому енергетичному рівні. Отже, така будова електронних оболонок атомів елементів одного періоду обумовлює розташування металічних елементів на початку періодів, а неметалічних — у кінці. У таблиці 10 ви бачите, що Натрій, Магній, Алюміній — металічні елементи, а Силіцій, Фосфор, Сульфур, Хлор, Аргон — неметалічні.

Таблиця 10

Порівняння елементів третього періоду та їх деяких сполук

Ознаки порівняння

Елементи третього періоду

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Порядковий номер

11

12

13

14

15

16

17

18

Формула простої речовини

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl2

Ar

Група простих речовин

метали

неметали

Формула вищого оксиду

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

P2O5

SO3

Cl2O7

Формула гідрату вищого оксиду

NaOH

Mg(OH)2

Аl(ОН)3

H2SiO3

Н3РО4

H2SO4

HClO4

Валентність елементів у них

1

2

3

4

5

6

7

Леткі сполуки з Гідрогеном

SiH4

PH3

H2S

HCl

Валентність у леткій сполуці з Гідрогеном

4

3

2

1

Спільне в будові атома

Електронна оболонка має три енергетичні рівні

Кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні

1

2

3

4

5

6

7

8

Електронні формули зовнішнього енергетичного рівня

3s1

3s2

3s23p1

3s23p2

3s23p3

3s23p4

3s23p5

3s23p6

Розташування кожного хімічного елемента в періодичній системі знаходить пояснення з позиції теорії будови атома.

Зверніть увагу на те, що:

  • електронні оболонки атомів металічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні мають 1-3 електрони. Це менше половини електронів зовнішнього енергетичного рівня інертного елемента Аргону, де всі комірки заповнені спареними електронами;
  • атоми неметалічних елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні від 4 (порівняно з повністю заповненим зовнішнім енергетичним рівнем атома Аргону — це половина) і більше електронів. Виняток становлять Гідроген, Гелій, Бор.

За наповненням електронами зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атома можна визначити, до металічних чи неметалічних елементів належить конкретний елемент (є винятки). У металічних елементів він містить 1-3 електрони, у неметалічних — 4-8 електронів.

Стисло про основне

• Номер періоду, в якому розташований хімічний елемент, і кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці його атома збігаються.

• Номер групи, в якій розташований хімічний елемент, і його вища валентність здебільшого збігаються.

• З позиції теорії будови атома всі елементи однієї головної підгрупи мають однакову кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атома, вона дорівнює номеру групи.

• Наявність невеликої кількості електронів на зовнішньому енергетичному рівні атомів металічних елементів (1, 2, рідше 3) зумовлює їхнє розташування на початку періодів, тоді як атоми неметалічних елементів, маючи 4 й більше електронів на зовнішньому енергетичному рівні, розташовані в кінці періодів.

• У періодах металічні властивості елементів та їхніх сполук послаблюються, а неметалічних — посилюються. Що ближче до початку періоду розміщено елемент, то сильніше в нього виражені металічні властивості.

Сторінка ерудита

До появи сучасної теорії будови атома не існувало доведень, які б пояснювали інертність хімічних властивостей неметалічних елементів VIII групи головної підгрупи — Гелію, Неону, Аргону та інших. Відтепер вона пояснюється тим, що всі енергетичні комірки зовнішнього енергетичного рівня повністю заповнені спареними електронами. Такий рівень називається завершеним і вважається стійким.

В атомах усіх інертних елементів, окрім Гелію, зовнішній енергетичний рівень містить 8 електронів. Тому замість нульової групи, яку спочатку було додано до періодичної системи для розміщення в ній інертних хімічних елементів, їх помістили в головну підгрупу восьмої групи. Відтепер знайшла підтвердження ще одна залежність — атоми елементів головних підгруп на зовнішньому енергетичному рівні мають стільки електронів, який номер групи (виняток становить Гелій).

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення групи, підгрупи, періоду.

2. Використавши знання про будову електронних оболонок атомів, поясніть розташування Натрію на початку 3 періоду, а Аргону — у кінці.

3. Виходячи з розташування Літію і Калію в періодичній системі, поясніть, до яких елементів — металічних чи неметалічних вони належать.

4. Як за положенням хімічного елемента в періодичній системі визначити:

  • а) величину заряду ядра атома;
  • б) кількість енергетичних рівнів (електронних шарів) в електронній оболонці атома;
  • в) число електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атомів хімічних елементів головних підгруп;
  • г) валентність неметалічного елемента в леткій сполуці з Гідрогеном?

5. Електронна оболонка атома Берилію чи Алюмінію має однакову з Магнієм кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні?

Застосовуємо

44. Зазначте рядок, у якому подано назви лише металічних елементів.

  • А Оксиген, Гідроген, Магній
  • Б Хлор, Неон, Алюміній
  • В Натрій, Кальцій, Магній
  • Г Натрій, Магній, Сульфур

45. Розташуйте за збільшенням числа протонів у ядрі хімічні елементи.

  • А Нітроген
  • Б Гідроген
  • В Кальцій
  • Г Магній

46. 1. Розташуйте за зменшенням числа енергетичних рівнів в електронній оболонці атоми таких елементів.

  • А Калій
  • Б Оксиген
  • В Гелій
  • Г Сульфур

2. Проаналізуйте твердження й оберіть відповідь, яку ви вважаєте правильною.

Твердження 1. В електронній оболонці атомів Магнію і Сульфуру однакова кількість енергетичних рівнів, тому вони розташовані у 3 періоді.

Твердження 2. Хімічні елементи однієї головної підгрупи мають однакову будову зовнішнього енергетичного рівня, а кількість електронів на ньому збігається з номером групи.

  • А Правильне лише твердження 1
  • Б Правильне лише твердження 2
  • В Правильні обидва твердження
  • Г Неправильні обидва твердження