Периодически повторяющиеся последовательности
Периодически повторяющиеся последовательности
Как в живой природе, так и в некоторых творениях человеческих рук очень часто прослеживаются те или иные повторяющиеся последовательности. В определенной последовательности повторяется смена времен года: осень, зима, весна и лето. Последовательно повторяются приливы и отливы. За понедельником следует вторник, за ноябрем — декабрь и т.д. Такая повторяющаяся последовательность называется периодичностью.
В середине XIX века русский химик Дмитрий Иванович Менделеев заметил, что химические свойства известных в то время элементов повторяются в определенной последовательности. Менделеев выстроил элементы по возрастанию атомной массы (она рассматривается в главе 3, «Атом и его структура») и получил последовательность элементов, напоминающую современную периодическую таблицу. Он даже смог предсказать свойства некоторых еще не известных тогда элементов. Позднее элементы были выстроены заново по возрастанию атомного номера, т.е. количества протонов в ядре атома (что также описано в главе 3, «Атом и его структура»). Современная периодическая таблица представлена на рис. 4.11.
Теперь химики даже не могут представить, как можно выполнять свою работу без периодической таблицы. Вместо того чтобы изучать свойства более чем 109 элементов (новые элементы открываются почти каждый год), химики — в том числе школьники и студенты — могут изучать свойства сразу группы элементов, таким образом существенно экономя время и силы. Пользуясь периодической таблицей, можно прослеживать взаимосвязи между элементами и выводить формулы многих соединений. В таблице содержится много полезной информации: атомные номера, массовые числа, а также данные о количестве валентных электронов различных элементов.
На память приходит прочитанный в юности научно-фантастический рассказ о внеземной жизни, в основе которой лежит элемент кремний. Вполне логично, что речь идет именно о кремнии, который находится в той же группе, что и углерод — элемент, составляющий основу земной жизни. Таким образом, периодическая таблица абсолютно необходима химикам (в том числе и будущим), а также авторам научной фантастики. Вот и выходит, что без периодической системы Д.И. Менделеева и шагу нельзя ступить!
Принцип размещения элементов в периодической таблице
Посмотрите на периодическую таблицу (см. рис. 4.1)2. Элементы располагаются в ней по возрастанию атомных номеров. Атомный номер (количество протонов) находится над символом элемента, под символом находится атомная масса, или атомный вес (сумма протонов и нейтронов). Атомная масса представляет собой средневзвешенное от всех изотопов, встречающихся в естественных условиях. (Если для вас это китайская грамота, обратитесь к главе 3, «Атом и его структура», — там вы сможете получить исчерпывающую информацию об атомной массе и изотопах.) Кроме того, обратите внимание, что под общей таблицей элементов расположены две строки элементов: Се-Lu (они называются лантаноиды) и Th-Lr (актиноиды).
Периодическая таблица состоит из горизонтальных строк, называемых периодами. Периоды имеют номера от 1 до 7, расположенные в левой части таблицы. Вертикальные столбцы называются группами или семействами. Члены этих групп имеют сходные свойства (см. раздел «Группы и периоды» далее в главе). Нумерация групп приведена в верхней части каждого столбца и назначается одним из двух способов. В соответствии с устаревшим способом для обозначения используются римские цифры и буквы. Многие химики (особенно такие «старики», как я) предпочитают именно этот способ и до сих пор его придерживаются. Согласно новому способу, для обозначения групп используются номера от 1 до 18. Далее в книге для нумерации групп используется первый способ3.
С помощью периодической таблицы элементы можно классифицировать различными способами. Вот два весьма распространенных способа классификации:
* по принадлежности к металлам, неметаллам и полуметаллам;
S по принадлежности к группам и периодам.
Металлы, неметаллы и полуметаллы
Присмотревшись внимательно к рис. 4.1, можно увидеть ступенчатую (диагональную) линию, которая начинается от бора (B), имеющего атомный номер 5, и идет вниз до полония (Po) с атомным номером 84. Все элементы, расположенные слева от этой линии, за исключением германия (Ge) и сурьмы (Sb), относятся к металлам (рис. 4.2).
t- -! jo) <~"J !_ x о
^ a.
|t2 >sr4l >SCM >sr- >ig i_
-<|S coCD§S "^IS ^^IS спШ|й
L-C\J 1— |—C\J ,^
_<_______co
— s
00 С\Г О C^c^ С0"О|Ч. О 0)£*> ^ £ CD >»c°- OO^I-^
= г- оо1Ч1Д£ ^ О I™ coifed II ™ coOg-S cx>0-e-£
_____3__^2
со 8.00 о I-1 „ >s ^ >s ^
- ™oSg ^ ^ £ COCD§£ СПО&™
— п:ю го-1- p-.- 1 » ct-.- ^^^^
d ‘-I-1 [Го
-./ m Г- °P LO-C=l§ t- S^tg CO =5§– LO £ Sg?
