Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 12. Періодична система хімічних елементів, її структура

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

пояснити принцип створення та розвитку періодичної системи;
розповісти про складники періодичної системи.

З таблицею періодичної системи хімічних елементів ви ознайомились у 7 класі та користувались нею як довідковою. Настав час докладніше вивчити її структуру й за потреби використовувати набуті знання.

СТВОРЕННЯ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВИМ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Одночасно з відкриттям періодичного закону Д. І. Менделєєв працював над створенням періодичної системи хімічних елементів. Для цього суцільний ряд елементів, укладений (вибудуваний) за збільшенням відносної атомної маси хімічних елементів, учений розбив на коротші ряди та розмістив їх таким чином, щоб елементи з однакових груп хімічних елементів були розташовані один під одним. При цьому виявилося, що в деяких місцях розташування елементів певних груп не збігалося. Та вчений був твердо переконаний у достовірності періодичного закону, а тому висунув два припущення:

1) атомні маси деяких елементів потребують уточнення;
2) повинні існувати ще не відкриті елементи, і для них слід залишити вільні клітинки в таблиці.

І ці припущення він перевірив.

Наведемо приклади.

Приклад 1. До початку роботи Д. І. Менделєєва над створенням класифікації елементів вважалося, що в Берилію відносна атомна маса 13,5. У такому разі він мав би розміститися між Карбоном і Нітрогеном. Це призвело б до того, що подібні елементи не потрапили б в одну групу. Тоді Дмитро Іванович звернув увагу на те, що за формою та властивостями сполук Берилій має зайняти місце між Літієм і Бором, і висловив припущення про помилку у визначенні відносної атомної маси Берилію. Експериментальні дослідження підтвердили правильність припущення Д. І. Менделєєва.

Приклад 2. Д. І. Менделєєв вважав, що, крім відомих на той час 63 хімічних елементів, є й інші, поки що не відкриті. Для них він залишив порожні клітинки. Наприклад, такими були клітинки з порядковими номерами 21, 31, 32. Дмитро Іванович не лише залишив місця в таблиці періодичної системи для хімічних елементів із цими порядковими номерами, а й правильно описав їхні властивості. Усі три елементи були відкриті за життя Д. І. Менделєєва й дістали назви Скандій, Галій, Германій. Їхні властивості збіглися з передбаченими властивостями. Після цих відкриттів періодичний закон здобув світове визнання, а таблиця періодичної системи як графічне відображення закону стала таблицею номер один для всіх хіміків і тих, хто вивчає хімію у школі чи університеті.

Періодичною системою називається впорядкована множина хімічних елементів та їх класифікація.

Те, що інертним та деяким іншим елементам, відкритим після відкриття періодичного закону в 1869 р., знайшлося місце в таблиці періодичної системи, свідчить про універсальність періодичного закону.

ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА, ЇЇ ФОРМА ТА СТРУКТУРА. Прообразом сучасної періодичної системи була таблиця (мал. 26) «Дослідження системи елементів, що ґрунтується на їхній атомній вазі та хімічній подібності», оприлюднена Д. І. Менделєєвим 1 березня 1869 р.

Мал. 26. Таблиця «Дослідження системи елементів, що ґрунтується на їхній атомній вазі та хімічній подібності», оприлюднена Д. І. Менделєєвим 1 березня 1869 р.

Протягом двох із половиною років учений удосконалював систему розподілом елементів на групи, періоди, ряди, після чого вона набула сучасних обрисів.

За роки існування періодичної системи пропонувалася велика кількість варіантів її графічного зображення. Це були переважно таблиці, хоча траплялися і геометричні фігури, спіралі тощо. Найбільше визнання здобули дві табличні форми — коротка (передній форзац) та довга (задній форзац підручника).

У структурі обох форм таблиці розрізняють періоди та групи.

Періодом називається горизонтальний ряд елементів, який розпочинається лужним металічним елементом і закінчується інертним елементом (мал. 27). Виняток становить перший період, який починається Гідрогеном і містить лише два елементи.

Мал. 27. Період у періодичній системі

Усього в періодичній системі 7 періодів, їх позначено арабськими цифрами від 1 до 7.

Група — це вертикальний стовпчик елементів, подібних за властивостями та формою їхніх сполук (мал. 28).

У короткій формі періодичної системи — 8 груп. Вони пронумеровані римськими цифрами від І до VIII (мал. 28).

Мал. 28. Група короткої форми періодичної системи

Користуючись короткою формою періодичної системи, наведіть по два приклади хімічних елементів кожної з восьми груп.

БУДОВА КОРОТКОЇ ФОРМИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Зверніть увагу на те, що за номерами періодів у короткій формі періодичної системи йдуть номери рядів, позначені також арабськими цифрами від 1 до 10. Як бачимо, рядів більше, ніж періодів. Це свідчить про те, що окремі періоди складаються більш ніж з одного ряду. Зверніться до короткої форми періодичної системи, і ви побачите, що перший, другий і третій періоди утворені з одного ряду, а четвертий, п’ятий, шостий та сьомий періоди складаються з двох рядів — парного й непарного.

