Классификация химических элементов: s-, p-, d- и f-элементы

В августе 1875 года французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран, рассматривая в спектроскоп раствор цинковой обманки из Пиренеев, увидел две незнакомые фиолетовые линии и открыл новый элемент — галлий. Через несколько месяцев он выделил немного металла и сообщил его плотность: 4,7 г/см³. Вскоре пришло письмо из Петербурга. Дмитрий Менделеев писал, что галлий — это предсказанный им в 1871 году «экаалюминий», и что его плотность должна быть не 4,7, а около 5,9: вероятно, образец содержит примесь натрия. Лекок де Буабодран, никогда раньше не слышавший о периодической системе, очистил металл и повторил измерение. Плотность оказалась 5,935 г/см³ [1]. Теоретик, ни разу не видевший нового элемента, исправил экспериментатора, державшего его в руках.

Предсказание свойств неизвестного элемента возможно потому, что химические элементы — не беспорядочный набор, а система, построенная по строгому закону. Менделеев открыл этот закон по свойствам веществ, а через полвека квантовая механика объяснила его строением атомов. Сегодня элементы классифицируют прежде всего по тому, какой подуровень заполняется у них последним: s-, p-, d- и f-элементы. От этого зависит, металл это или неметалл, какие степени окисления он проявляет, образует ли окрашенные соединения и комплексы, — и даже то, где в таблице он стоит.

• 1. Зачем классифицировать элементы
• 2. Первая классификация: металлы и неметаллы
• 3. Триады Дёберейнера
• 4. Земная спираль и закон октав
• 5. Менделеев и Мейер
• 6. Три предсказания
• 7. Благородные газы: неожиданная группа
• 8. Квантовое объяснение периодичности
• 9. Блоки: s-, p-, d- и f-элементы
• 10. Блоки рядом: сравнение
• 11. s-элементы: особенности строения
• 12. p-элементы: особенности строения
• 13. d-элементы: особенности строения
• 14. f-элементы: лантаноиды и актиноиды
• 15. Как свойства меняются по периодам и группам
• 16. Особое положение второго периода
• 17. Металлы, неметаллы и металлоиды
• 18. Семейства элементов
• 19. Элементы разных блоков вокруг нас
• 20. Главные и побочные подгруппы и группы с 1 по 18
• 21. Спорные места: водород, гелий, лантан и лютеций
• 22. Формы периодической таблицы
• 23. История изучения
• 24. Частые ошибки
• 25. Интересные факты
• 26. Частые вопросы
• 27. Что пока не решено
• 28. ЕГЭ
• 29. Для олимпиад
• 30. Задания с разбором
• Литература

1. Зачем классифицировать элементы

Классификация — способ свести множество фактов к немногим закономерностям. Если известно, что натрий и калий принадлежат к одной группе, достаточно знать химию натрия, чтобы предсказать химию калия, рубидия и цезия; если известно, что хлор и бром — галогены, то реакции хлора подскажут реакции брома и йода. К середине XIX века было известно около шестидесяти элементов, и запомнить свойства каждого по отдельности становилось невозможно. Химики искали способ их упорядочить, и попыток было много.

Современная классификация элементов многоуровневая. По электронному строению элементы делят на s-, p-, d- и f-элементы. По свойствам простых веществ — на металлы, неметаллы и металлоиды. По положению в таблице — на периоды и группы. По сходству свойств — на семейства: щелочные металлы, галогены, благородные газы, лантаноиды. Все эти способы связаны, и связывает их строение электронной оболочки.

2. Первая классификация: металлы и неметаллы

Самое древнее деление элементов — на металлы и неметаллы. Металлы с их блеском, ковкостью и электропроводностью отличаются от неметаллов так сильно, что разница была ясна задолго до появления понятия «элемент». Лавуазье в 1789 году разделил известные ему простые вещества на четыре группы: газы и вещества, близкие к ним по природе (свет, теплород, кислород, азот, водород); неметаллические вещества, образующие кислоты (сера, фосфор, углерод и «радикалы» кислот, которые ещё не удалось выделить); металлы; землистые вещества, которые позже оказались оксидами металлов [2].

Деление на металлы и неметаллы удобно, но не строго. Есть элементы с промежуточными свойствами: кремний и германий блестят, как металлы, но хрупки и проводят ток плохо; мышьяк и сурьма образуют и кислотные, и основные оксиды. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в начале XIX века называл неметаллы металлоидами; позже это слово перешло к элементам на границе металлов и неметаллов. Деление на металлы и неметаллы не объясняло главного — почему, например, натрий и калий так похожи, а натрий и медь, оба металлы, так различаются.

3. Триады Дёберейнера

Первым заметил числовую закономерность немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер, профессор Йенского университета и друг Гёте. В 1817 году он обратил внимание, что атомная масса стронция близка к среднему значению атомных масс кальция и бария, а в 1829 году описал несколько таких «триад» — групп из трёх сходных элементов [3]. В триаде кальций — стронций — барий среднее масс кальция (40,1) и бария (137,3) равно 88,7, а атомная масса стронция — 87,6. В триаде хлор — бром — йод среднее хлора (35,5) и йода (126,9) — 81,2, а у брома 79,9. Так же устроены триады литий — натрий — калий и сера — селен — теллур.

Средний элемент триады был средним и по свойствам: бром по цвету, летучести и активности занимает место между хлором и йодом. Триады подсказывали, что сходство элементов связано с их атомными массами, но охватывали лишь немногие элементы, и многие сходные элементы в триады не укладывались. Тем не менее это была первая попытка связать химические свойства с численной характеристикой атома.

4. Земная спираль и закон октав

После конгресса в Карлсруэ 1860 года, когда были согласованы надёжные атомные массы, попытки найти систему элементов участились. В 1862 году французский геолог Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа расположил элементы по возрастанию атомных масс на спирали, навитой на цилиндр, так что сходные элементы оказывались на одной вертикали. Его работу опубликовали без рисунка, и химики её не заметили.

