§ 12. Періодична система хімічних елементів

Короткий і довгий варіанти графічного подання Періодичної системи

Ґрунтуючись на Періодичному законі, Д. І. Менделєєв створив класифікацію хімічних елементів, яку називають Періодичною системою. Зазвичай її подають у вигляді таблиці.

Мал. 12.1. Довгий варіант Періодичної системи хімічних елементів

Сьогодні частіше використовують два варіанти графічного подання Періодичної системи: короткий та довгий. Д. І. Менделєєв здебільшого використовував компактніший короткий варіант Періодичної системи (див. форзац 1). У ньому великі періоди розбиті на два рядки, у кожному з яких вища валентність елементів послідовно збільшується від І до VIII.

Якщо ж записати символи елементів кожного періоду в окремий рядок так, щоб кожна природна родина (лужні елементи, галогени, інертні елементи) утворювала окремий вертикальний стовпчик, то отримаємо довгий варіант Періодичної системи (мал. 12.1). Цей варіант був запропонований Альфредом Вернером значно пізніше після відкриття Періодичного закону.

Групи елементів. Головні й побічні підгрупи

Вертикальні стовпчики Періодичної системи називають групами. У короткому варіанті системи номери груп позначають римськими цифрами, а кількість груп дорівнює восьми. Номер групи зазвичай збігається з вищою валентністю хімічного елемента.

Мал. 12.2. Розподіл елементів VII групи за підгрупами

Кожну групу короткого варіанта поділяють на дві підгрупи — головну й побічну. Головні підгрупи складають елементи, в атомах яких заповнюються електронами s- або р-орбіталі, в атомах елементів побічних підгруп електронами заповнюються d-орбіталі.

Головні підгрупи також називають A-групами, а побічні — Б-групами. Наприклад: Флуор розміщений у групі VIIA, а Манган — у групі VIIБ (мал. 12.2). Побічні підгрупи містять лише металічні елементи (їх називають перехідними металічними елементами).

У нижній частині періодичної таблиці розміщені родини лантаноїдів і актиноїдів. Це елементи, що мають бути розміщені після Лантану (№ 57) й Актинію (№ 89) і також належать до ІІІБ групи. Однак розміщення цих елементів у таблиці зробило б її громіздкою й незручною, тому зазвичай їх виносять за її межі.

У більшості європейських країн користуються довгим варіантом періодичної таблиці, у якому число груп дорівнює 18. Номери груп у довгому варіанті таблиці позначають арабськими цифрами. У довгому варіанті головних і побічних підгруп немає, там вони утворюють окремі групи, наприклад: група 1 — лужні елементи, група 17 — галогени, група 18 — інертні елементи. Елементи побічних підгруп розміщені в групах від 3 до 12. Зверніть увагу, як співвідносяться номери груп у різних варіантах періодичної таблиці: номер групи в короткому варіанті дорівнює номеру в довгому мінус 10.

Властивості елементів у підгрупах

Підгрупи утворені елементами з подібними властивостями: родини лужних та інертних елементів, а також галогенів саме й становлять окремі підгрупи. Багато властивостей елементів закономірно змінюються в підгрупах зі збільшенням відносної атомної маси. У головних підгрупах зі збільшенням атомної маси посилюються металічні властивості елементів і утворених ними простих речовин, а неметалічні — послаблюються. Так, у підгрупі Карбону (головна підгрупа IV групи) Карбон і Силіцій є неметалічними елементами, Германій — напівметалічним, а Станум і Плюмбум — металічними.

Схожі властивості виявляють лише елементи, що належать до однієї підгрупи. Властивості елементів головної та побічної підгруп однієї групи можуть істотно відрізнятися. Наприклад, у VII групі є галогени — найтиповіші неметалічні елементи (головна підгрупа) і перехідні металічні елементи Манган, Технецій, Реній (побічна підгрупа) (мал. 12.2).

Чи є між ними щось спільне? Зазвичай в елементів однієї групи однакова вища валентність, яку вони виявляють у сполуках з Оксигеном, — вона дорівнює номеру групи.

Сполуки з Гідрогеном утворюють майже всі елементи, але леткі сполуки утворюють лише неметалічні елементи. Такі сполуки є речовинами молекулярної будови. Металічні елементи не здатні утворювати летких сполук із Гідрогеном.

У сполуках із Гідрогеном неметалічні елементи виявляють свою нижчу валентність. Щоб її визначити, треба від 8 відняти номер групи. Наприклад, Хлор, який розміщений у VII групі, у сполуці з Гідрогеном є одновалентним (8 - 7 = 1), тому формула цієї сполуки — НСl. Елемент V групи Фосфор у сполуці з Гідрогеном тривалентний (8 - 5 = 3), тому формула сполуки — РН₃.

