Как устроена периодическая система

В современной периодической системе элементы расположены по возрастанию числа протонов. Горизонтальные ряды называют периодами, вертикальные столбцы — группами. Научимся находить элемент и читать данные его ячейки, а также разберём, как закономерности помогли Менделееву предсказывать открытия.

1. Периодический закон и порядок элементов

К середине XIX века химикам было известно около шестидесяти элементов. Свойства некоторых веществ и элементов уже сравнивали между собой. Было замечено, что похожие свойства повторяются, если элементы располагать в определённом порядке. Поэтому неверно говорить, что до Дмитрия Ивановича Менделеева никто не видел никакого сходства.

В 1869 году Менделеев создал систему, в которой это повторение стало частью общего закона природы. Он сопоставлял известные атомные массы и химические свойства, расставлял сведения об элементах и проверял, согласуются ли они между собой. Получилась таблица, в которой положение элемента было связано с его свойствами.

Периодичность означает возвращение сходных черт через определённые промежутки последовательности элементов. Она не означает, что все свойства повторяются абсолютно одинаково или что элементы соседнего столбца — одно и то же вещество.

Первый вариант таблицы был составлен в 1869 году. Дата 17 февраля по календарю, действовавшему тогда в России, соответствует 1 марта по современному календарю. Исторические изображения на визуальной странице — художественные реконструкции, а не копия архивного листа.

2. Семейства элементов со сходными свойствами

Литий, натрий и калий относятся к щелочным металлам. В их химическом поведении есть общее. Хлор, бром и иод принадлежат к семейству галогенов — активных неметаллов. Гелий, неон и аргон входят в семейство благородных газов, которые обычно гораздо менее склонны к реакциям.

Сходство следует понимать аккуратно. Натрий и калий — разные элементы: числа протонов в их ядрах различаются, значит, различаются и сами атомы. Галогены тоже не имеют одинакового внешнего вида и не ведут себя совершенно одинаково при любых условиях.

Водород в таблице часто помещают над щелочными металлами, но он не является щелочным металлом. Расположение в столбце помогает сопоставить отдельные черты, однако школьная таблица не заменяет полного описания химического поведения.

Сравни свойства элементов одного семейства

Если у нескольких элементов похожие свойства и они оказываются в одном столбце, их можно рассматривать как семейство. Но принадлежность к одному столбцу не даёт разрешения переносить любую характеристику одного элемента на все остальные без проверки.

3. Как Менделеев предсказал свойства неизвестных элементов

Менделеев не пытался заполнить таблицу любой ценой. Если порядок и сходство свойств требовали элемента, ещё неизвестного учёным, он оставлял пропуск. Затем по соседним элементам оценивал свойства будущего открытия: примерную атомную массу, плотность, поведение и состав некоторых соединений.

Такой пропуск был проверяемым предсказанием. В XIX веке были открыты галлий, скандий и германий, свойства которых подтвердили важные ожидания Менделеева. Галлий получил место под алюминием в соответствующем семействе. Значение открытия было в том, что таблица помогала узнавать неизвестное, а не только удобно хранить уже известное.

Не все догадки Менделеева сбылись. Это обычная часть развития науки: даже сильная закономерность и точные предсказания не делают каждую гипотезу автора верной. Система проверялась новыми данными и уточнялась.

Для обсуждения: чем пробел в такой таблице отличается от пустой клетки в плохо заполненной ведомости? У него были соседние элементы и ожидаемые свойства, с которыми можно сравнить результат открытия.

4. Почему сейчас порядок задаёт число протонов

Во времена Менделеева строение атома ещё не было известно. Он использовал известные ему атомные массы и свойства. Современная таблица расположена по возрастанию заряда ядра, то есть числа протонов Z. Именно Z определяет химический элемент. Слева направо и далее по следующим строкам порядковый номер увеличивается.