В 1865 году английский химик Джон Ньюлендс расположил элементы по возрастанию масс и заметил, что каждый восьмой похож на первый, как нота через октаву. Он назвал это законом октав. На заседании Лондонского химического общества в 1866 году его доклад встретили насмешками, и один из слушателей спросил, не пробовал ли Ньюлендс располагать элементы по алфавиту. Статью отказались печатать. Закон октав действительно работал только для лёгких элементов: дальше, где начинаются переходные металлы, период содержит больше восьми элементов. Через двадцать лет, когда периодический закон был признан, Королевское общество наградило Ньюлендса медалью Дэви (1887).

5. Менделеев и Мейер

В 1869 году профессор Петербургского университета Дмитрий Менделеев писал учебник «Основы химии» и искал порядок, в котором излагать элементы. По воспоминаниям современников, он выписал свойства элементов на отдельные карточки и раскладывал их, как пасьянс, пока не увидел закономерность. 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года он разослал химикам листок «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» [4]. Через год немецкий химик Лотар Мейер независимо опубликовал свою таблицу и знаменитую кривую атомных объёмов, на которой щелочные металлы стоят на пиках, а между ними — провалы. В 1882 году Королевское общество наградило медалью Дэви обоих.

Таблица Менделеева отличалась от всех предшествующих смелостью. Во-первых, он оставил пустые места для ещё не открытых элементов и описал их свойства. Во-вторых, он исправил атомные массы тех элементов, которые не вписывались в систему: у бериллия масса была принята 13,5 (при формуле оксида Be₂O₃), а Менделеев, исходя из сходства бериллия с магнием, предложил 9 и формулу BeO. Массу индия он увеличил с 75,6 до 113, урана — со 120 до 240. Все исправления подтвердились. В-третьих, в нескольких местах он поставил элементы против порядка атомных масс, если этого требовали свойства: теллур перед йодом, кобальт перед никелем.

Определение. Периодический закон в формулировке Менделеева: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Современная формулировка: свойства химических элементов и образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. Замена атомной массы на заряд ядра стала возможной после работ Мозли (1913) и устранила все «перестановки».

6. Три предсказания

В 1871 году Менделеев подробно описал три неизвестных элемента, которые назвал экаалюминием, экабором и экасилицием («эка» на санскрите — «один»: элемент, следующий за алюминием, бором и кремнием в своей группе). Он предсказал их атомные массы, плотности, формулы и свойства оксидов и хлоридов. Галлий (экаалюминий) открыл Лекок де Буабодран в 1875 году, скандий (экабор) — шведский химик Ларс Нильсон в 1879 году, германий (экасилиций) — немецкий химик Клеменс Винклер в 1886 году в минерале аргиродите. Совпадение предсказанных и найденных свойств поразило химиков и обеспечило признание периодического закона.

Винклер, открыв германий, сначала думал, что нашёл экасурьму, — и лишь сопоставление свойств показало, что это экасилиций. Менделеев предсказал и элементы, которые нашли позже: экамарганец (технеций, 1937) и двимарганец (рений, 1925), а также элемент между висмутом и торием, оказавшийся полонием. Не все его предсказания сбылись: он ждал элементов легче водорода и одно время считал, что существует «ньютоний» — химический элемент мирового эфира.

7. Благородные газы: неожиданная группа

В таблице Менделеева 1869 года не было места для целой группы элементов. В 1892 году лорд Рэлей заметил, что азот, выделенный из воздуха, на полпроцента тяжелее азота, полученного из аммиака и других соединений: 1,2572 против 1,2505 г/л. Вместе с шотландским химиком Уильямом Рамзаем он показал, что в воздухе есть около одного процента неизвестного газа, не вступающего ни в какие реакции. В 1894 году они объявили об открытии аргона — «ленивого» по-гречески [5].

Аргону не нашлось места ни в одной группе таблицы. Рамзай предположил, что это представитель целой новой группы, и в 1895 году нашёл на Земле гелий, известный до того лишь по солнечному спектру, а в 1898 году, перегоняя жидкий воздух, вместе с Моррисом Траверсом открыл неон, криптон и ксенон. В 1900 году немецкий физик Фридрих Дорн обнаружил радон среди продуктов распада радия. Менделеев поначалу сомневался, что аргон — элемент, но затем признал новую «нулевую» группу, подтверждавшую периодический закон: благородные газы встали между галогенами и щелочными металлами, и их атомные массы точно вписались в ряды. В 1904 году Рэлей получил Нобелевскую премию по физике, Рамзай — по химии.

8. Квантовое объяснение периодичности

Менделеев не знал, почему свойства элементов повторяются. Объяснение дала физика XX века. Мозли в 1913 году показал, что порядковый номер элемента равен заряду ядра, и порядок в таблице стал строгим. Бор в 1922 году объяснил периодичность заполнением электронных оболочек: элементы одной группы имеют одинаковое строение внешнего слоя, поэтому похожи [6]. Паули и Стонер объяснили ёмкости подуровней, а порядок их заполнения — правило Клечковского — объяснил длины периодов: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32.

Так периодическая система стала картой электронного строения атомов. Номер периода — число электронных слоёв. Номер группы для элементов главных подгрупп — число электронов внешнего слоя. Положение элемента в блоке показывает, какой подуровень заполняется последним. Повторяемость свойств — следствие повторяемости строения внешнего слоя: у лития, натрия, калия по одному внешнему s-электрону, у фтора, хлора, брома — по семь внешних электронов ns²np⁵.

9. Блоки: s-, p-, d- и f-элементы

Определение. s-, p-, d- и f-элементы — химические элементы, у атомов которых последним по порядку заполнения (по правилу Клечковского) заполняется соответственно s-, p-, d- или f-подуровень. Деление элементов на блоки — самая прямая классификация по электронному строению. Её удобно видеть в длинной форме периодической таблицы, где элементы каждого блока образуют прямоугольную область: s-блок — две колонки слева, p-блок — шесть колонок справа, d-блок — десять колонок в середине, f-блок — две строки по четырнадцать элементов внизу.