Періоди, що складаються з одного ряду, називаються малими, а періоди, що складаються з двох рядів, — великими.

Як ви знаєте, повторюваність властивостей хімічних елементів та їхніх сполук відбувається періодично, тобто через певну кількість елементів. Зрозуміло, в малих періодах періодична повторюваність властивостей і форм сполук настає швидше, ніж у великих періодах.

За допомогою короткої форми періодичної системи з’ясуйте, які періоди належать до малих, а які — до великих. Зверніться до довгої форми періодичної системи та переконайтеся у відсутності в ній рядів.

Розглянемо особливості груп короткої форми періодичної системи хімічних елементів на прикладі сьомої групи. Розпочинається вона Флуором. Чітко під ним в один стовпчик записано всі інші галогени. Вони утворюють головну підгрупу VII групи. Зверніть увагу на те, що серед них є представники і малих, і великих періодів. У цієї групи є ще один стовпчик елементів, що не ввійшов до галогенів. Він розпочинається лише із четвертого періоду металічним елементом Манганом (Мn). Чітко під ним розташовані Технецій (Тс), Реній (Re), Борій (Bh). Разом вони утворюють побічну підгрупу хімічних елементів VII групи короткої форми періодичної системи.

За періодичною системою з’ясуйте, скількома елементами відокремлюються лужні металічні елементи Натрій і Калій, а скількома — Калій і Рубідій.

У складі головних підгруп є елементи і малих, і великих періодів. У складі побічних підгруп є елементи лише великих періодів.

Головні підгрупи першої і другої груп складаються тільки з металічних елементів (окрім Гідрогену). Починаючи з третьої групи, у головних підгрупах містяться і неметалічні хімічні елементи (ними головні підгрупи починаються), і металічні. Головні підгрупи VII та VIII груп короткої форми періодичної системи повністю складаються з неметалічних елементів. У всіх побічних підгрупах розташовані виключно металічні елементи.

Ви знаєте, що зі збільшенням відносної атомної маси елементів неметалічні властивості галогенів послаблюються, а металічні властивості лужних елементів посилюються. Ці закономірності притаманні елементам головних підгруп.

У межах головної підгрупи зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента металічні властивості посилюються, а неметалічні — послаблюються.

У нижній частині періодичної системи під сьомим періодом є ще чотири горизонтальні рядки, що мають назви: «Вищі оксиди», «Леткі сполуки з Гідрогеном», «Лантаноїди», «Актиноїди».

У рядку «Вищі оксиди» для кожної групи подано загальну формулу оксиду з максимальною валентністю елемента. Хоча із цього загального правила існують винятки, наприклад, Купрум розміщений у І групі, проте формула вищого оксиду CuО, Флуор — у VII групі, а формула сполуки з Оксигеном — OF₂.

Загальні формули летких сполук з Гідрогеном (таку назву мають газоподібні сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном) записано лише під четвертою, п’ятою, шостою та сьомою групами. Саме в цих групах розміщені неметалічні елементи. А оскільки неметалічні елементи в періодичній системі розміщено лише в головних підгрупах, то зазначені загальні формули летких сполук з Гідрогеном стосуються неметалічних елементів головних підгруп. Наприклад, у головній підгрупі IV групи розміщено два неметалічні елементи — Карбон і Силіцій. Зважаючи на загальну формулу RH₄, складаємо формули їхніх сполук з Гідрогеном: СН₄ та SiH₄.

Скористайтеся цією закономірністю, щоб з’ясувати: у якого з елементів II групи головної підгрупи — Магнію чи Кальцію — більш виражені металічні властивості; в Оксигену чи Сульфуру (VI група головна підгрупа) більш виражені неметалічні властивості.

Обчисліть валентність елемента, позначеного в загальних формулах вищих оксидів великою літерою R, і ви переконаєтеся, що вона дорівнює номеру групи.

ЛАНТАНОЇДИ Й АКТИНОЇДИ. Знайдемо в таблиці періодичної системи елемент із порядковим номером 57. Це Лантан. Він розміщений у шостому періоді, третій групі, побічній підгрупі. Зверніть увагу на те, що наступний елемент Гафній має порядковий номер не 58, а 72. І це не помилка. Елементи з порядковими номерами 58-71 винесено за межі послідовного розміщення елементів у періодичній системі в рядок з назвою «Лантаноїди». Аналогічно вчинили з елементами, що мають порядкові номери 90-103. Їх можна знайти в рядку «Актиноїди».

Лантаноїди та актиноїди з’явилися в періодичній системі на початку XX ст., коли за короткий час відбулося відкриття близько 40 нових елементів. На той час у таблиці періодичної системи вільними залишалися лише сім клітинок у шостому та сьомому періодах, тоді як розташовувати потрібно було 28 хімічних елементів. Оскільки 14 елементів (порядкові номери 58-71) мають спільні характеристики з Лантаном, їх назвали лантаноїдами й винесли в окремий рядок таблиці періодичної системи. Подібним чином розмістили й елементи з порядковими номерами 90-103, названі актиноїдами (мал. 29).