Група ПС	І	II	III	IV	V	VI	VII
Вища валентність	І	II	III	IV	V	VI	VII
Вищий оксид	R₂O	RO	R₂O₃	RO₂	R₂O₅	RO₃	R₂O₇
Нижча валентність				IV	III	II	I
Летка сполука з Гідрогеном				RH₄	RH₃	H₂R	HR

Для зручності загальні формули вищих оксидів і летких сполук із Гідрогеном винесені в окремі рядки Періодичної системи (див. форзац 1). Слід пам’ятати, що формули летких сполук із Гідрогеном стосуються лише неметалічних елементів.

Латинське слово elementum використовували ще стародавні філософи. У давньоримському вислові зауважувалося: «Як слова складаються з букв, так само й тіла — з елементів».

Висновки

1. Графічним відображенням Періодичного закону є Періодична система. Найпоширенішими є її короткий та довгий варіанти. Вони відрізняються кількістю рядків, що відведені на один період. У довгому варіанті кожний період займає один рядок, а в короткому малі періоди розміщені в один рядок, а великі — у два.
2. Група хімічних елементів — це вертикальний стовпчик, що об'єднує елементи з подібними властивостями. У короткому варіанті Періодичної системи кожна група розділена на головну та побічну. Головні підгрупи складаються з елементів усіх періодів, а побічні — лише з елементів великих періодів.

Контрольні запитання

1. Чим розрізняються короткий і довгий варіанти Періодичної системи?
2. Що називають періодом, групою, головною й побічною підгрупою?
3. Як змінюються металічні та неметалічні властивості елементів у періодах? у головних групах?
4. Чому групи елементів у короткому варіанті Періодичної системи необхідно розділяти на головні й побічні підгрупи?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Назвіть хімічні елементи І групи Періодичної системи. Які з них належать до головної підгрупи, а які — до побічної?

2. У четвертому періоді п'ятій групі головній підгрупі Періодичної системи розміщений: а) Силіцій; б) Станум; в) Арсен; г) Стибій.

3. Які з наведених елементів належать до головних, а які — до побічних підгруп: Нітроген, Оксиген, Гідроген, Купрум, Ферум, Алюміній?

4. Визначте в кожному наведеному ряду один хімічний елемент, що відрізняється від інших за місцем у Періодичній системі: а) Н, Не, Ne, Аr; б) Fe, Co, Ni, Аr; в) H, Li, Be, В; г) F, Cl, Br, Μn.

5. Який хімічний елемент за властивостями подібний до Силіцію: а) Алюміній; б) Фосфор; в) Германій; г) Титан? Відповідь поясніть.

6. Складіть формулу вищого оксиду та формулу леткої сполуки з Гідрогеном (якщо вона існує) для таких елементів: а) Магній; б) Силіцій; в) Реній; г) Осмій; д) Телур; е) Радій.

7. У якого елемента сильніше виражені металічні (або неметалічні) властивості: а) у Бору чи Алюмінію; б) в Арсену чи Нітрогену; в) в Арсену чи Стибію? Відповідь обґрунтуйте.

8. Знайдіть у Періодичній системі елемент, що розміщений у четвертому періоді та виявляє однакові валентності у вищому оксиді та у сполуці з Гідрогеном.

9. Порядкові номери хімічних елементів А, Б і В дорівнюють, відповідно, n, n + 2, n + 4.

1) Якщо хімічний елемент А — найлегший галоген, то яким хімічним елементом буде Б?
2) Якщо хімічний елемент В — інертний, а Б — металічний, то яким хімічним елементом є А?
3) Якщо хімічні елементи А і Б належать до однієї групи, то яким хімічним елементом є В?
4) Чи можуть прості речовини, утворені А, Б і В, за звичайних умов бути газами?

10. Елементи А і Б належать до І групи, а елемент В — до VII групи. Сполука елементів А і В розчинна у воді, а сполука елементів Б і В має білий колір і нерозчинна у воді. Якими елементами можуть бути А, Б і В?

11. Визначте в Періодичній системі елемент, єдиний оксид якого має відносну молекулярну масу 40 ± 1, а валентність не більшу за IV. Доведіть, що існує лише один такий елемент.

12. Вищий оксид елемента, що утворює з Гідрогеном летку сполуку складу RH₄, містить 53,3% Оксигену. Назвіть цей елемент.

13. Елемент, вищий оксид якого відповідає формулі RO₃, утворює сполуку з Гідрогеном, що містить 2,47% Гідрогену. Назвіть цей елемент.

14. Виконайте навчальний проект № 2 «Форми Періодичної системи хімічних елементів».