Ширина блоков — 2, 6, 10 и 14 — это ёмкости s-, p-, d- и f-подуровней. Высота блоков связана с порядком заполнения. s-блок начинается в первом периоде, p-блок — во втором (2p), d-блок — в четвёртом (3d заполняется после 4s), f-блок — в шестом (4f после 6s). Всего s-элементов 14 (вместе с водородом и гелием), p-элементов — 36, d-элементов — 40, f-элементов — 28. Сумма — 118, все известные элементы.

Важно. Блок элемента определяется порядком заполнения, а не конфигурацией конкретного атома в основном состоянии. Хром и медь, у которых «проскакивает» электрон, — d-элементы, как и их соседи; палладий с пустым 5s — d-элемент; лантан, у которого в основном состоянии нет 4f-электронов, по правилу Клечковского и по расположению в таблице обычно относят к f-блоку или к третьей группе d-блока — здесь мнения расходятся. Гелий по конфигурации 1s² — s-элемент, но по свойствам стоит в 18-й группе над неоном.

10. Блоки рядом: сравнение

Из таблицы видна общая закономерность: чем глубже внутри атома заполняется подуровень, тем меньше различаются свойства соседних элементов блока. В s- и p-блоках каждый новый электрон приходит во внешний слой и резко меняет свойства: от фтора к неону, от неона к натрию. В d-блоке электрон приходит в предвнешний слой, и соседи похожи больше: железо, кобальт и никель недаром объединяли в одну триаду. В f-блоке электрон уходит ещё глубже, и лантаноиды почти неразличимы.

11. s-элементы: особенности строения

У s-элементов последний электрон заполняет s-подуровень внешнего слоя: ns¹ у элементов первой группы (водород, щелочные металлы), ns² у элементов второй группы (бериллий, магний, щелочноземельные металлы) и у гелия. Под внешним слоем — устойчивая оболочка предыдущего благородного газа (у бериллия и лития — гелия). Внешние s-электроны находятся далеко от ядра, сильно экранированы и связаны слабо: первые энергии ионизации s-металлов — от 3,9 эВ у цезия до 9,3 эВ у бериллия, самые низкие среди всех элементов.

Отсюда общие свойства s-элементов (кроме водорода и гелия). Все они — активные металлы, сильные восстановители, в соединениях проявляют постоянные степени окисления +1 (группа 1) или +2 (группа 2), равные числу внешних электронов. Их ионы имеют конфигурацию благородного газа, бесцветны, не образуют прочных комплексов (кроме лития, бериллия и магния). Их оксиды и гидроксиды — основные, у щелочных металлов — сильные щёлочи; лишь у бериллия гидроксид амфотерен. Соли большинства s-металлов хорошо растворимы, и соединения многих из них окрашивают пламя.

Водород и гелий — особые s-элементы. У водорода всего один электрон и нет внутренних слоёв: он может отдать электрон (как щелочные металлы), принять второй (как галогены) или образовать общую пару — и в большинстве соединений ковалентен. Гелий с заполненным 1s² — самый инертный элемент: устойчивых нейтральных соединений гелия в обычных условиях не получено. Поэтому водород иногда ставят одновременно в первую и в седьмую группы, а гелий — над неоном, а не над бериллием.

12. p-элементы: особенности строения

У p-элементов внешний слой имеет конфигурацию ns²np^1–6: заполняется p-подуровень, а s-подуровень того же слоя уже заполнен. В группах 13–18 находятся от одного до шести p-электронов, и общее число внешних электронов — от трёх до восьми. У p-элементов четвёртого и следующих периодов под внешним слоем лежит заполненный (n−1)d¹⁰, а в шестом периоде — ещё и 4f¹⁴.

p-Блок — самый разнообразный. В нём есть металлы (алюминий, галлий, индий, таллий, олово, свинец, висмут), металлоиды (бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур), неметаллы (углерод, азот, кислород, фосфор, сера, селен, галогены) и благородные газы. Металлические свойства в p-блоке растут сверху вниз и справа налево: граница между металлами и неметаллами проходит по диагонали от бора к астату. Высшая степень окисления p-элементов равна числу внешних электронов (номеру группы в короткой таблице), низшая для неметаллов — номеру группы минус восемь.

Две особенности p-блока связаны с электронным строением. Первая — разнообразие степеней окисления: у азота от −3 до +5, у хлора от −1 до +7, потому что внешние электроны можно отдавать или смещать к партнёру по одному. Вторая — эффект инертной пары у тяжёлых p-элементов: в шестом периоде пара 6s² удерживается так прочно, что таллий, свинец и висмут охотнее проявляют степени окисления на два меньше высших. Ещё одна особенность — различие второго периода и остальных: у азота, кислорода и фтора нет d-орбиталей на втором уровне, и их валентности ограничены четырьмя, тогда как фосфор, сера и хлор образуют соединения вроде PCl₅, SF₆, HClO₄.

13. d-элементы: особенности строения

У d-элементов заполняется d-подуровень предвнешнего слоя: общая конфигурация (n−1)d^1–10ns^0–2. Во внешнем слое у них один или два электрона (у палладия — ни одного), поэтому все d-элементы — металлы. Это первый ряд (3d) от скандия до цинка, второй (4d) от иттрия до кадмия, третий (5d) от лютеция (или лантана) до ртути и четвёртый (6d) от лоуренсия до коперниция. Переходными металлами в строгом смысле ИЮПАК называет элементы, у которых в атоме или в каком-либо обычном ионе d-подуровень заполнен не полностью; цинк, кадмий и ртуть с их d¹⁰ формально к ним не относятся, хотя и стоят в d-блоке [7].

У d-элементов энергии (n−1)d и ns близки, и в химических связях могут участвовать и те, и другие электроны. Отсюда главные черты переходных металлов. Они проявляют несколько степеней окисления: марганец — от +2 до +7, хром — +2, +3, +6, железо — +2, +3 (и +6 в ферратах). Высшая степень окисления в группах 3–8 обычно равна номеру группы: скандий +3, титан +4, ванадий +5, хром +6, марганец +7, осмий и рутений +8. Их ионы с частично заполненным d-подуровнем окрашены и часто парамагнитны. Они образуют многочисленные комплексные соединения, в которых лиганды отдают электронные пары на свободные d- и s-орбитали металла. Многие из них и их соединения — катализаторы: железо в синтезе аммиака, платина и палладий в автомобильных нейтрализаторах, никель при гидрировании жиров, оксид ванадия(V) в производстве серной кислоты.

