Оқылым периодической таблицы
Периодическая таблица позволяет по положению элемента восстановить строение его атома: число протонов, электронов и нейтронов, распределение электронов по энергетическим уровням и общие химические свойства. Сначала важно научиться читать данные клетки элемента, а затем связывать их с периодом, группой и блоком.
1. Какие данные читать в клетке элемента
В клетке элемента обычно указаны его порядковый нөмір \(Z\), символ, название и относительная атомная масса \(A_r\). Порядковый номер — главный ориентир: он равен заряду ядра, то есть числу протонов в ядре атома. В нейтральном атоме число электронов также равно \(Z\).
Порядковый нөмір \(Z\) — число протонов в ядре атома. Он определяет химический элемент: атомы с разным числом протонов относятся к разным элементам.
Относительная атомная масса в таблице чаще всего является дробным числом, например \(35{,}45\) для хлора. Это среднее значение масс природных изотопов. Для расчёта числа нейтронов в конкретном атоме используют массовое число \(A\) — целое число, равное сумме протонов и нейтронов. В школьных задачах относительную атомную массу обычно округляют до ближайшего целого.
Не путайте относительную атомную массу \(A_r\) и массовое число \(A\). \(A_r\) может быть дробной и характеризует природную смесь изотопов, а \(A\) — целое число для конкретного атома или изотопа.
| Величина | Что показывает | Как определить |
|---|---|---|
| \(Z\) | число протонов и заряд ядра | считывают из клетки |
| \(p\) | число протонов | \(p=Z\) |
| \(e\) | число электронов в нейтральном атоме | \(e=Z\) |
| \(A\) | протоны + нейтроны | обычно округляют \(A_r\) |
| \(n\) | число нейтронов | \(n=A-Z\) |
2. Период, группа и электронные уровни
Положение элемента в периодической системе даёт важные сведения о его атоме. Номер периода равен числу занятых электронных слоёв, или энергетических уровней, в основном состоянии атома. Например, атом натрия находится в третьем периоде, поэтому его электроны распределены по трём уровням.
Для элементов главных подгрупп номер группы помогает определить число электронов на внешнем уровне. Для групп 1 и 2 это соответственно 1 и 2 электрона. Для групп 13–18 число внешних электронов равно номеру группы минус 10: у кислорода из группы 16 — 6 внешних электронов, у хлора из группы 17 — 7.
Номер периода показывает число занятых энергетических уровней. Для элементов главных подгрупп номер группы указывает число валентных электронов: для групп 1–2 — непосредственно, для групп 13–18 — как номер группы минус 10.
Максимальная вместимость энергетического деңгейі определяется формулой \(2n^2\), где \(n\) — номер уровня. В школьных задачах для первых двадцати элементов обычно используют распределение по оболочкам: первый уровень — до 2 электронов, второй — до 8, третий — до 8, четвёртый начинает заполняться после этого.
Полную запись распределения электронов по подуровням называют электронной конфигурацией. Подуровни обозначают буквами \(s\), \(p\), \(d\), \(f\). Блоки периодической системы связаны с тем, какой подуровень заполняется последним: \(s\)-, \(p\)-, \(d\)- или \(f\)-подуровень.
- \(s\)-подуровень вмещает 2 электрона.
- \(p\)-подуровень вмещает 6 электронов.
- \(d\)-подуровень вмещает 10 электронов.
- \(f\)-подуровень вмещает 14 электронов.
Сколько протонов, электронов и нейтронов содержит нейтральный атом фтора \(^{19}_{9}\mathrm{F}\)?
3. Как записывать электронную конфигурацию
Электроны заполняют подуровни в порядке увеличения энергии. Для элементов первых четырёх периодов часто достаточно последовательности \(1s\), \(2s\), \(2p\), \(3s\), \(3p\), \(4s\), \(3d\), \(4p\). Число перед буквой обозначает нөмір деңгейі, верхний индекс — число электронов на подуровне.
