Хімія. 8 клас. Ярошенко

§ 8. Структура періодичної системи хімічних елементів

Вивчення параграфа допоможе вам:

  • зрозуміти принцип створення та розвитку періодичної системи;
  • сформувати поняття про складові періодичної системи.

З періодичною системою хімічних елементів ви ознайомились у 7 класі та користувались нею як довідковою, коли необхідно було дізнатися про відносну атомну масу елемента, кількість протонів та нейтронів у ядрі, кількість електронів в електронній оболонці атома. Проте це не вся інформація, яку надає періодична система. Настав час докладніше вивчити періодичну систему і за потреби використовувати набуті знання.

СТВОРЕННЯ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВИМ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Одночасно з відкриттям періодичного закону Д. І. Менделєєв працював над створенням періодичної системи хімічних елементів. Для цього суцільний ряд елементів, укладений (вибудуваний) за збільшенням відносної атомної маси, учений розбив на коротші ряди та розмістив їх таким чином, щоб елементи з природних родин були розташовані один під одним. При цьому виявилося, що в деяких місцях розташування елементів природних родин не збігалося. Та вчений був твердо переконаний у достовірності періодичного закону, а тому висунув два припущення:

1) атомні маси деяких елементів потребують уточнення;

2) повинні існувати ще не відкриті елементи, і для них слід залишити вільні клітинки в таблиці.

І ці припущення він перевірив.

Наведемо приклади.

Приклад 1. До початку роботи Д. І. Менделєєва над створенням класифікації елементів вважалося, що в Берилію відносна атомна маса 13,5. У такому разі він мав би розміститися між Карбоном і Нітрогеном. Це призвело б до того, що подібні елементи не потрапили б в одну групу. Тоді Дмитро Іванович звернув увагу на те, що за формою і властивостями сполук Берилій має зайняти місце між Літієм і Бором, і висловив припущення про помилку у визначенні його відносної атомної маси. Експериментальні дослідження підтвердили правильність думки Д. І. Менделєєва.

Приклад 2. Д. І. Менделєєв вважав, що окрім відомих на той час 63 хімічних елементів, є й інші, поки що не відкриті. Для них він залишив порожні клітинки. Наприклад, такими були клітинки з порядковими номерами 21, 31, 32. Дмитро Іванович не лише залишив місця в періодичній системі для хімічних елементів із цими порядковими номерами, а й правильно описав їхні властивості. Усі три елементи були відкриті за життя Д. І. Менделєєва й дістали назви Скандій, Галій, Германій. Їхні властивості збіглися з властивостями, передбаченими видатним ученим. Після цих відкриттів періодичний закон здобув світове визнання, а періодична система як графічне відображення закону стала таблицею номер один для всіх хіміків і тих, хто вивчає хімію у школі чи університеті.

Періодичною системою називається впорядкована множина хімічних елементів та їх класифікація.

Те, що інертним та деяким іншим елементам, відкритим після 1869 р., знайшлося місце в періодичній системі, свідчить про універсальність періодичного закону, а періодична таблиця, яку з часом назвали періодичною системою, стала його відображенням.

ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА, ЇЇ ФОРМА ТА СТРУКТУРА. Прообразом сучасної періодичної системи була таблиця «Досвід системи елементів, що ґрунтується на їхній атомній вазі та хімічній подібності» (мал. 13), оприлюднена Д. І. Менделєєвим 1 березня 1869 р. Протягом двох із половиною років учений удосконалював систему розподілом елементів на групи, періоди, ряди, після чого вона набула сучасних обрисів.

Мал. 13. Таблиця «Досвід системи елементів, що ґрунтується на їхній атомній вазі та хімічній подібності», оприлюднена Д. І. Менделєєвим 1 березня 1869 р.

За роки існування періодичної системи пропонувалася велика кількість варіантів її графічного зображення. Це були переважно таблиці, хоча траплялися й геометричні фігури, спіралі тощо. Найбільше визнання здобули дві табличні форми — короткоперіодна (перший форзац підручника) та довгоперіодна (другий форзац підручника).

У структурі обох варіантів таблиці розрізняють періоди та групи.

Періодом називається горизонтальний ряд елементів, який розпочинається лужним металічним елементом і закінчується інертним елементом (мал. 14). Виняток становлять перший період, який починається Гідрогеном і містить лише два елементи, та останній, який ще не завершений, а тому інертний елемент у ньому відсутній.

Мал. 14. Період у періодичній системі

Усього в періодичній системі 7 періодів, їх позначено арабськими цифрами від 1 до 7.

Група — це вертикальний стовпчик елементів, подібних за властивостями та формою їх сполук (мал. 15).

Мал. 15. Група короткоперіодної системи

У короткоперіодній системі 8 груп. Вони пронумеровані римськими цифрами від І до VІІІ (мал. 15).

Користуючись періодичною системою, наведіть по два приклади хімічних елементів кожної з восьми груп.