Свойства d-элементов меняются по периоду плавнее, чем у элементов главных подгрупп: электроны добавляются во внутренний слой, а внешний остаётся почти одинаковым. По группе сверху вниз у d-элементов, в отличие от s- и p-элементов, химическая активность в целом уменьшается, а устойчивость высших степеней окисления растёт: хром(VI) — сильный окислитель, вольфрам(VI) — нет; железо обычно +2 и +3, а осмий образует OsO₄. Это связано с лантаноидным сжатием и большей протяжённостью 4d- и 5d-орбиталей.

14. f-элементы: лантаноиды и актиноиды

У f-элементов заполняется f-подуровень третьего снаружи слоя: 4f у лантаноидов (шестой период) и 5f у актиноидов (седьмой). Внешний слой у всех одинаков — 6s² или 7s², предвнешний (5s²5p⁶ или 6s²6p⁶) тоже, и различаются они лишь числом электронов глубоко внутри. Поэтому лантаноиды необычайно похожи друг на друга: все они — активные металлы с основной степенью окисления +3, их ионы близки по размеру, и разделить их — одна из труднейших задач химии. 4f-Электроны так глубоко «спрятаны», что почти не участвуют в связях; но переходы между 4f-уровнями дают узкие линии излучения, и ионы европия, тербия, неодима используют в люминофорах, лазерах и магнитах.

Актиноиды долго считали элементами d-блока, продолжающими ряд после радия: торий ставили под гафнием, протактиний под танталом, уран под вольфрамом. В 1944–1945 годах американский химик Гленн Сиборг, работавший над получением плутония и новых трансурановых элементов, предложил выделить их в отдельный ряд f-элементов — аналог лантаноидов [8]. Коллеги отговаривали его публиковать эту идею, предупреждая, что она погубит его репутацию. Концепция актиноидов позволила предсказать свойства и найти америций и кюрий, а затем и следующие элементы. В 1951 году Сиборг получил Нобелевскую премию по химии. 5f-Электроны лёгких актиноидов участвуют в связях заметнее, чем 4f у лантаноидов, поэтому уран проявляет степени окисления от +3 до +6, а плутоний — до +7.

Все актиноиды радиоактивны. В природе в заметных количествах есть только торий и уран, в следах — актиний, протактиний, нептуний и плутоний. Остальные получены искусственно, начиная с нептуния и плутония в 1940 году. Их значение огромно: уран и плутоний — ядерное топливо атомных станций, америций-241 работает в дымовых пожарных датчиках, плутоний-238 питает радиоизотопные генераторы космических аппаратов, ушедших за пределы Солнечной системы.

15. Как свойства меняются по периодам и группам

Строение электронной оболочки задаёт закономерности, общие для всей таблицы. В периоде слева направо растёт заряд ядра, а электроны добавляются в тот же внешний слой (у s- и p-элементов) или в предвнешний (у d-элементов). Эффективный заряд для внешних электронов растёт, поэтому радиусы атомов уменьшаются, энергии ионизации и электроотрицательность растут, металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются. Во втором периоде радиус уменьшается от 152 пм у лития до около 70 пм у фтора, энергия ионизации растёт с 5,4 до 17,4 эВ.

В группе сверху вниз растёт число электронных слоёв. Радиусы растут, энергии ионизации и электроотрицательность падают, металлические свойства усиливаются: в 14-й группе углерод — неметалл, кремний и германий — металлоиды, олово и свинец — металлы. Для d-элементов закономерность другая: от 4d к 5d радиусы почти не растут из-за лантаноидного сжатия, а энергии ионизации у 5d-металлов даже выше, чем у 4d, поэтому золото и платина благороднее серебра и палладия.

Внутри общих закономерностей есть «изломы», объяснимые электронным строением. Энергия ионизации падает от бериллия к бору (начинается p-подуровень) и от азота к кислороду (появляется пара на p-подуровне). Электроотрицательность галлия чуть больше, чем у алюминия (d-сжатие). У элементов шестого периода из-за релятивистских эффектов энергии ионизации выше ожидаемых. Знание этих изломов позволяет правильно отвечать на вопросы о порядке элементов по радиусу или энергии ионизации.

16. Особое положение второго периода

Элементы второго периода — литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор — заметно отличаются от своих более тяжёлых аналогов. Причин три. Во-первых, их атомы малы, а электроотрицательность высока: фтор и кислород — самые электроотрицательные элементы. Во-вторых, у них на внешнем уровне нет d-подуровня, и число ковалентных связей, которые атом может образовать, ограничено четырьмя (по числу орбиталей 2s и 2p). В-третьих, малые атомы хорошо перекрываются боковыми p-орбиталями и образуют прочные π-связи [9].

Отсюда множество различий. Азот существует в виде молекул N₂ с тройной связью, а фосфор — в виде тетраэдров P₄ и полимерных цепей с одинарными связями: π-связи P=P слабы. Углекислый газ CO₂ — газ из отдельных молекул с двойными связями, а диоксид кремния SiO₂ — твёрдый каркас с одинарными связями Si–O. Кислород двухвалентен, сера образует соединения с валентностями IV и VI. Фтор не проявляет положительных степеней окисления, хлор — до +7. Вода с её водородными связями кипит при 100 °C, сероводород — при −60 °C.

Литий, бериллий и бор, в свою очередь, похожи не на элементы своих групп, а на элементы следующей группы и периода по диагонали: литий — на магний, бериллий — на алюминий, бор — на кремний. Это диагональное сходство объясняется близким соотношением заряда и размера ионов. Поэтому в задачах о свойствах элементов второй период часто оказывается исключением из общих правил групп.