Мал. 29. Лантаноїди й актиноїди в таблиці періодичної системи

ДОВГА ФОРМА ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ. У довгій формі періодичної системи також 7 періодів, але ряди відсутні. Груп не 8, а 18, які позначені літерами А та Б.

У групах А довгої форми періодичної системи розташовані ті самі хімічні елементи, що в головних підгрупах короткої форми періодичної системи, групи Б відповідають складу побічних підгруп.

Першими розташовані групи ІА і ІІА, за ними — десять груп Б, після яких періоди продовжують і завершують групи ІІІА, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA.

Елементів груп Б немає в перших трьох періодах, а є лише в 4-7 періодах. Ознайомимося ближче з елементами груп Б на прикладі 4 періоду (порядкові номери 21-30). Їх усього 10, і вони належать до металічних елементів. Відшукаємо їхнє місце в короткій формі таблиці періодичної системи. У ній їх розташовано під цими самими порядковими номерами в побічних підгрупах I-VIII груп.

У будь-якій формі таблиці елементи легко відшукати, якщо пам’ятати, що їх розміщено згідно з їхніми протонними числами (порядковими номерами).

Стисло про основне

• Періодична система — сукупність хімічних елементів, розміщених за зростанням заряду ядер атомів і впорядкованих у формі таблиці, що є графічним зображенням періодичного закону.

• Коротка форма таблиці періодичної системи складається із 7 періодів і 8 груп хімічних елементів, що поділяються на головну й побічну підгрупи. У довгій формі таблиці періодичної системи 7 періодів і 18 груп (групи А і Б).

• У періоді зі зростанням зарядів ядер атомів хімічних елементів відбувається поступовий перехід від металічних властивостей до неметалічних.

• У групах розміщено хімічні елементи з подібними властивостями та формами сполук.

• Періодичність властивостей хімічних елементів підтверджується тим, що в різних періодах наявні елементи з подібними властивостями та однаковою формою оксидів, летких сполук з Гідрогеном.

Сторінка ерудита

Свідченням того, що періодичний закон передбачає добудову періодичної системи, є залишені Д. І. Менделєєвим вільні клітинки для ще не відкритих елементів, опис властивостей деяких із них. Так, між Силіцієм і Станумом залишалася незаповненою клітинка 32, у якій, за висловленим у 1871 р. Д. І. Менделєєвим передбаченням, має розміститись елемент під умовною назвою «екасиліцій».

У 1886 р. німецький учений Клеменс Вінклер, аналізуючи один з мінералів, виявив у ньому новий елемент. Учений виділив елемент у вигляді простої речовини, добув його солі, вивчив властивості й назвав на честь своєї країни Германієм.

У таблиці 8 подано порівняння властивостей хімічного елемента з порядковим номером 32, передбачених Д. І. Менделєєвим, із властивостями відкритого К. Вінклером Германію.

Таблиця 8

Порівняння властивостей Екасиліцію і Германію

Ознаки порівняння	Екасиліцій Es, передбачений Менделєєвим	Германій Ge, відкритий Вінклером
Властивості металів	плавкий метал, здатний за сильного нагрівання випаровуватись	сірий метал, плавиться за 936 °С, за вищих температур випаровується
Атомна маса	≈ 72	72,59
Густина	≈ 5,5 г/см³	5,35 г/см³ за 20 °С
Вищий оксид	EsO₂, повинен легко відновлюватися, густина ≈ 4,7 г/см³,	GeO₂, легко відновлюється вугіллям чи воднем до металу, густина — 4,703 г/см³
Бінарна сполука із Хлором	EsCl₄ — рідина з температурою кипіння ≈ 90 °С і густиною ≈ 1,9 г/см³	GeCl₄ — рідина з температурою кипіння 83 °С і густиною за 18 °С — 1,88 г/см³

Знаємо, розуміємо

1. Що називають періодичною системою?

2. Поміркуйте, у чому полягають подібність і відмінність короткої і довгої форм таблиці періодичної системи хімічних елементів.

3. Сформулюйте визначення періоду, ряду, групи, підгрупи хімічних елементів. Наведіть приклади.

Застосовуємо

30. З’ясуйте кількість елементів у періодах і заповніть таблицю.

Номер періоду	1	2	3	4	5	6	7
Кількість елементів

31. Поясніть, як змінюються властивості хімічних елементів зі збільшенням протонних чисел у:

а) періодах;
б) головних підгрупах (групах А).

32. Д. І. Менделєєв визначив атомну масу хімічного елемента з порядковим номером 32 як середнє арифметичне атомних мас сусідніх у періоді та групі елементів. Користуючись цим, обчисліть атомні маси елементів з порядковими номерами 12 і 23 та порівняйте їх із даними таблиці періодичної системи.

Зміст