Например, у водорода Z = 1, у гелия Z = 2, у лития Z = 3. Если у атома восемь протонов, он принадлежит кислороду независимо от числа нейтронов. В нейтральном атоме кислорода восемь электронов. Если электронов стало меньше или больше, изменился заряд частицы, но элемент определяется теми же восемью протонами.

Закономерное изменение свойств связано со строением электронов атомов при увеличении заряда ядра. Подробное объяснение электронных уровней и причин сходства элементов впереди; в этом уроке достаточно научиться читать саму карту.

Порядковый номер Z = число протонов = заряд ядра в единицах +e

Для нейтрального атома число электронов также равно Z. Это равенство не означает, что протоны и электроны находятся в одной части атома: протоны в ядре, а электроны — вне ядра.

5. Горизонтали, вертикали и две формы таблицы

Период — горизонтальный ряд элементов. Всего периодов семь. Первый содержит водород и гелий. Второй и третий содержат по восемь элементов. Периоды дальше устроены сложнее и длиннее.

Группа — вертикальное объединение элементов. В коротком варианте таблицы выделяют восемь групп с римскими номерами I–VIII. Каждая из них делится на главную (A) и побочную (B) подгруппы. В современной длинной форме столбцы нумеруют от 1 до 18.

Если кто-то говорит «первая группа», уточни, какая форма перед ним и о какой подгруппе идёт речь. В короткой форме IA и IB имеют одну римскую цифру, но отличаются буквой и составом. В длинной форме элементы этих двух подгрупп стоят в отдельных столбцах 1 и 11.

Не всякий элемент столбца похож на соседей одинаковой степени. Особенно важен водород: он стоит в верхней клетке группы 1, но не является щелочным металлом. Благородные газы обычно химически малоактивны; слово «совершенно инертны» без оговорок не подходит для всей группы.

Интерактивная таблица на странице — выборочная карта, на которой выделены элементы для заданий. Пустые промежутки внутри этой карты не являются подлинными пропусками периодической системы. Сегодня признано 118 химических элементов.

6. Какие сведения содержит ячейка элемента

Рассмотрим фтор. В его клетке видны название, символ F, номер 9 и атомная масса около 18,9984 а. е. м. Номер даёт сразу несколько школьных выводов: в ядре атома фтора 9 протонов, заряд ядра равен +9e, а в нейтральном атоме 9 электронов.

Фтор стоит во втором периоде и главной подгруппе VII короткой таблицы; в современной длинной форме это группа 17. Он относится к галогенам. Расположение и состав клетки дают разные виды информации: название и символ указаны прямо, число электронов нейтрального атома находится из Z.

Атомная масса в клетке не равна массовому числу. Массовое число A конкретного изотопа — целое количество протонов и нейтронов. У наиболее распространённого природного изотопа фтора A = 19, но указанная масса атома фтора — приблизительно 18,9984 а. е. м. Массы частиц и связанность ядра делают точную массу нецелой.

У элементов с несколькими природными изотопами в таблице обычно приводят среднее значение относительной атомной массы с учётом распространённости изотопов. Поэтому число в клетке хлора не надо округлять и объявлять «массовым числом каждого атома хлора».

На иллюстрации урока показан флюорит CaF₂ — минерал, в состав которого входит фтор. Минерал не является образцом свободного простого вещества фтора F₂. Иллюстрация знакомит с элементом, но не даёт инструкции по работе с реакционноспособным газом.

7. Разобранные примеры

Элемент № 8

Z = 8, значит, это кислород O. В его ядре 8 протонов, заряд ядра +8e. В нейтральном атоме 8 электронов. Кислород стоит во втором периоде и главной подгруппе VI короткой таблицы, в длинной — в группе 16. По одному Z нельзя назвать число нейтронов: нужно знать, какой изотоп рассматривается.

Третий период, главная подгруппа III

На пересечении третьего периода и IIIA находится алюминий Al. Его номер 13, поэтому ядро содержит 13 протонов, а нейтральный атом — 13 электронов. Современная длинная группа — 13. Не путай эту группу с современным столбцом 3.