17. Металлы, неметаллы и металлоиды

По свойствам простых веществ элементы делят на металлы и неметаллы, и это деление хорошо согласуется с электронным строением. У металлов во внешнем слое мало электронов, они слабо связаны с ядром и в простом веществе становятся общими для всего кристалла — образуется металлическая связь, отсюда электропроводность и блеск. У неметаллов внешних электронов много, они связаны прочно, и атомы соединяются ковалентными связями в молекулы или каркасы. Из 118 элементов около 95 — металлы; неметаллов (вместе с благородными газами) 17–18.

Между металлами и неметаллами — металлоиды, элементы с промежуточными свойствами. Их список не установлен окончательно: американский химик Ричард Вернон, проанализировав 194 списка металлоидов в литературе, нашёл, что чаще всего к ним относят бор, кремний, германий, мышьяк, сурьму и теллур [10]. Металлоиды образуют простые вещества с металлическим блеском, но полупроводниковой проводимостью; их оксиды амфотерны или слабокислотны. Именно металлоиды кремний и германий стали основой электроники.

Важно. Граница между металлами и неметаллами зависит от условий. Олово существует в двух формах: белое олово — металл, серое — полупроводник со структурой алмаза, и при охлаждении ниже 13 °C белое олово медленно переходит в серое, рассыпаясь в порошок («оловянная чума»). Водород при давлениях в миллионы атмосфер, по расчётам и некоторым опытам, становится металлом. Углерод в форме графита проводит ток почти как металл, в форме алмаза — изолятор.

18. Семейства элементов

Некоторые группы и ряды элементов имеют собственные названия, принятые ИЮПАК. Щелочные металлы — элементы группы 1, кроме водорода: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций; название от слова «щёлочь» — их гидроксиды самые сильные основания. Щелочноземельные металлы — элементы группы 2; в русской традиции к ним относили только кальций, стронций, барий и радий, а ИЮПАК включает и бериллий с магнием. Халькогены — элементы группы 16 («рождающие руды»: многие руды — оксиды и сульфиды). Галогены — группа 17 («рождающие соли»). Благородные газы — группа 18.

Есть и семейства, выделенные по другим признакам. Переходные металлы — d-элементы. Платиновые металлы — рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина, похожие химически и встречающиеся вместе в природе. Лантаноиды — пятнадцать элементов от лантана до лютеция (или четырнадцать, если лантан или лютеций отнести к третьей группе). Редкоземельные элементы — лантаноиды вместе со скандием и иттрием. Актиноиды — от актиния до лоуренсия. Название «пниктогены» для группы 15 тоже входит в список собирательных названий ИЮПАК, а «тетрели» для группы 14 встречаются в научной литературе, но официально не закреплены [11].

19. Элементы разных блоков вокруг нас

s-Элементы — натрий, калий, магний и кальций — входят в число главных элементов живых организмов. Ионы натрия и калия создают разность потенциалов на мембранах нервных клеток, ион кальция управляет сокращением мышц и входит в кости и раковины, ион магния — в хлорофилл и в сотни ферментов. Литий — основа литий-ионных аккумуляторов, а соли лития используют в медицине.

p-Блок — это вся органическая химия (углерод, азот, кислород, сера, фосфор, галогены), полупроводниковая электроника (кремний, германий, арсенид галлия), стекло и керамика (кремний, алюминий, бор). Из d-элементов сделана большая часть конструкционных материалов — железо и стали, титан, хром, никель, медь, — а также катализаторы химической промышленности. Микроколичества железа, меди, цинка, кобальта, марганца и молибдена необходимы для работы ферментов.

f-Элементы, ещё век назад казавшиеся химическими курьёзами, стали основой современных технологий. Неодимовые магниты стоят в двигателях электромобилей и ветрогенераторах, европий и тербий — в люминофорах, эрбий — в усилителях оптоволоконных линий связи, гадолиний — в контрастных веществах для магнитно-резонансной томографии. Уран и плутоний — топливо атомных станций, вырабатывающих около десятой части электроэнергии мира.

20. Главные и побочные подгруппы и группы с 1 по 18

В короткой форме таблицы Менделеева восемь групп, и каждая делится на главную подгруппу (A) и побочную (B). В главных подгруппах — s- и p-элементы, в побочных — d-элементы. Номер группы для обеих подгрупп совпадает с высшей степенью окисления и с числом валентных электронов: в VIIA-группе хлор (3s²3p⁵, высшая степень +7), в VIIB-группе марганец (3d⁵4s², тоже +7). Восьмая группа побочной подгруппы объединяет по три элемента каждого периода — железо, кобальт, никель и их аналоги — а элементы главной VIIIA-подгруппы — благородные газы.

В 1988 году ИЮПАК рекомендовал нумеровать группы длинной таблицы подряд от 1 до 18 [12]. Это устранило путаницу: в США буквы A и B использовали иначе, чем в Европе, и одна и та же «IIIB-группа» означала в разных книгах разные элементы. По новой нумерации s-элементы — группы 1 и 2, d-элементы — группы 3–12, p-элементы — группы 13–18. Переход простой: для групп 1–2 номер тот же; для d-элементов групп 3–7 номер совпадает с номером B-подгруппы, группы 8, 9, 10 — бывшая VIIIB, 11 и 12 — IB и IIB; для p-элементов номер группы — номер A-подгруппы плюс 10. На ЕГЭ используется короткая форма таблицы, но в задачах всё чаще встречаются обе.

21. Спорные места: водород, гелий, лантан и лютеций

Электронное строение не всегда однозначно указывает место элемента. Водород (1s¹) ставят над литием, потому что у него один электрон, как у щелочных металлов, или над фтором, потому что до заполненного слоя ему не хватает одного электрона, как галогенам; иногда — отдельно над таблицей. Все три варианта встречаются в учебниках. Гелий (1s²) по конфигурации — s-элемент, аналог бериллия, но по свойствам — благородный газ, и его ставят в 18-ю группу. Так поступают почти все таблицы, кроме таблицы Жане.

