ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ
Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.
Величина положительного заряда ядра атома равна порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Атом электронейтрален, следовательно, число электронов в электронной оболочке атома равно заряду ядра или порядковому номеру элемента в периодической системе Z. Протон (р) – это частица с массой, равной 1 а. е. м., и зарядом + 1. Нейтрон (n) – это электронейтральная частица массой, близкой к массе протона. Заряд ядра атома определяется числом протонов, которые входят в его состав.
Следовательно, число протонов в ядре атома также равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.
Масса атома А равна сумме масс всех частиц, которые входят в атом:
А = масса протонов + масса нейтронов + масса электронов.
Maссa электронов настолько мала, что ею можно пренебречь, и масса атома определяется суммой масс его протонов и нейтронов. Общее число протонов и нейтронов называется массовым числом (А). Оно равно округленному до целого числа значению относительной атомной массы
Ar = Z + N,
где Ar – относительная атомная масса элемента; Z – число протонов (или порядковый номер элемента в периодической системе); N – число нейтронов.
Таким образом, число нейтронов в ядре атома равно разности между относительной атомной массой элемента и его порядковым номером:
N = Ar – Z.
Разновидности атомов одного элемента, обладающие одинаковыми зарядами ядер, но разными массовыми числами, называются изотопами.
Реакции, при которых изменяется состояние атомного ядра или ядро превращается в ядра новых элементов, называются ядерными.
Электроны в атоме характеризуются разной энергией, находятся на разном расстоянии от ядра и образуют разные энергетические уровни. Электроны, которые находятся на одинаковом расстоянии от ядра, образуют один энергетический уровень. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.
Порядок заполнения электронных орбиталей следующий:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14….
Пример 1. Опишите химические свойства элемента с порядковым номером 23 по его положению в периодической системе.
Решение. По периодической системе определяем, что элемент с порядковым номером 23 находится в четвертом периоде и в побочной подгруппе V группы. Этот элемент – ванадий V. Электронная формула V: 1s22s22p63s23p63d34s2. Следовательно, V – d-элемент.
Элемент может легко отдавать 2 электрона с 4-го уровня, проявляя степень окисления +2. При этом он образует оксид VO и гидроксид V(ОН)2, проявляющие основные свойства.
Газообразных водородных соединений ванадий не образует, так как расположен в побочной подгруппе.
Атом ванадия может также отдавать электроны с d-подуровня предпоследнего энергетического уровня (3 электрона) и, таким образом, проявлять высшую степень окисления +5 (численно равную номеру группы, в которой расположен элемент).
Оксид, соответствующий высшей степени окисления, V2О5. Этот оксид обладает кислотными свойствами. В качестве гидроксида ему соответствует неустойчивая метаванадиевая кислота HVO3 (соли ее – ванадаты – устойчивые соединения).
Пример 2. Изменение свойств элементов в больших периодах периодической системы. Каков характер изменения свойств элементов в четвёртом периоде периодической системы?
Решение. Четвёртый период содержит 18 элементов от К (Z=19) до Кr (Z=36). В атомах элементов третьего периода заполнены электронами только 3s – и 3р-орбитали третьего энергетического уровня, но десять 3d-орбиталей остаются свободными. Но у атомов элементов четвёртого периода начинает заполняться электронами 4s-орбиталь (при наличии свободных 3d-орбиталей), так как ядро экранизируется плотным электронным слоем 3s23p6. Заполнение d-оболочки третьего уровня начинается с Sc (Z=21) 3d1 и заканчивается у Cu (Z=29) 3d10. Постепенное заполнение электронами d –орбиталей третьего уровня нарушается у атомов Cr и Cu, у которых происходит «провал» электрона в s-состоянии (с четвёртого) внешнего энергетического уровня на предпоследний (третий). Десять элементов четвёртого периода (Sc-Zn), в атомах которых застраивается d-оболочка предпоследнего уровня, называются переходными. После цинка до криптона продолжается заполнение р-орбиталей четвёртого энергетического уровня.
В четвёртом периоде между типичным металлом (К) и типичным неметаллом (Вr) находится15 элементов (а не пять, как, например, в третьем периоде), из них 10 переходных элементов. Переходные элементы, в атомах которых заполняются d-оболочки предпоследнего уровня, меньше отличаются друг от друга по свойствам, чем элементы малых периодов. В больших периодах, в частности в четвёртом, ослабление металлических свойств элементов происходит медленнее, чем в малых периодах (только в конце периода находятся неметаллы). В больших периодах большинство элементов - металлы.
Пример 3. Изменение свойств элементов в главных и побочных подгруппах периодической системы. Как изменяются металлические свойства элементов в главных и побочных подгруппах периодической системы с увеличением заряда ядра атома элемента?