= Л 2- c^O^^9 ^LTjfg r– —lj 2^>1§ сош|£ cn<&3
> \ S£o ^ ^ « l53– 3
‘^ГЧ1 Г*-\ .— ‘1^ 1″
°° см u-§£- ^-crgs г–ОД£ 2:ns§ co<^lg o>cls.3
^ t ob’S-Vi **^f^ г-сс1Щ ^m^^s^ со a. z |§
^ wO-j: ^»^Efl^ ^^1^^ ^w-SiS^ (oz^^ o)3?^
^ QD ^
> cm>_^;^. ^^l^;^9 Г^г^^^’ l^q-^^- C^l^I^^
_____^__
й? см;— »§> о >т cm:^’^;^9 Ss^ls оо «в»^:^- O-c’ilc^.
_ ‘ico ‘Slo ^t- „
^с^смсо^^^.со^1^|:^.ю—i|^E^co<^f^
cS4- sra <~ 3
)S ,s ^
^ ^m^^- -2^^- cMOis c^w^g; L^m^^ c^cr.^Rl ^
COCCUS LntJ%$ C^LL^^ ^
I-1-1-1-1-1-1 a.
Поскольку металлы часто встречаются в повседневной жизни, их свойства вам должны быть хорошо знакомы. Итак, металлы твердые (за исключением ртути (Hg), которая представляет собой жидкость), блестящие, хорошо проводят электричество и тепло, пластичные (поддаются вытягиванию в тонкую проволоку) и ковкие (легко расплющиваются в очень тонкие листы). Кроме того, все металлы обычно легко отдают электроны (см. главу 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи»). Как видите, к металлам принадлежит большинство элементов периодической таблицы.
За исключением элементов, граничащих со ступенчатой линией (о них речь идет несколько ниже), элементы, расположенные справа от этой линии, принадлежат к неметаллам (к которым также относится водород). Они представлены на рис. 4.3.
Свойства неметаллов прямо противоположны свойствам металлов. Они хрупкие, нековкие, непластичные, плохо проводят электричество и тепло. В химических реакциях они обычно принимают электроны. Некоторые неметаллы являются жидкостями.
Элементы, граничащие со ступенчатой линией, принадлежат к полуметаллам (рис. 4.4).
Для полуметаллов, или металлоидов, характерны свойства и металлов и неметаллов. Полуметаллы играют важную роль в экономике в основном из-за своих уникальных свойств проводимости (эти элементы проводят электричество только частично), что делает их незаменимым материалом для производства полупроводников и компьютерных микросхем. (Думаете, термин Силиконовая долина означает долину, покрытую песком (т.е. в которой содержится кремний)? Как бы не так. Кремний, один из полуметаллов, используется при создании компьютерных микросхем.)
Группы и периоды
Еще раз обратимся к периодической таблице, показанной на рис. 4.1. Она состоит из семи горизонтальных строк с элементами; эти строки называются периодами. В каждом периоде атомные номера увеличиваются слева направо.
Следует отметить, что свойства элементов в пределах периода изменяются последовательно. Рассмотрим первые два элемента третьего периода: натрий (Na) и магний (Mg). В реакциях и тот и другой отдает электроны (ведь оба они металлы), но натрий отдает один электрон, а магний — два. Что касается хлора (Cl), расположенного почти в конце периода, то для него (неметалла) свойственно не отдавать, а принимать электрон. Поэтому следует помнить, что свойства элементов в пределах одного периода различаются.
Что же касается членов групп, то они обладают сходными свойствами и имеют одинаковую валентность. Например, рассмотрим группу IA, которая начинается с лития (Li) и заканчивается францием (Fr). На водород не стоит пока обращать внимания, так как он уникален и поэтому не относится ни к какой группе. Так вот, элементы, входящие в группу IA, при взаимодействии отдают только один электрон. Что же касается группы VIIA, то ее элементам свойственно принимать один электрон.
Итак, почему элементы одной группы имеют похожие свойства? И почему элементам, входящим в состав определенной группы, свойственно только отдавать или только получать электроны? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим четыре группы периодической таблицы и электронные конфигурации нескольких элементов каждой группы.
Что в имени тебе моем?
На рис. 4.5 показаны некоторые важные группы, имеющие особые названия.
I ^ Группа IA состоит из щелочных металлов. Имея во внешнем электронном слое только по одному электрону, атомы таких элементов довольно легко от-
дают этот электрон. В этой группе находятся некоторые важные элементы, например натрий (Na) и калий (K). Оба элемента играют важную роль в процессе жизнедеятельности организма человека и обычно входят в состав солей.
^ Группа IIA состоит из щелочноземельных металлов. Во внешнем электронном слое этих элементов находится два электрона, которые атом отдает во время реакции. Важным представителем этой группы является кальций (Ca); он нужен, чтобы у вас были крепкие зубы и кости.