Самый долгий спор — о третьей группе. В старых таблицах под скандием и иттрием стоят лантан и актиний, а лантаноиды начинаются с церия. В 1982 году американский историк химии Уильям Йенсен на основании электронного строения и свойств доказывал, что под иттрием должны стоять лютеций и лоуренсий [13]. В 2015 году ИЮПАК создал рабочую группу по этому вопросу; её промежуточный доклад 2021 года склоняется к варианту Sc, Y, Lu, Lr, при котором f-блок становится ровно по 14 элементов шириной [14]. Окончательное решение не принято, и в разных изданиях можно встретить оба варианта и третий, где в третьей группе оставлены пустые места.

22. Формы периодической таблицы

Периодическую систему изображают по-разному: за полтора века предложено больше тысячи вариантов. Короткая форма с восемью группами и подгруппами компактна и удобна для изучения степеней окисления — ею пользуются в российской школе и на ЕГЭ. Длинная 18-колоночная форма прямо показывает блоки — её рекомендует ИЮПАК и используют в мировой литературе [15]. Сверхдлинная 32-колоночная форма помещает f-элементы на их места в периодах и честнее всего отражает строение, но неудобна в печати. Таблица «левого шага» Жане (1928) строго следует порядку заполнения, ставя гелий над бериллием [16].

Существуют спиральные и объёмные таблицы. В 1964 году американский химик Теодор Бенфи предложил спиральную таблицу, где элементы идут по спирали от водорода, а d- и f-блоки образуют выступы; в ней нет «разрывов» между периодами. Современный взгляд на таблицу дали квантовая химия и физика: периодичность — следствие уравнения Шрёдингера для многоэлектронных атомов, а её особенности у тяжёлых элементов определяются релятивистскими эффектами [17], [18].

23. История изучения

Классификация элементов прошла три этапа. Первый — описательный: Лавуазье в 1789 году разделил простые вещества на газы, неметаллы, металлы и «земли», Берцелиус ввёл символы и деление на металлы и металлоиды. Второй — поиск численных закономерностей: триады Дёберейнера (1829), спираль де Шанкуртуа (1862), октавы Ньюлендса (1865), и наконец периодический закон Менделеева (1869) и Мейера (1870), подтверждённый открытием предсказанных элементов — галлия (1875), скандия (1879) и германия (1886) — и вписавшимися в систему благородными газами (1894–1900).

Третий этап — физическое объяснение. Мозли (1913) установил, что порядок элементов задаёт заряд ядра, Бор (1922) объяснил периодичность заполнением оболочек, Паули (1925) — ёмкости подуровней. Сиборг (1945) выделил ряд актиноидов, ИЮПАК (1988) ввёл нумерацию групп от 1 до 18, а синтез элементов до 118-го (2010) заполнил седьмой период. Обсуждение места отдельных элементов продолжается и сегодня.

24. Частые ошибки

• «Хром и медь — s-элементы, раз у них 4s¹». Блок определяется подуровнем, который заполняется по порядку Клечковского; у хрома и меди это 3d, они d-элементы.
• «Все элементы побочных подгрупп — неметаллы или металлоиды». Все d- и f-элементы — металлы: во внешнем слое у них один-два электрона.
• «Номер группы для d-элемента равен числу внешних электронов». Во внешнем слое у d-элементов обычно два электрона; номер группы (для групп 3–7) — сумма внешних s- и предвнешних d-электронов.
• «Гелий — p-элемент, потому что стоит в группе с неоном». У гелия нет p-электронов: 1s², это s-элемент, хотя по свойствам он благородный газ.
• «Алюминий — d-элемент, потому что амфотерен, как цинк». Алюминий [Ne]3s²3p¹ — p-элемент; амфотерность связана с зарядом и размером иона, а не с блоком.
• «Металлоиды — это то же, что неметаллы». Металлоиды (B, Si, Ge, As, Sb, Te) — элементы с промежуточными свойствами: блеск и полупроводниковая проводимость, амфотерные или слабокислотные оксиды.
• «Менделеев расположил элементы по заряду ядра». Менделеев располагал по атомным массам, корректируя порядок по свойствам; о заряде ядра в 1869 году не знали.

25. Интересные факты

• Элемент 101 назван менделевием в честь Менделеева; его синтезировали в 1955 году в Беркли, получив сначала всего 17 атомов. Авторы — Гленн Сиборг с сотрудниками — подчеркнули, что называют элемент в честь русского учёного в разгар холодной войны.
• Германий назвали в честь Германии, галлий — по латинскому имени Франции (Галлия), а скандий — в честь Скандинавии. Ходили слухи, что Лекок де Буабодран назвал галлий и в свою честь: «лекок» по-французски — «петух», по-латыни gallus. Сам он это отрицал.
• Менделеева несколько раз выдвигали на Нобелевскую премию, но он её так и не получил: в 1906 году Нобелевский комитет по химии рекомендовал его, однако Шведская академия наук присудила премию Анри Муассану за получение фтора.
• В 1869 году Менделеев знал 63 элемента. Сегодня их 118, и каждый новый подтверждал периодический закон.
• Слово «лантаноид» означает «подобный лантану», а «лантан» — от греческого «скрываться»: оксид лантана долго «прятался» в оксиде церия, из которого его выделил Карл Мосандер в 1839 году.
• Платиновые металлы родий, палладий, осмий и иридий открыли в 1803–1804 годах два английских химика — Уильям Волластон и Смитсон Теннант, — изучая остаток от растворения сырой платины в царской водке.

26. Частые вопросы

Как определить блок элемента?

Записать конфигурацию по правилу Клечковского и посмотреть, какой подуровень заполняется последним. Проще — по месту в таблице: группы 1–2 (и гелий) — s, группы 13–18 — p, группы 3–12 — d, лантаноиды и актиноиды — f.

Почему d-элементы называют переходными?

Менделеев и его последователи считали их «переходными» между элементами главных подгрупп, а сегодня — элементами, в которых заполняется внутренний d-подуровень. Строго по ИЮПАК переходные элементы — те, у которых d-подуровень в атоме или обычном ионе заполнен не полностью; цинк, кадмий и ртуть формально к ним не относятся.