БУДОВА КОРОТКОПЕРІОДНОЇ СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Зверніть увагу на те, що за номерами періодів у цій періодичній системі ідуть номери рядів, позначені також арабськими цифрами від 1 до 10. Як бачимо, рядів більше, ніж періодів. Це свідчить про те, що окремі періоди складаються більш ніж з одного ряду. Зверніться до періодичної системи, і ви побачите, що перший, другий і третій періоди утворені з одного ряду, а четвертий, п'ятий та шостий періоди складаються з двох рядів — парного та непарного. Перші шість періодів є завершеними, тобто в них немає місця для розміщення нововідкриваних хімічних елементів. Сьомий період незавершений, і нововідкриті (штучно добуті) хімічні елементи поповнюють його.

Періоди, що складаються з одного ряду, називаються малими, а періоди, що складаються з двох рядів, — великими.

Як ви знаєте, повторюваність властивостей хімічних елементів та їхніх сполук відбувається періодично, тобто через певний проміжок елементів. У періодичній системі такими проміжками є періоди. Зрозуміло, у малих періодах періодична повторюваність властивостей і форм сполук настає швидше, ніж у великих періодах.

За допомогою короткоперіодної системи з'ясуйте, які періоди належать до малих, а які — до великих. Зверніться до довгоперіодної системи та переконайтеся у відсутності в ній рядів.

За періодичною системою з'ясуйте, скількома елементами відокремлюються лужні металічні елементи Натрій і Калій, а скількома — Калій і Рубідій.

Розглянемо особливості груп короткоперіодної системи хімічних елементів на прикладі сьомої групи. Розпочинається вона Флуором. Чітко під ним в один стовпчик записано всі інші галогени. Вони утворюють головну підгрупу VІІ групи. Зверніть увагу на те, що серед них є представники і малих, і великих періодів. У цієї групи є ще один стовпчик елементів, що не ввійшов до галогенів. Він розпочинається лише з четвертого періоду металічним елементом — Манганом (Mn). Чітко під ним розташовані Технецій (Tc), Реній (Re), Борій (Bh). Разом вони утворюють побічну підгрупу хімічних елементів VІІ групи періодичної системи.

Головними підгрупами називають підгрупи, до яких належать елементи і малих, і великих періодів. Побічними підгрупами називають підгрупи, до яких належать елементи лише великих періодів.

У головних підгрупах, починаючи з третьої групи, містяться і неметалічні хімічні елементи (ними головні підгрупи починаються), і металічні. Головні підгрупи VІІ та VІІІ груп періодичної системи повністю складаються з неметалічних елементів.

Ви знаєте, що зі збільшенням відносної атомної маси елементів неметалічні властивості галогенів послаблюються, а металічні властивості лужних елементів посилюються. Ці закономірності притаманні елементам головних підгруп.

У межах головної підгрупи зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента металічні властивості посилюються, а неметалічні — послаблюються.

У нижній частині періодичної системи під сьомим періодом є ще чотири горизонтальні рядки, що мають назви: «Вищі оксиди», «Леткі сполуки з Гідрогеном», «Лантаноїди», «Актиноїди».

Скористайтеся цією закономірністю, щоб з'ясувати: у якого з елементів ІІ групи головної підгрупи — Магнію чи Кальцію — більш виражені металічні властивості; в Оксигену чи Сульфуру (VI група головна підгрупа) — більш виражені неметалічні властивості.

У рядку «Вищі оксиди» для кожної групи подано загальну формулу оксиду з максимальною валентністю елемента, хоча в цього загального правила існують винятки, наприклад, Купрум розміщений у І групі, проте вищий оксид має формулу СuО, Флуор — у VII групі, а формула сполуки з Оксигеном — OF2.

Обчисліть валентність елемента, позначеного в загальних формулах вищих оксидів великою літерою R, і ви переконаєтеся, що вона дорівнює номеру групи.

Загальні формули летких сполук з Гідрогеном (таку назву мають газоподібні сполуки неметалічних елементів із Гідрогеном) записано лише під четвертою, п'ятою, шостою та сьомою групами. А оскільки неметалічні елементи в періодичній системі розміщено лише в головних підгрупах, то зазначені загальні формули летких сполук з Гідрогеном стосуються неметалічних елементів головних підгруп. Наприклад, у головній підгрупі IV групи розміщено два неметалічні елементи — Карбон і Силіцій. Зважаючи на загальну формулу RH4, складаємо формули їх сполук із Гідрогеном: СН4 та SiH4.

ЛАНТАНОЇДИ Й АКТИНОЇДИ. Знайдемо в періодичній системі елемент із порядковим номером 57. Це Лантан. Він розміщений у шостому періоді, третій групі, побічній підгрупі. Зверніть увагу на те, що наступний елемент Гафній має порядковий номер не 58, а 72. I це не помилка. Елементи з порядковими номерами 58-71 винесено за межі послідовного розміщення елементів у періодичній системі в рядок із назвою «Лантаноїди». Аналогічно вчинили з елементами, що мають порядкові номери 90-103. Їх можна знайти в рядку «Актиноїди».