Две «первые» подгруппы

В короткой форме Li, Na, K относятся к IA, а Cu, Ag, Au — к IB. Буква существенна. В длинной форме эти наборы соответствуют группам 1 и 11. Это пример того, почему всегда полезно называть форму таблицы.

8. Типичные ошибки

• «Менделеев первым заметил любое сходство». Сходные семейства и повторяемость исследовали до него. Он сформулировал общий закон и сделал проверяемые предсказания.
• «Таблица до сих пор идёт только по массе». Современный порядок задаёт число протонов, или заряд ядра.
• «Период — столбец». Период — горизонтальный ряд.
• «В короткой и длинной таблице одинаково восемь групп». В учебной короткой форме восемь групп с A/B, в длинной — 18 столбцов.
• «Водород — щелочной металл». Он занимает верхнюю позицию столбца, но щелочным металлом не является.
• «18,9984 — число частиц фтора». Это атомная масса в а. е. м.; массовое число фтора-19 — 19.
• «Пустые клетки учебной интерактивной схемы — неоткрытые элементы». Схема показывает лишь выбранные элементы. Исторические пропуски Менделеева имели другое значение.

9. Самопроверка с ответами

1. Почему Менделеев оставлял пропуски в своей системе?
2. Чем современный порядок элементов отличается от исторического исходного подхода?
3. К какому периоду и современной группе относится фтор?
4. У нейтрального атома элемента Z = 13. Назови элемент, число протонов и электронов.
5. Какая подгруппа короткой таблицы содержит натрий? А медь?
6. Почему 18,9984 а. е. м. у фтора не означает 18,9984 нейтрона?
7. Где находится элемент третьего периода главной подгруппы III?
8. Почему флюорит нельзя подписать как «чистый фтор»?

Открыть ответы и объяснения

1. Он ожидал существования неизвестных элементов на этих местах и оценивал их свойства по закономерности и соседям.
2. Менделеев опирался на известные тогда атомные массы и свойства; современная таблица упорядочена по числу протонов Z.
3. Второй период; группа 17, или VIIA в короткой форме.
4. Алюминий Al: 13 протонов и 13 электронов.
5. Натрий — IA; медь — IB. В длинной форме это группы 1 и 11.
6. Это атомная масса в специальных единицах. Нейтроны считаются целыми штуками, а массовое число фтора-19 равно 19.
7. Алюминий Al, № 13.
8. Флюорит — соединение CaF₂, содержащее фтор, а не простое вещество F₂.

10. Заметки для учителя

Цель. Ученик объясняет вклад Менделеева без исторического упрощения, находит элемент по Z, периоду и группе, связывает Z с протонами и электронами нейтрального атома, различает короткую и длинную формы таблицы и не смешивает атомную массу с массовым числом.

Маршрут на 40–45 минут. Начните с семейства Li–Na–K и спросите, можно ли организовать все известные тогда элементы. Перейдите к пробелам и предсказаниям Менделеева, дайте ученикам выбрать гипотезу о будущем галлии. На закреплённой учебной карте последовательно обсудите номер, период, группу и букву подгруппы. Затем разберите клетку фтора, задачу с кислородом и тест. Полный текст можно распечатать.

Методика интерактива. Историческое сравнение использует две художественные картинки; перетаскивание не открывает достоверный архивный вид. Четыре шага у таблицы меняют смысл подсветки, а не содержание науки. Интерактивная сетка намеренно выборочная; при необходимости держите рядом полный вариант периодической таблицы.

Корректность терминов. Сравниваем короткую форму I–VIII с обозначениями A/B. Для справки показываем нумерацию групп 1–18, распространённую в современной длинной форме. Подчёркивайте, что IA и IB не один и тот же столбец современной формы, что H — не щелочной металл, а благородные газы не следует описывать абсолютно не вступающими в реакции.

Связь с соседними уроками. Здесь используем результат урока 5: элемент определяется числом протонов. В следующем уроке атомы начнут соединяться в молекулы. Возвращаясь к таблице, ученик сможет читать символы в формулах.