Периодический закон и структура таблицы

Периодический закон (современная формулировка): свойства элементов, а также состав и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядер атомов. Физический смысл периодичности — периодическое повторение строения внешнего электронного слоя при росте \(Z\).

• Номер периода = число энергетических уровней в атоме. Малые периоды (1–3) содержат только \(s\)- и \(p\)-элементы, большие (4–7) — ещё \(d\)- и \(f\)-элементы.
• Номер А-группы = число электронов на внешнем уровне = число валентных электронов = высшая степень окисления (исключения: \(\ce{O}\), \(\ce{F}\), благородные газы \(\ce{He}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Ar}\)). У \(d\)-элементов правило действует не всегда: у \(\ce{Cu}\) (IБ) высшая степень окисления \(+2\), у \(\ce{Au}\) — \(+3\), у \(\ce{Fe}\) (VIIIБ) обычно \(+3\), редко \(+6\).

Высший оксид элемента группы \(N\) имеет формулу \(\mathrm{Э_2O}_N\) (для чётных \(N\) индексы сокращают):

Летучие водородные соединения \(\mathrm{ЭH}_{8-N}\) образуют неметаллы IV–VII групп. Металлы I–III групп летучих водородных соединений не дают: их гидриды \(\ce{NaH}\), \(\ce{CaH2}\) — ионные твёрдые вещества, в которых водород имеет степень окисления \(-1\).

Периоды и группы. Первый, второй и третий периоды — малые (в них 2, 8 и 8 элементов) и состоят только из элементов главных подгрупп; начиная с четвёртого периоды большие: между II и III группами в них вставлены по десять \(d\)-элементов (в 4-м периоде — от скандия до цинка). В короткой форме таблицы восемь групп, и каждая делится на главную (А) и побочную (Б) подгруппы; в длинной форме подгруппы стали самостоятельными группами, и групп восемнадцать:

В короткой форме одна группа объединяет элементы обеих подгрупп: калий (IА) и медь (IБ) стоят в I группе, кальций и цинк — во II, хлор и марганец — в VII. Свойства элементов главной и побочной подгрупп различаются, поэтому закономерности задания 2 относятся к главным подгруппам. Гелий — \(s\)-элемент \((\cfg{1s^2})\), хотя стоит над \(p\)-элементами неоном и аргоном; цинк, у которого \(d\)-подуровень уже заполнен, тоже относят к \(d\)-элементам.

Металлы и неметаллы. Если провести в таблице диагональ от бора к астату (\(\ce{B}\) — \(\ce{Si}\) — \(\ce{As}\) — \(\ce{Te}\) — \(\ce{At}\)), неметаллы окажутся над ней и правее неё, металлы — под ней и левее. Бор, кремний и мышьяк, лежащие на самой диагонали, по школьной традиции относят к неметаллам; бериллий, алюминий, галлий, олово, цинк, медь и все \(d\)-элементы — металлы. Германий, сурьма и теллур проявляют промежуточные свойства, а благородные газы составляют особую группу, поэтому в задания с отбором металлов и неметаллов их не включают.

Высшая степень окисления элемента главной подгруппы равна номеру группы, потому что больше электронов внешнего слоя атом отдать не может. Исключения — кислород (высшая степень окисления \(+2\), только во фториде кислорода \(\ce{OF2}\)), фтор (во всех соединениях \(-1\)) и благородные газы \(\ce{He}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Ar}\), которые соединений не образуют. У \(d\)-элементов от скандия до марганца высшая степень окисления тоже равна номеру группы: \(\ce{Sc2O3}\) \((+3)\), \(\ce{TiO2}\) \((+4)\), \(\ce{V2O5}\) \((+5)\), \(\ce{CrO3}\) \((+6)\), \(\ce{Mn2O7}\) \((+7)\); у железа, кобальта и никеля правило не выполняется. Бром и иод проявляют степень окисления \(+7\) (\(\ce{HBrO4}\), \(\ce{HIO4}\)), но высшие оксиды для них нехарактерны: оксиды брома неустойчивы, а у иода устойчив \(\ce{I2O5}\). Валентность и степень окисления в высшем оксиде совпадают у всех элементов, кроме азота: в \(\ce{N2O5}\) и \(\ce{HNO3}\) азот образует четыре связи (одну — по донорно-акцепторному механизму), его валентность IV, а степень окисления \(+5\).

Оксиды образуют почти все элементы; исключения — благородные газы \(\ce{He}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Ar}\), \(\ce{Kr}\) и фтор: \(\ce{OF2}\) называют фторидом кислорода, потому что фтор электроотрицательнее кислорода. Летучих водородных соединений нет у металлов (в том числе у бериллия, магния, алюминия и цинка) и у благородных газов. Валентность элемента в летучем водородном соединении равна \(8 - N\): IV у углерода и кремния, III у азота, фосфора и мышьяка, II у кислорода, серы и селена, I у галогенов. В периоде она слева направо уменьшается, в группе не меняется; у элементов IV–VII групп, кроме кислорода и фтора, сумма высшей степени окисления и валентности в водородном соединении равна 8: у серы \(6 + 2\), у хлора \(7 + 1\).