Решение. Главные подгруппы в группах периодической системы образуют s- и р-элементы, а побочные – d-элементы.
В главных подгруппах с увеличением заряда ядра атома элемента увеличивается радиус атома элемента, так как в этом направлении возрастает число электронных слоёв в атоме элемента. Поэтому в главной подгруппе сверху вниз нарастают металлические (восстановительные) свойства элементов.
В побочных подгруппах при переходе от первого элемента ко второму происходит увеличение радиуса атома элемента, а при переходят второго атома к третьему даже некоторое уменьшение. Это объясняется f-(лантаноидным) сжатием. Поэтому в побочных подгруппах с увеличением заряда ядра уменьшаются металлические свойства (за исключение побочной подгруппы третьей группы).
Следовательно, в пределах одной группы свойства элементов главной и побочных подгрупп различны. Различия в свойствах элементов главных и побочных подгрупп значительны для первой группы, затем они ослабевают. Так, элементы главной и побочной подгруппы третьей группы сравнительно близки по свойствам. Потом это различие в свойствах вновь усиливается и делается очень существенным в седьмой группе, где элементы подгруппы Mn сильно отличаются от галогенов.
Пример 4. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.
Решение. Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д. И. Менделеева, в которой он находится.
Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2np6).
Данные элементы находятся соответственно в главных подгруппах V, VI, VII-групп и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2р3, s2p4, s2p5. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома в соединениях таковы:
Аs +5 (высшая), –3 (низшая), например, As2O5, AsH3 соответственно,
Se +6 (высшая), –2 (низшая), например, SeO3, Na2Se соответсвенно,
Br +7 (высшая), –1 (низшая), например, КВrO4, KBr соответственно.
Пример 5. У какого из элементов четвертого периода марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?
Решение. Электронные формулы данных элементов:
25Mn 1s22s22p63s23p64s23d5
35Br 1s22s22p63s23p64s23d104p5
Марганец - d -элемент VII-группы побочной подгруппы, а бром - p- эле-мент VII-группы главной подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома - семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства более свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у марганца.
Ядерные реакции. Радиоактивность
Пример 6. Символ изотопа элемента 
. Укажите: а) название элемента; б) число нейтронов и протонов, содержащихся в ядре; в) число электронов, содержащихся в электронной оболочке атома.
Решение. В символе элемента нижний индекс указывает заряд ядра, численно совпадающий с номером элемента в периодической системе элементов, верхний массовое число А, представляющее собой сумму Z + N, где Z – число протонов (р) в ядре, определяющее заряд ядра, а N – число нейтронов (п) в ядре.
Заряд ядра атома искомого элемента 92 численно совпадает с номером элемента в периодической системе. Элемент № 92 – уран, символ U. Число нейтронов в данном ядре N = A – Z = 238 – 92 = 146. Число электронов в атоме равно заряду ядра; в данном случае число электронов равно 92.
Пример 7. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов 35Сl [75,5% (масс.)] и 37Cl [24,5% (масс.)]. Вычислите среднюю атомную массу природного хлора.
Решени е. Относительная атомная масса элемента Аr, которая приводится в периодической системе, - это средняя величина массовых чисел природных изотопов этого элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа. Поэтому
Аr(Cl) = 
Пример 8. Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа равен 3 часам. Какая масса его останется нераспавшейся через 18 часов, если первоначальная масса изотопа составляла 200 г?
Решение. Периодом полураспада (Т1/2) называется время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа. В течение первого периода полураспада распадается 1/2 часть от первоначального числа ядер изотопа N0 и остается 1/2 N0 = 2-1N0 ядер. В течение второго периода распадается половина от 2-1N0 и остается 1/2•2-1N0= 2-2N0 ядер и т.д. В конце n -го периода полураспада остается 2 -n N0 ядер исходного изотопа. Аналогичное выражение справедливо для массы (m) нераспавшегося изотопа: m = 2-n m 0, где m 0 - исходная масса изотопа.
За время хранения радиоактивного изотопа прошло 18/3 = 6 периодов полураспада (n = 6). Отсюда масса нераспавшегося изотопа, оставшаяся после 18 часов хранения, равна:
m = 2 –nm 0 = 2–6•200 = 200/64 = 3,125 г.
Пример 9. Изотоп углерода 11C образуется при бомбардировке протонами ядер атомов 14N. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.
Решение. При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер атомов химических элементов. С их помощью можно из атомов одних элементов получить атомы других элементов. Превращения атомных ядер записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом сумма массовых чисел и алгебраические суммы зарядов частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны:
14N + 1H → 11C + 4He
7 1 6 2
Сокращенная форма записи: 14N(p, α) 11С. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую - частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы 
, 
, 
, 
обозначают соответственно α, p, d, n.