2.5: Періодична таблиця

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22543

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Викладіть періодичний закон і поясніть організацію елементів у таблиці Менделєєва
Прогнозувати загальні властивості елементів на основі їх розташування в межах періодичної таблиці
Визначте метали, неметали та металоїди за їх властивостями та/або розташуванням у таблиці Менделєєва

Коли раніше хіміки працювали над очищенням руд і виявили більше елементів, вони зрозуміли, що різні елементи можуть бути згруповані разом за їх подібною хімічною поведінкою. До однієї з таких угруповань належать літій (Li), натрій (Na) і калій (K): всі ці елементи блискучі, добре проводять тепло і електрику, мають схожі хімічні властивості. Друга група включає кальцій (Ca), стронцій (Sr) та барій (Ba), які також є блискучими, хорошими провідниками тепла та електрики та мають спільні хімічні властивості. Однак специфічні властивості цих двох груп помітно відрізняються один від одного. Наприклад: Li, Na і K набагато більш реактивні, ніж Ca, Sr і Ba; Li, Na і K утворюють сполуки з киснем у співвідношенні двох їх атомів до одного атома кисню, тоді як Ca, Sr і Ba утворюють сполуки з одним з їх атомів до одного атома кисню. Фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) і йод (I) також проявляють схожі властивості один з одним, але ці властивості кардинально відрізняються від властивостей будь-якого з перерахованих вище елементів.

Димитрій Менделєєв в Росії (1869) і Лотар Мейєр в Німеччині (1870) самостійно визнали, що між властивостями відомих на той час елементів існує періодична взаємозв'язок. Обидві опубліковані таблиці з елементами, розташованими відповідно до збільшення атомної маси. Але Менделєєв пішов на крок далі Мейєра: він використовував свою таблицю, щоб передбачити існування елементів, які мали б властивості, схожі на алюміній і кремній, але були поки невідомі. Велику підтримку творчості Менделєєва надали відкриття галію (1875) і германію (1886). Хоча у Менделєєва і Мейєра тривала суперечка з приводу пріоритету, вклади Менделєєва в розвиток таблиці Менделєєва в даний час більш широко визнані (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Димитрію Менделєєву широко приписують створення (б) першої періодичної таблиці елементів. (кредит a: модифікація роботи Сержа Лачинова; кредит b: модифікація роботи «Den fjättrade ankan» /Wikimedia Commons)

До двадцятого століття стало очевидним, що періодичні відносини стосувалися атомних чисел, а не атомних мас. Сучасна постановка цього співвідношення, періодичний закон, полягає в наступному: властивості елементів - це періодичні функції їх атомних номерів. Сучасна періодична таблиця розташовує елементи в порядку зростання їх атомних номерів і групує атоми зі схожими властивостями в одному вертикальному стовпчику (рис.\(\PageIndex{2}\)). Кожна коробка представляє елемент і містить його атомний номер, символ, середню атомну масу і (іноді) назву. Елементи розташовані в сім горизонтальних рядів, званих періодами або рядами, і 18 вертикальних стовпців, званих групами. Групи позначені у верхній частині кожного стовпця. У Сполучених Штатах етикетки традиційно представляли собою цифри з великої літери. Однак IUPAC рекомендує використовувати цифри від 1 до 18, і ці мітки є більш поширеними. Щоб таблиця вмістилася на одній сторінці, частини двох рядків, загалом 14 стовпців, зазвичай записуються під основним тілом таблиці.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Елементи в таблиці Менделєєва організовані відповідно до їх властивостей.

Багато елементів різко відрізняються за своїми хімічними і фізичними властивостями, але деякі елементи схожі за своєю поведінкою. Наприклад, багато елементів виглядають блискучими, є податливими (здатні деформуватися без розриву) і пластичними (можуть втягуватися в дроти), а також добре проводять тепло і електрику. Інші елементи не блискучі, ковкі або пластичні, і є поганими провідниками тепла і електрики. Ми можемо сортувати елементи на великі класи із загальними властивостями: метали (елементи, які блискучі, ковкі, хороші провідники тепла та електрики - затінені жовтим кольором); неметали (елементи, які здаються тьмяними, погані провідники тепла та електрики - затінені зеленим кольором); і металоїди (елементи, які проводять тепло і електрику помірно добре, і володіють деякими властивостями металів і деякими властивостями неметалів — відтіняють фіолетовий колір).

