Периодическая система химических элементов: как читать таблицу Менделеева

Таблица Менделеева кажется набором клеток ровно до первой задачи: «Определите число протонов, электронов и энергетических уровней у серы». Потом выясняется, что почти все данные уже лежат перед глазами. Нужно лишь не путать номер элемента с его относительной атомной массой и понимать, зачем таблицу разбили на строки и столбцы.

Её обычно называют таблицей Менделеева. Точнее говорить «периодическая система»: это не картинка на стене, а способ увидеть связи между строением атома и свойствами вещества. Например, натрий и калий стоят в одном столбце, потому что оба легко отдают один внешний электрон. Поэтому они похожи по химическому поведению, хотя калий заметно активнее.

Что показывает периодическая система

В современном варианте таблицы 118 элементов. Их порядок задаёт не масса, а порядковый номер, то есть заряд ядра. У водорода номер 1, у гелия 2, у лития 3. Увеличивается заряд ядра, добавляется электрон, меняется электронное строение. После заполнения внешнего уровня похожая схема начинает повторяться. Отсюда и слово «периодическая».

В ячейке чаще всего печатают символ элемента, русское или латинское название, порядковый номер и относительную атомную массу. Дизайн у школьных таблиц разный: где-то ещё есть электронные конфигурации, степени окисления, плотность или температура плавления. Для базовых задач хватит четырёх вещей: номера, массы, периода и группы.

Латинский символ надо запоминать вместе с названием. Железо обозначают Fe (от ferrum), натрий - Na (natrium), калий - K (kalium), серебро - Ag (argentum). Это не попытка химии усложнить жизнь: символы пришли из истории названий и одинаковы во всём мире.

Порядковый номер и строение атома

Порядковый номер, обозначают Z, показывает число протонов в ядре. У кислорода Z = 8, значит в его ядре 8 протонов. У нейтрального атома электронов столько же, сколько протонов: тоже 8. Вот самое полезное правило для школьной химии.

С хлором это выглядит так: Z = 17, относительная атомная масса примерно 35,5. В задачах её обычно округляют до 36. Тогда у наиболее распространённого варианта атома 17 протонов, 17 электронов и около 19 нейтронов. Слово «около» здесь не случайно: атомная масса в таблице усредняет массу природной смеси изотопов. Когда в условии назван конкретный массовый номер, используют именно его.

У иона число электронов меняется. Ион Mg²⁺ образуется, когда магний с номером 12 отдал два электрона: протонов осталось 12, электронов стало 10. У иона Cl^-, наоборот, 17 протонов и 18 электронов. Заряд удобно проверять разностью: больше протонов - плюс, больше электронов - минус.

Периоды: горизонтальные строки

Период - горизонтальная строка таблицы. Всего их семь. Номер периода показывает число занятых энергетических уровней в атоме основного состояния. Литий расположен во втором периоде: его электроны распределяются как 2, 1, значит уровней два. Кальций находится в четвёртом: 2, 8, 8, 2.

Первый период короткий, в нём два элемента: водород и гелий. Второй и третий содержат по восемь элементов. Четвёртый и пятый длиннее. Шестой и седьмой включают вынесенные вниз лантаноиды и актиноиды. Их вынесли не потому, что они «второстепенные», а чтобы таблица не стала широкой, как школьная доска.

При движении слева направо в периоде заряд ядра растёт. Электроны сильнее притягиваются к ядру, атомные радиусы в целом уменьшаются, а металлические свойства ослабевают. Это общая тенденция, не повод механически ставить знак равенства между соседями. Химия любит исключения, особенно в переходных элементах.

Группы: вертикальные столбцы

Группа - вертикальный столбец. В современной нумерации их 18. Для главных подгрупп школьное правило простое: элементы одной группы имеют похожее строение внешнего уровня и потому похожие свойства. У лития, натрия и калия по одному электрону на внешнем уровне. Все три дают катион с зарядом +1 и энергично реагируют с водой. Калий реагирует так бурно, что этот опыт без учителя лучше не повторять.

Полезно узнавать несколько семейств. В 1-й группе находятся щелочные металлы, во 2-й - щёлочноземельные. В 17-й группе расположены галогены: фтор, хлор, бром, йод. В 18-й - благородные газы, у которых внешний уровень заполнен. Поэтому гелий, неон и аргон обычно малоактивны, хотя слово «инертные» не означает «совсем не вступают в реакции».