^ Группа VIIA состоит из галогенов. В результате реакций каждому из них свойственно получать один электрон. Особый интерес представляют такие элементы этой группы, как хлор (Cl), входящий в состав поваренной соли и хлорной извести, и иод (I). Кстати, вы когда-либо пользовались для дезинфекции спиртовым раствором иода?
^ Группа VIIIA состоит из инертных газов. Эти элементы очень инертны. Долгое время считалось, что они не вступают ни в какие реакции, отсюда и их название: «инертный» означает «бездействующий». Позднее ученый Нейл Бар-летт открыл, что некоторые из этих газов могут вступать в реакции, но для этого им нужны специальные условия. После этого открытия инертные газы также стали называть благородными.
Группы и валентные электроны
Как уже отмечалось в главе 3, «Атом и его структура», электронная конфигурация показывает количество электронов на каждой орбитали конкретного атома. Электронная конфигурация лежит в основе химических связей и геометрии молекул.
В табл. 4.1-4.4 приведены электронные конфигурации для первых трех представителей
групп IA, IIA, VIIA и VIIIA.
Таблица 4.1. Электронные конфигурации представителей группы IA (щелочные металлы)
Эти электронные конфигурации показывают, что внутри каждой группы элементы похожи друг на друга своими валентными электронами. Валентными называются электроны s- и p-орбиталей, расположенных в атоме на внешнем энергетическом уровне (см. главу 3, «Атом и его структура»).
Обратите внимание на электронные конфигурации щелочных металлов (см. табл. 4.1). У лития первый энергетический уровень заполнен, а на 2s-орбитали находится единственный электрон. У натрия первый и второй энергетические уровни заполнены, а на третьем опять же находится единственный электрон. Таким образом, все эти элементы имеют на s-орбитали по одному валентному электрону. Что касается щелочноземельных элементов (см. табл. 4.2), то каждый их них имеет по два валентных электрона. У каждого галогена (см. табл. 4.3) по семь валентных электронов (только на s- и р-орбиталях; d-орбиталь не следует брать в расчет).
И наконец, инертные газы (см. табл. 4.4) имеют по восемь валентных электронов, которые целиком заполнили валентные орбитали. Как же запомнить всю эту информацию?
Количество валентных электронов вам подскажет номер столбца, который в периодической таблице элементов приведен римскими цифрами: элементы группы IA содержат один валентный электрон; у элементов группы IIA уже два таких электрона; элементы группы VIIA имеют семь валентных электронов; элементы группы VIIIA содержат восемь валентных электронов. Таким образом, римские цифры в номере группы, отмеченной буквой A, указывают количество валентных электронов. Довольно «круто», не так ли?
С помощью римских цифр можно легко определить, что у кислорода (O) шесть валентных электронов (он относится к группе VIA), у кремния — четыре и т. д. Таким образом, для определения количества валентных электронов вовсе не нужно записывать электронные конфигурации или строить диаграммы энергии.
Инертные и газообразные
Тот факт, что инертные газы имеют по восемь валентных электронов, заполнивших их валентный, или внешний энергетический уровень, как раз и объясняет, почему эти газы крайне трудно вступают в реакции. У них заполнен валентный уровень энергии, благодаря чему они являются стабильными, или «насыщенными». Поэтому они с большим трудом отдают, принимают или совместно используют электроны.
Существующая в природе стабильность в значительной степени связана с этим условием. По наблюдениям химиков, остальные элементы в группах A периодической таблицы обычно отдают, принимают или совместно используют валентные электроны, чтобы целиком заполнить свой валентный уровень, т.е. иметь в нем восемь электронов. Иногда это правило называется правилом октета\ Посмотрите, например, на электронную конфигурацию натрия (Na): 1s22s22p63s1. У него имеется один валентный электрон — 3s1. При потере этого электрона валентным уровнем должен стать второй энергетический уровень, который как раз заполнен целиком. Поэтому без 3s1-электрона натрий должен стать изоэлектрон-ным неону (Ne) (т.е. иметь такую же электронную конфигурацию) и достичь стабильности. А достижение стабильности путем полного заполнения валентного уровня является движущей силой химической связи (см. главы 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи», и 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски»).
Теперь обратимся к элементам, которые входят в группы, отмеченные римскими цифрами и буквой B. Они расположены в центре периодической таблицы и обычно называются переходными металлами; их электроны постепенно заполняют d-орбитали. Первый среди этих металлов — скандий (Sc), который имеет такую электронную конфигурацию: 1s22s22p63s23p64s23d\ Титан (Ti), следующий переходный металл, имеет конфигурацию 1s22s22p63s23p64s23d2. Обратите внимание, что количество электронов на s- и р-орбиталях не изменилось. Постепенное добавление электронов ведет к заполнению d-орбиталей. Лантаноиды и актиноиды — две группы элементов, расположенные отдельно от основного массива периодической таблицы, — относятся к внутренним переходным металлам. В этих элементах электроны заполняют f-орбитали, причем во многом так же, как электроны в переходных металлах заполняют d-орбитали.