Чем главная подгруппа отличается от побочной?

В главных подгруппах — s- и p-элементы, у которых заполняется внешний слой; в побочных — d-элементы, у которых заполняется предвнешний. Общее у элементов главной и побочной подгрупп одной группы — число валентных электронов и высшая степень окисления: хлор и марганец — +7, сера и хром — +6.

Почему лантаноиды так похожи друг на друга?

У них одинаковы внешний (6s²) и предвнешний слои, а различаются они числом электронов на глубоком 4f-подуровне, почти не участвующем в химических связях.

Будут ли открыты новые блоки?

Если получат элементы восьмого периода, после 8s по правилу Клечковского начнётся g-блок с 18 элементами (5g). Пока синтезировать элементы тяжелее 118-го не удалось, а расчёты показывают, что релятивистские эффекты сильно перемешают порядок подуровней.

27. Что пока не решено

Состав третьей группы

Лантан и актиний или лютеций и лоуренсий — этот вопрос обсуждается с 1980-х годов и до сих пор не закрыт [14]. Аргументы основаны на конфигурациях, свойствах простых веществ и соединений, на непрерывности рядов. Решение важно не для химии, а для логики таблицы: от него зависит, будет ли f-блок ровно 14 элементов шириной.

Где закончится таблица

Сколько элементов может существовать и как будут устроены восьмой и следующие периоды, неизвестно. Расчёты предсказывают, что у элементов с номерами больше 120 порядок подуровней будет так сильно нарушен, что периодичность в привычном виде исчезнет, и периодический закон, возможно, придётся формулировать иначе [19].

Периодичность при высоких давлениях

При давлениях в сотни тысяч и миллионы атмосфер, как в недрах планет, элементы меняют свойства: натрий становится прозрачным диэлектриком, калий — переходным металлом с участием 3d-орбиталей, а гелий может образовать соединение с натрием Na₂He, полученное в 2017 году [20]. Как выглядела бы «периодическая система при высоком давлении», активно изучают.

28. ЕГЭ

Тема относится к элементу 1.1 кодификатора: «Классификация химических элементов. Особенности строения энергетических уровней атомов (s-, p-, d-элементов)» [21]. В заданиях 1 и 2 нужно определять принадлежность элементов к s-, p-, d-элементам, к металлам и неметаллам, сравнивать строение внешних слоёв и свойства элементов одной группы или периода.

Что обязательно знать

• s-элементы — группы IA и IIA (и H, He): внешний слой ns^1–2.
• p-элементы — группы IIIA–VIIIA: внешний слой ns²np^1–6.
• d-элементы — побочные подгруппы: (n−1)d^1–10ns^1–2; все они металлы.
• Номер периода — число электронных слоёв; номер группы главной подгруппы — число внешних электронов.
• Металлические свойства растут вниз по группе и влево по периоду; граница металлов и неметаллов — от B к At.

Разбор типичных формулировок

«Выберите два d-элемента: Ca, Fe, Ga, Cr, Se». Fe (3d⁶4s²) и Cr (3d⁵4s¹). Кальций — s-элемент, галлий и селен — p-элементы.

«Какие элементы имеют конфигурацию внешнего слоя ns²np⁴?» Халькогены — O, S, Se, Te.

«Выберите два элемента, которые образуют высшие оксиды состава ЭO₃: S, Cr, N, P, Mn». Сера (SO₃) и хром (CrO₃): оба в VI группе — главной и побочной.

29. Для олимпиад

Предсказание свойств по положению

Менделеев предсказывал свойства неизвестных элементов, усредняя свойства соседей «по кресту» — сверху, снизу, слева и справа. Применим этот приём к германию, зная сегодня всех его соседей. Атомная масса: среднее кремния (28) и олова (118) — 73, среднее галлия (70) и мышьяка (75) — 72,5; итог около 72 (германий — 72,6). Плотность: кремний 2,3, олово 7,3 — среднее 4,8; галлий 5,9, мышьяк 5,7 — среднее 5,8; итог около 5,3 (германий — 5,35). Такой метод интерполяции применяют и сегодня для оценки свойств сверхтяжёлых элементов, хотя релятивистские эффекты делают его ненадёжным.

Диагональное сходство

Литий по многим свойствам ближе к магнию, чем к натрию; бериллий — к алюминию; бор — к кремнию. Литий, как магний, образует нитрид Li₃N при горении на воздухе, малорастворимые фторид, карбонат и фосфат; бериллий, как алюминий, амфотерен и пассивируется концентрированной азотной кислотой. Причина — близкое отношение заряда иона к его радиусу («ионный потенциал»): у Li⁺ и Mg²⁺ радиусы 76 и 72 пм при зарядах +1 и +2, но поляризующее действие на анионы сходно из-за малого размера лития.

Число элементов в блоке и периоде

Число элементов блока в периоде равно ёмкости подуровня 2(2l + 1): 2, 6, 10, 14, 18 для s, p, d, f, g. В таблице Жане каждый период объединяет все подуровни с одинаковой суммой n + l, и число элементов в нём равно 2m² при m = 1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4: 2, 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32.

30. Задания с разбором

Задание 1

К каким блокам относятся элементы: Na, Al, Ti, S, Ba, Zn, Br, Ce?

Задание 2

Какая общая электронная формула внешнего слоя у атомов элементов VA-группы (15-й группы)? Назовите эти элементы.

Задание 3

Проверьте триаду Дёберейнера литий — натрий — калий: близка ли атомная масса натрия к среднему лития (6,94) и калия (39,10)?

Задание 4

Почему Менделеев поставил теллур (127,6) перед йодом (126,9), нарушив порядок атомных масс? Как это объяснили позже?

Задание 5

Выберите все d-элементы: K, V, Ge, Mn, Ca, Cu, As.

Задание 6

Какие из перечисленных элементов — металлоиды: B, Al, Si, P, Ge, As, Se?

Задание 7

Переведите номера групп: IIA, VIIA, VIB, IB, VIIIA — в номера длинной таблицы.

Задание 8

Почему все d-элементы — металлы?