Елементи також можуть бути класифіковані на елементи основної групи (або репрезентативні елементи) у стовпцях з маркуванням 1, 2 і 13-18; перехідні метали в стовпцях з маркуванням 3—12; і внутрішні перехідні метали в двох рядках внизу таблиці ( елементи верхнього ряду називаються лантаноїдами, а елементи нижнього ряду актинідами; рис.\(\PageIndex{3}\)). Елементи можуть бути поділені далі за більш специфічними властивостями, такими як склад сполук, які вони утворюють. Наприклад, елементи групи 1 (перша колонка) утворюють сполуки, які складаються з одного атома елемента і одного атома водню. Ці елементи (крім водню) відомі як лужні метали, і всі вони мають схожі хімічні властивості. Елементи в групі 2 (друга колонка) утворюють сполуки, що складаються з одного атома елемента і двох атомів водню: вони називаються лужноземельними металами, з подібними властивостями серед членів цієї групи. Інші групи зі специфічними назвами - це пніктогени (група 15), халькогени (група 16), галогени (група 17) та благородні гази (група 18, також відома як інертні гази). До груп можна також віднести перший елемент групи: Наприклад, халькогени можна назвати кисневою групою або сімейством кисню. Водень є унікальним, неметалічним елементом з властивостями, подібними як елементам групи 1, так і групи 17. З цієї причини водень може бути показаний у верхній частині обох груп, або сам по собі.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Періодична таблиця організовує елементи зі схожими властивостями в групи.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Naming Groups of Elements

Атоми кожного з наступних елементів необхідні для життя. Дайте назву групи для наступних елементів:

хлору
кальцій
натрію
сірки

Рішення

Прізвища такі:

галогенні
лужноземельний метал
лужний метал
халькоген

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Дайте назву групи для кожного з наступних елементів:

криптон
селену
барію
літію

Відповідь на: благородний газ
Відповідь б: халькоген
Відповідь c: лужноземельний метал
Відповідь d: лужний метал

Вивчаючи таблицю Менделєєва, ви могли помітити щось про атомні маси деяких елементів. Елемент 43 (технецій), елемент 61 (прометий) та більшість елементів з атомним номером 84 (полоній) і вище мають свою атомну масу, наведену в квадратних дужках. Це робиться для елементів, які повністю складаються з нестабільних, радіоактивних ізотопів (більше про радіоактивність ви дізнаєтеся в розділі ядерної хімії). Середня атомна маса не може бути визначена для цих елементів, оскільки їх радіоізотопи можуть значно відрізнятися у відносній кількості, залежно від джерела, або навіть не існувати в природі. Число в квадратних дужках - це номер атомної маси (і приблизна атомна маса) найбільш стійкого ізотопу цього елемента.

Резюме

Відкриття періодичного повторення подібних властивостей серед елементів призвело до формулювання періодичної таблиці, в якій елементи розташовані в порядку збільшення атомного номера в рядках, відомих як періоди та стовпці, відомі як групи. Елементи в одній групі таблиці Менделєєва мають схожі хімічні властивості. Елементи можна класифікувати як метали, металоїди та неметали, або як елементи основної групи, перехідні метали та внутрішні перехідні метали. Групи нумеруються від 1 до 18 зліва направо. Елементи в групі 1 відомі як лужні метали; ті, що входять до групи 2 - лужноземельні метали; ті, що знаходяться в 15 - пніктогени; ті, що в 16 - халькогени; ті, що в 17 - галогени; а ті, що в 18 - благородні гази.

Глосарій

актинід: внутрішній перехід металу в нижній частині двох рядів таблиці Менделєєва

лужний метал: елемент в групі 1

лужноземельний метал: елемент у групі 2

халькоген: елемент у групі 16

групи: вертикальний стовпець таблиці Менделєєва

галогенні: елемент у групі 17

інертний газ: (також, благородний газ) елемент в групі 18

внутрішній перехідний метал: (також, лантанід або актинід) елемент у двох нижніх рядах; якщо в першому ряду, також називається лантанід, або якщо у другому ряду, також називається актинідом

лантанід: внутрішній перехід металу у верхній частині нижніх двох рядів таблиці Менделєєва

елемент основної групи: (також, репрезентативний елемент) елемент у стовпцях 1, 2 та 12—18

метал: елемент, який блискучий, податливий, хороший провідник тепла і електрики

металоїд: елемент, який помірно добре проводить тепло і електрику, володіє деякими властивостями металів і деякими властивостями неметалів

благородний газ: (також, інертний газ) елемент в групі 18

неметалеві: елемент, який виглядає тьмяним, поганим провідником тепла і електрики

період: (також, ряди) горизонтальний ряд таблиці Менделєєва

періодичний закон: властивості елементів є періодичною функцією їх атомних номерів.

періодична таблиця: таблиця елементів, що розташовують елементи з подібними хімічними властивостями близько один до одного

пніктоген: елемент у групі 15

представник елемент: (також елемент основної групи) у стовпцях 1, 2 та 12—18

перехідний метал: елемент у стовпцях 3—11

серія: (також, період) горизонтальний рядок таблиці періодів