В старых учебниках встречаются группы IA, IIA, VIIA и VIII. Это прежняя система с главными и побочными подгруппами. Если преподаватель пользуется ею, смотрите на букву A: для элементов главных подгрупп она помогает определить число внешних электронов. Но в международной записи лучше ориентироваться на группы 1-18.

Металлы, неметаллы и полуметаллы

Большая часть элементов таблицы - металлы. Они занимают левую и центральную части: литий, алюминий, железо, медь. Типичный металл проводит ток и тепло, имеет металлический блеск, в реакциях чаще отдаёт электроны. Но «типичный» тут важнее любого списка: ртуть жидкая при комнатной температуре, а натрий режется ножом.

Неметаллы находятся в правом верхнем углу: кислород, азот, сера, хлор. Они обычно принимают электроны или образуют с другими неметаллами общие электронные пары. Между областями металлов и неметаллов проходит условная ступенчатая линия. Рядом с ней стоят полуметаллы, например кремний и германий. Их свойства промежуточные; кремний поэтому так полезен в электронике.

Водород живёт особой жизнью. В таблице его ставят над щелочными металлами из-за одного электрона, но по свойствам он неметалл. В ответе «водород - щелочной металл» будет ошибка. Положение в группе показывает сходство электронного строения, а не отменяет реальную химию элемента.

Как получить сведения об элементе

Возьмём фосфор P. Его номер 15, он расположен в третьем периоде и 15-й группе. Из этого сразу следует: в ядре 15 протонов, у нейтрального атома 15 электронов, занято три энергетических уровня. Распределение электронов по уровням: 2, 8, 5. На внешнем уровне пять электронов.

Дальше можно сделать аккуратный прогноз. Фосфор - неметалл, потому что находится справа от «ступеньки». На внешнем уровне ему не хватает трёх электронов до восьми, но в реальных соединениях он часто образует ковалентные связи, а не просто превращается в P^3-. Самые известные степени окисления фосфора: -3, +3 и +5. Их полезно сверять с таблицей степеней окисления, если она дана: периодическая система подсказывает направление, но не заменяет правила конкретных реакций.

Относительная атомная масса фосфора равна примерно 31. Значит, молярная масса атомов фосфора численно равна 31 г/моль. Для вещества P₂O₅ расчёт уже другой: 2 × 31 + 5 × 16 = 142 г/моль. Индексы в формуле умножают массу каждого элемента. На таких местах чаще всего теряют баллы: видят кислород и прибавляют 16 один раз.

Типовая задача

Задание: определите состав атома и положение в периодической системе для алюминия, если его порядковый номер 13, а массовое число 27.

• Протонов: 13, это порядковый номер.
• Электронов в нейтральном атоме: 13.
• Нейтронов: 27 - 13 = 14.
• Электронов по уровням: 2, 8, 3. Значит, уровней три и элемент в третьем периоде.
• На внешнем уровне три электрона. Алюминий расположен в 13-й группе (в старой записи IIIA), это металл.

Проверка занимает десять секунд: 13 протонов плюс 14 нейтронов дают 27, а 2 + 8 + 3 дают 13 электронов. Если сумма не сошлась, ошибка есть даже тогда, когда строка и группа названы правильно.

Ошибки и краткая шпаргалка

Самая частая путаница: из относительной атомной массы делают число протонов. У хлора масса 35,5, но протонов 17. Вторая ошибка: считают нейтроны по дробной массе без округления. Для учебной задачи берут массовое число из условия или округляют массу, если преподаватель разрешил.

• Порядковый номер = число протонов; у нейтрального атома ещё и число электронов.
• Номер периода = число энергетических уровней.
• Элементы одной группы похожи по строению внешнего уровня.
• Слева и в центре преобладают металлы, справа сверху - неметаллы.
• Для нейтронов: массовое число - порядковый номер.
• Молярная масса вещества: сложите атомные массы с учётом индексов.

Таблицу полезнее не зубрить целиком, а «читать» на каждом элементе: номер, период, группа, тип элемента, электроны. После десятка таких разборов она перестаёт быть плакатом и начинает работать как хорошая шпаргалка.