Задание 9

Выберите два элемента, которые находятся в одной группе, но в разных подгруппах и имеют одинаковую высшую степень окисления: Cl, S, Mn, Fe, P.

Задание 10

Сколько s-, p-, d- и f-элементов в шестом периоде?

Задание 11

Почему благородные газы не помещались в таблицу Менделеева 1869 года и куда их поставили позже?

Задание 12

Выберите верные утверждения. 1) Гелий — s-элемент. 2) Все p-элементы — неметаллы. 3) Номер периода равен числу электронных слоёв. 4) Лантаноиды — d-элементы. 5) У s-элементов во внешнем слое один или два электрона. 6) Медь — s-элемент.

Задание 13

Предскажите формулу высшего оксида, характер гидроксида и летучего водородного соединения селена по его положению в таблице.

Задание 14

Объясните, почему у лития свойства ближе к магнию, чем у натрия.

Задание 15

По «методу креста» оцените плотность германия, если плотности его соседей: Si — 2,33, Sn — 7,29, Ga — 5,91, As — 5,73 г/см³.

Задание 16 (олимпиадное)

Рэлей обнаружил, что литр азота из воздуха весит 1,2572 г, а литр азота из соединений — 1,2505 г. Считая, что «атмосферный азот» — смесь азота (28) и аргона (40), оцените долю аргона по объёму.

Задание 17 (олимпиадное)

Предскажите конфигурацию внешнего слоя и вероятные степени окисления элемента 117 (теннессина).

Задание 18 (олимпиадное)

Почему лантаноиды и актиноиды выносят в отдельные ряды под таблицей? Сколько клеток в ширину имела бы таблица без этого?

Задание 19 (олимпиадное)

Сколько элементов было бы в восьмом периоде, если бы он строился по правилу Клечковского (8s, 5g, 6f, 7d, 8p)?

Задание 20 (олимпиадное)

Ниобий в основном состоянии имеет конфигурацию [Kr]4d⁴5s¹, а ванадий — [Ar]3d³4s². Почему оба относятся к одной группе и проявляют одинаковую высшую степень окисления?

Литература

1. Scerri E. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. 2nd ed. New York: Oxford University Press, 2020. DOI: 10.1093/oso/9780190914363.001.0001.
2. Lavoisier A.-L. Traité élémentaire de chimie. Paris: Cuchet, 1789. 2 vol.
3. Döbereiner J. W. Versuch zu einer Gruppirung der elementaren Stoffe nach ihrer Analogie // Annalen der Physik. 1829. Bd. 91, № 2. S. 301–307. DOI: 10.1002/andp.18290910217.
4. Gordin M. D. A Well-Ordered Thing: Dmitrii Mendeleev and the Shadow of the Periodic Table. New York: Basic Books, 2004. 357 p.
5. Rayleigh (Strutt J. W.), Ramsay W. Argon, a new constituent of the atmosphere // Philosophical Transactions of the Royal Society of London A. 1895. Vol. 186. P. 187–241. DOI: 10.1098/rsta.1895.0006.
6. Bohr N. The structure of the atom (Nobel lecture) // Nature. 1923. Vol. 112, № 2801. P. 29–44. DOI: 10.1038/112029a0.
7. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”): transition element. 2014. DOI: 10.1351/goldbook.T06456.
8. Seaborg G. T. The chemical and radioactive properties of the heavy elements // Chemical & Engineering News. 1945. Vol. 23, № 23. P. 2190–2193. DOI: 10.1021/cen-v023n023.p2190.
9. Kutzelnigg W. Chemical bonding in higher main group elements // Angewandte Chemie International Edition in English. 1984. Vol. 23, № 4. P. 272–295. DOI: 10.1002/anie.198402721.
10. Vernon R. E. Which elements are metalloids? // Journal of Chemical Education. 2013. Vol. 90, № 12. P. 1703–1707. DOI: 10.1021/ed3008457.
11. Connelly N. G., Damhus T., Hartshorn R. M., Hutton A. T. (eds.). Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005. Cambridge: RSC Publishing, 2005. 366 p.
12. Fluck E. New notations in the periodic table // Pure and Applied Chemistry. 1988. Vol. 60, № 3. P. 431–436. DOI: 10.1351/pac198860030431.
13. Jensen W. B. The positions of lanthanum (actinium) and lutetium (lawrencium) in the periodic table // Journal of Chemical Education. 1982. Vol. 59, № 8. P. 634–636. DOI: 10.1021/ed059p634.
14. Scerri E. Provisional report on discussions on group 3 of the periodic table // Chemistry International. 2021. Vol. 43, № 1. P. 31–34. DOI: 10.1515/ci-2021-0115.
15. Leigh G. J. Periodic tables and IUPAC // Chemistry International. 2009. Vol. 31, № 1. P. 4–6. DOI: 10.1515/ci.2009.31.1.4.
16. Stewart P. J. Charles Janet: unrecognized genius of the periodic system // Foundations of Chemistry. 2010. Vol. 12, № 1. P. 5–15. DOI: 10.1007/s10698-008-9062-5.
17. Schwerdtfeger P., Smits O. R., Pyykkö P. The periodic table and the physics that drives it // Nature Reviews Chemistry. 2020. Vol. 4, № 7. P. 359–380. DOI: 10.1038/s41570-020-0195-y.
18. Wang S.-G., Schwarz W. H. E. Icon of chemistry: the periodic system of chemical elements in the new century // Angewandte Chemie International Edition. 2009. Vol. 48, № 19. P. 3404–3415. DOI: 10.1002/anie.200800827.
19. Pyykkö P. A suggested periodic table up to Z ≤ 172, based on Dirac–Fock calculations on atoms and ions // Physical Chemistry Chemical Physics. 2011. Vol. 13, № 1. P. 161–168. DOI: 10.1039/C0CP01575J.
20. Dong X., Oganov A. R., Goncharov A. F. et al. A stable compound of helium and sodium at high pressure // Nature Chemistry. 2017. Vol. 9, № 5. P. 440–445. DOI: 10.1038/nchem.2716.
21. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.