Лантаноїди та актиноїди з'явилися в періодичній системі на початку ХХ ст., коли за короткий час відбулося відкриття близько 40 нових елементів. На той час у періодичній системі вільними залишалися лише сім клітинок у шостому та сьомому періодах, тоді як розташовувати потрібно було 28 хімічних елементів. Оскільки 14 елементів (порядкові номери 58-71) мають спільні характеристики з Лантаном, їх назвали лантаноїдами й винесли в окремий рядок періодичної системи. Подібним чином розмістили й елементи з порядковими номерами 90-103, названі актиноїдами (мал. 16).

Мал. 16. Лантаноїди й актиноїди в періодичній системі

ДОВГА ФОРМА ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ. У довгій формі періодичної системи також 7 періодів, але ряди відсутні. Груп не 8, а 18, які позначені літерами А та Б. У групах А розташовані ті ж самі хімічні елементи, що у головних підгрупах короткоперіодної системи, групи Б — відповідають складу побічних підгруп.

Першими розташовані групи ІА і IIA, за ними — десять груп Б, після яких періоди продовжують і завершують групи ІІІА, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA.

Елементи групи Б відсутні в перших трьох періодах, а наявні лише в 4-7 періодах. Ознайомимося ближче з елементами груп Б на прикладі 4 періоду (порядкові номери 21-30). Їх усього 10, і вони належать до металічних елементів. Відшукаємо їх місце в короткоперіодній системі. У ній їх розташовано під цими самими порядковими номерами в побічних підгрупах I-VIII груп.

У будь-якому варіанті таблиці елементи легко відшукати, якщо пам'ятати, що їх розміщено згідно з їхніми порядковими номерами.

Стисло про основне

• Періодична система — сукупність хімічних елементів, розміщених за зростанням їхніх атомних мас і впорядкованих у формі таблиці, що є графічним зображенням періодичного закону.

• Короткоперіодна періодична система складається із 7 періодів і 8 груп хімічних елементів, що поділяються на головну і побічну підгрупи. У довгому варіанті періодичної системи 7 періодів і 18 груп (групи А і Б).

• У періоді зі зростанням атомної маси хімічних елементів відбувається поступовий перехід від металічних властивостей до неметалічних.

• У групах розміщено хімічні елементи з подібними властивостями та формами сполук.

• Періодичність властивостей хімічних елементів підтверджується тим, що в кожному періоді наявні елементи з подібними властивостями та однаковою формою оксидів, летких сполук з Гідрогеном.

Сторінка ерудита

Свідченням того, що періодичний закон передбачає добудову періодичної системи, є залишені Д. І. Менделєєвим вільні клітинки для ще не відкритих елементів, опис властивостей деяких із них. Так, між Силіцієм та Станумом залишалася незаповненою клітинка 32, у якій, за висловленим у 1871 р. Д. І. Менделєєвим передбаченням, має розміститись елемент під умовною назвою «екасиліцій».

У 1886 р. німецький учений Клеменс-Олександр Вінклер, аналізуючи один із мінералів, виявив у ньому новий елемент. Учений виділив елемент у вигляді простої речовини, добув його солі, вивчив властивості й назвав на честь своєї країни Германієм.

У таблиці 7 подано порівняння властивостей хімічного елемента з порядковим номером 32, передбачених Д. І. Менделєєвим, із властивостями відкритого К. Вінклером Германію.

Таблиця 7

Порівняння властивостей Екасиліцію й Германію

Ознаки порівняння

Екасиліцій Es, передбачений Д. І. Менделєєвим

Германій Ge, відкритий Вінклером

Властивості металів

плавкий метал, здатний при сильному нагріванні випаровуватись

сірий метал, плавиться при 936 °С, за вищих температур випаровується

Атомна маса

≈ 72

72,59

Густина

≈ 5,5 г/см3

5, 35 г/см3 при 20 °С

Вищий оксид

EsO2, повинен легко відновлюватися, густина ≈ 4,7 г/см3,

GeO2, легко відновлюється вугіллям чи воднем до металу, густина — 4,703 г/см3

Бінарна сполука з Хлором

EsCl4 — рідина з температурою кипіння ≈ 90 °С і густиною ≈ 1,9 г/см3

GeCl4 — рідина з температурою кипіння 83 °С і густиною при 18 °С 1,88 г/см3

Знаємо, розуміємо

1. Що називають періодичною системою?

2. Поміркуйте, у чому полягають подібність і відмінність короткоперіодної та довгоперіодної систем хімічних елементів.

3. Сформулюйте визначення періоду, ряду, групи, підгрупи хімічних елементів. Наведіть приклади.

Застосовуємо

26. З'ясуйте кількість елементів у періодах і заповніть таблицю.

Номер періоду

1

2

3

4

5

6

7

Кількість елементів

27. Поясніть, як змінюються властивості хімічних елементів зі збільшенням порядкових номерів у:

а) періодах; б) головних підгрупах (групах А).

28. Д. І. Менделєєв визначив атомну масу хімічного елемента з порядковим номером 32, як середнє арифметичне атомних мас сусідніх у періоді та групі елементів. Користуючись цим, обчисліть атомні маси елементів із порядковими номерами 12 і 23 та порівняйте їх із даними таблиці.