Запомните начало ряда: \(1s^2\rightarrow2s^2\rightarrow2p^6\rightarrow3s^2\rightarrow3p^6\rightarrow4s^2\rightarrow3d^{10}\rightarrow4p^6\). Сумма верхних индексов должна равняться \(Z\) для нейтрального атома.
При записи конфигурации соблюдают три идеи: на одном подуровне сначала размещается допустимое число электронов, каждый электрон занимает отдельную орбиталь до начала спаривания, а электроны заполняют орбитали с меньшей энергией. Для школьного определения состава атома особенно важна проверка суммы электронов.
Если нужно быстро записать конфигурацию элемента главной подгруппы, сначала выпишите конфигурацию ближайшего благородного газа, а затем добавьте электроны внешнего уровня. Например, для серы: \([Ne]3s^23p^4\).
4. Разобранный пример: атом и ион серы
Определим состав атома серы, распределение электронов и состав иона \(\mathrm{S^{2-}}\). В таблице сера имеет \(Z=16\), а её относительная атомная масса приблизительно равна \(32{,}06\).
Для серы \(Z=16\), \(A_r\approx32\). Найдите число протонов, нейтронов и электронов в атоме, электронную конфигурацию, число внешних электронов и число электронов в ионе \(\mathrm{S^{2-}}\).
Следовательно, атом серы содержит 16 протонов, 16 электронов и примерно 16 нейтронов. На внешнем третьем уровне находятся 6 электронов, поэтому сера относится к группе 16 и обычно стремится получить ещё 2 электрона до устойчивой оболочки. В ионе \(\mathrm{S^{2-}}\) — 18 электронов, а число протонов не изменяется.
5. Как положение связано со свойствами
Положение элемента помогает предсказать тип простого вещества и характер его соединений. В левой части таблицы находятся преимущественно металлы, в правой — неметаллы. Граница между ними проходит условно по ступенчатой линии; подробнее её рассматривают на странице граница металлов и неметаллов. Водород расположен в первой группе, но по свойствам является неметаллом.
По номеру группы главной подгруппы можно оценить высшую степень окисления неметалла: для групп 14–17 она часто равна номеру группы минус 10. У кислорода и фтора есть важные исключения, а у элементов побочных подгрупп степени окисления могут быть переменными. Такие элементы относятся к d-элементам, а лантаноиды и актиноиды — к f-элементам.
В периоде слева направо обычно увеличивается заряд ядра и уменьшается атомный радиус, а неметаллические свойства усиливаются. В группе сверху вниз число электронных уровней растёт, радиус увеличивается, металлические свойства усиливаются. Эти тенденции называют периодическими свойствами; на них влияют эффективный заряд ядра и экранирующий эффект.
Номер группы не всегда равен числу всех электронов или числу электронов на последнем уровне. Для переходных элементов нужно учитывать \(d\)-подуровень. Также нельзя считать относительную атомную массу точным числом нейтронов без округления и уточнения изотопа.
Алгоритм шешімдер тапсырмалардың по клетке элемента
- Найдите порядковый нөмір \(Z\) и символ элемента.
- Определите число протонов: \(p=Z\).
- Для нейтрального атома запишите \(e=Z\); для катиона вычтите заряд, для аниона прибавьте его модуль.
- Округлите \(A_r\) до \(A\) и вычислите \(n=A-Z\), если требуется число нейтронов.
- По периоду определите число занятых уровней, по группе — число внешних электронов, если элемент относится к главной подгруппе.
- Запишите конфигурацию и проверьте, что сумма электронов совпадает с рассчитанным числом.
Проверь себя
Главное
- Порядковый нөмір \(Z\) равен числу протонов и электронов нейтрального атома.
- Число нейтронов находят по формуле \(n=A-Z\), где \(A\) — массовое число конкретного изотопа.
- Номер периода показывает число занятых энергетических Деңгейлер.
- Для главных подгрупп нөмір группы позволяет определить число внешних электронов.
- Электронная конфигурация записывается по подуровням, а сумма показателей степени должна равняться числу электронов.
- Заряд иона изменяет число электронов, но не число протонов.