§ 32. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

СТРУКТУРА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ЕЁ ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ

Слово «таблица» (от латинского tabula — доска) означает лишь форму упорядоченной записи информации по графам и строкам. В отличие от нее, слово «система» (от греческого systema — целое, составленное из частей) выражает глубокое внутреннее единство компонентов, связанных между собой объективными законами природы. Именно поэтому научный шедевр Д. И. Менделеева называют Периодической системой химических элементов.

Любая клетка Периодической системы несет исчерпывающую информацию о строении атома благодаря трем фундаментальным физическим закономерностям:

1. Порядковый номер химического элемента (Z):

Численно равен положительному заряду ядра атома (+Z), количеству протонов в ядре и общему числу отрицательных электронов на электронной оболочке нейтрального атома.

1. Номер периода (горизонтальный ряд):

В точности равен числу заполняемых энергетических уровней (электронных слоев) в атоме. Всего в современной системе 7 периодов.

1. Номер группы (вертикальный столбец, для главных А-подгрупп):

Показывает число электронов на внешнем (самом удаленном от ядра) энергетическом уровне атома.

ПРИРОДА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Самыми устойчивыми и энергетически выгодными в природе являются завершенные электронные оболочки благородных газов: двухэлектронный слой у гелия (дублет) и восьмиэлектронный внешний слой у остальных инертных элементов (завершенный октет).

Атомы всех остальных элементов стремятся обрести эту заветную устойчивость внешнего слоя, что достигается двумя диаметрально противоположными путями:

• Отдача электронов (металлические свойства):

Атомы с небольшим числом внешних электронов (1–3 электрона, типичные металлы) легче отдают эти электроны другим атомам. Отдав электроны внешнего слоя, атом превращается в положительный катион и обнажает устойчивый завершенный октет предвнешнего слоя. Чем легче атом отдает внешние электроны, тем сильнее выражены его металлические (восстановительные) свойства.

• Присоединение электронов (неметаллические свойства):

Атомы, внешнему уровню которых до завершения октета не хватает всего 1–3 электронов (типичные неметаллы), стремятся принять недостающие электроны от других атомов. Число недостающих электронов легко вычисляется: 8 минус номер группы (азоту VA-группы не хватает 8 - 5 = 3 электрона, кислороду VIA-группы — 8 - 6 = 2, фтору VIIA-группы — 8 - 7 = 1 электрон). Принимая электроны, атом превращается в отрицательный анион. Чем легче атом присоединяет недостающие электроны, тем сильнее выражены его неметаллические (окислительные) свойства.

РАДИУС АТОМА И ДВА ФАКТОРА АКТИВНОСТИ

Способность атома удерживать свои и притягивать чужие электроны всецело определяется двумя факторами: числом внешних электронов и радиусом атома (расстоянием от положительного ядра до внешнего электронного слоя).

Чем меньше внешних электронов на уровне, тем слабее они связаны с ядром и тем легче их отдать (металлы IA-группы отдают свой единственный электрон легче, чем металлы IIA-группы отдают два электрона). Напротив, чем больше внешних электронов, тем больше заряд ядра и тем легче притянуть недостающие электроны (галогенам VIIA-группы принять один электрон неизмеримо проще, чем халькогенам VIA-группы принять два).

Величина атомного радиуса играет решающую роль:

• Чем больше радиус атома, тем дальше внешние электроны отстоят от притягивающего ядра и тем сильнее экранируются внутренними электронными слоями. Следовательно, электроны легче оторвать (металлические свойства усиливаются), а удерживать чужие электроны становится труднее (неметаллические свойства ослабевают).
• Чем меньше радиус атома, тем ближе внешний слой к ядру и тем мощнее положительное ядро притягивает электроны. Отдать их становится крайне тяжело (металлические свойства падают), а захватить чужие электроны — очень легко (неметаллические свойства усиливаются).

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ В ПЕРИОДАХ И ГРУППАХ

На основе строения атомов раскрываются фундаментальные законы периодичности:

1. Изменение свойств в периоде (слева направо):

• Число электронных слоев остается неизменным (равно номеру периода).
• Заряд ядра монотонно растет (+1, +2, +3...), и число электронов на внешнем уровне увеличивается от 1 до 8.
• Вследствие возрастающего кулоновского притяжения положительного ядра к электронам внешний электронный слой сжимается — радиус атома закономерно уменьшается.
• Внешние электроны притягиваются все сильнее, поэтому способность отдавать электроны падает, а способность принимать чужие электроны возрастает.
• Вывод для периода: слева направо радиус атомов уменьшается, металлические свойства ослабевают, а неметаллические свойства усиливаются. Самый активный металл периода стоит в начале (щелочной металл), а самый активный неметалл — перед благородным газом (галоген).

2. Изменение свойств в главной подгруппе (сверху вниз):

• Число внешних электронов остается строго постоянным (равно номеру группы).
• Номер периода растет, а значит, увеличивается число электронных слоев вокруг ядра — радиус атома закономерно увеличивается.
• Внешние электроны все дальше удаляются от ядра, притяжение к ядру ослабевает.
• Оторвать внешний электрон становится все легче, а притянуть недостающий электрон со стороны — все сложнее.
• Вывод для группы: сверху вниз в главных подгруппах радиус атомов увеличивается, металлические свойства усиливаются, а неметаллические свойства ослабевают.

Благодаря этим закономерностям легко определить чемпионов Периодической системы:

• Франций (Fr) — элемент с наибольшим радиусом и одним внешним электроном — самый активный металл.
• Фтор (F) — элемент с наименьшим радиусом и семью внешними электронами — самый активный неметалл (самый электроотрицательный элемент во всей природе).

СОВРЕМЕННАЯ ФОРМУЛИРОВКА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

Раскрытие физического строения атома разрешило все исторические загадки и кажущиеся противоречия таблицы Менделеева (включая расположение калия и аргона). Стало очевидно, что фундаментальной первопричиной свойств элементов служит не атомная масса, а положительный электрический заряд атомного ядра.

Свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер.

Именно заряд ядра строго задает количество электронов на оболочке, квантовую структуру электронных слоев и обуславливает периодическое повторение числа внешних валентных электронов.