4. Зв’язок періодичної системи з будовою атомів

Періодична система як графічне відображення періодичного закону складається з періодів і груп. Існує два основні варіанти подання періодичної системи – коротко- та довгоперіодний. Структура останнього краще відбиває взаємозв’язок з будовою атомів і нині рекомендують розглядати саме цей варіант під час вивчення закономірностей у властивостях подібних між собою елементів.

Короткоперіодний варіант періодичної системи складається із семи періодів і восьми груп.

Періодами називають горизонтальні ряди елементів, розміщених у порядку поступового безперервного зростання зарядів атомних ядер. У межах періодів властивості елементів якісно змінюються: від типових металів до типових неметалів; закінчується період інертним газом.

Усі періоди, за винятком першого, який складається з двох елементів (водню та гелію), парні, тобто попарно вміщують однакове число елементів. У другому і третьому періодах – по 8 елементів, у четвертому і п’ятому – по 18, у шостому – 32 елементи. Таким самим, як і шостий, має бути і сьомий період, але він ще недобудований, і відкриті останнім часом елементи вміщують у цей період.

Періоди розміщені один під одним так, що хімічні елементи з подібними властивостями виявляються згрупованими. Зауважимо ще раз: усі атоми одного й того самого елемента та їх властивості, які залежать від заряду ядра і відповідного числа електронів є однаковими. І навіть тут є особливості, пов’язані з наявністю ізотопів. Однак періодичний закон засвідчує дуже велику подібність між деякими різними елементами, яка періодично повторюється.

Такі подібні між собою елементи розміщують стовпчиками, вони утворюють у періодичній системі групу. У короткоперіодному варіанті системи групи довелось розділити на підгрупи: головну і побічну, або А і В, оскільки елементи, які їх утворюють, мають дуже різні властивості. Подібність властивостей деяких сполук елементів різних підгруп мало споріднює ці підгрупи.

До головної підгрупи в короткоперіодному варіанті системи входять елементи, розміщені під елементами другого і третього періодів. Елементи, зміщені відносно елементів головної підгрупи, становлять побічну підгрупу. Побічна підгрупа восьмої групи відрізняється від інших тим, що складається з трьох елементів у кожному періоді – так званих тріад елементів.

Ускладненою є і побічна підгрупа третьої групи. З неї окремо винесено під семиперіодну систему два ряди по 14 елементів з дуже близькими властивостями. Їх віднесено до двох окремих місць у системі і за назвами родоначальних елементів – лантану-57 (₅₇La) та актинію-89 (₈₉Ac), названо лантаноїдами та актиноїдами.

Місце кожного елемента в періодичній системі тісно пов’язане з будовою його атома.

У межах елементів, які складають період, відбувається поступова забудова електронами зовнішнього, а часто й передостаннього енергетичних підрівнів. Підрівні, що заповнюються, називають валентними. Електрони та орбіталі цих підрівнів беруть участь в утворенні хімічних зв’язків. Число таких електронів збільшується на одиницю в разі переходу від попереднього елемента до наступного, а отже, змінюється здатність утворювати певне число хімічних зв’язків, а тому змінюється хімічна поведінка атомів елементів.

Номер періоду збігається з найбільшим значенням головного квантового числа n на валентних підрівнях.

Кожен період починається забудовою s-підрівня, а закінчується, за винятком першого і сьомого, формуванням р-підрівня. Починаючи з четвертого періоду, з’являється і заповнюється електронами d-підрівень, а в шостому і сьомому періодах – f-підрівень.

Елементи, в яких з’являється і забудовується електронами s-підрівень, називають s-елементами. Таких елементів у кожному періоді є по два. Вони утворюють головні підгрупи першої і другої груп періодичної системи. Отже, хімічна подібність цих та інших елементів, які становлять одну й ту саму підгрупу, зумовлена аналогічною будовою їхніх валентних електронних підрівнів.

В аналогічній забудові валентних підрівнів полягає хімічна подібність елементів, які входять до окремих підгруп періодичної системи.

За винятком водню та гелію, усі s-елементи є типовими металами з усіма притаманними металам властивостями.

Хімічні елементи, в яких s-підрівень уже сформований, і відбувається поступове заповнення електронами р-підрівня, називають р-елементами.

Максимальне число таких елементів дорівнює шести, що відповідає максимальній ємкості р-підрівня. Отже, звідси зрозуміло, чому в другому та третьому періодах розміщено по 8 елементів – це відповідає граничній сумі електронів на s- та р- підрівнях. р-Елементи складають головні підгрупи від третьої до восьмої груп: переважна кількість p-елементів є неметалами, хоча серед них є й метали. Неметалічні властивості p-елементів посилюються в напрямку від третьої до сьомої групи. Головну підгрупу восьмої групи утворюють інертні гази. Вони, крім гелію; також є p-елементами і характеризуються наявністю повністю забудованих електронами s- та р-підрівнів.

Електронна конфігурація зовнішнього s²p⁶-рівня є особливо стійкою. Здатність елементів до певних хімічних взаємодій здебільшого пов’язують з їхнім намаганням отримати стійку восьмиелектронну конфігурацію інертних газів. Проте і тут є винятки, коли утворюються сполуки з дефіцитом (наприклад, ВСl₃) чи надлишком (як PCl₅) електронів зв’язку.

Побічні підгрупи елементів усіх груп складені з елементів, у атомах яких заповнюється (n – 1)d-електронний підрівень. Їх називають d-елементами. Всі вони є металами. За максимальним числом електронів на d-підрівні таких елементів у періоді має бути десять, але в сьомому періоді ще не всі d-елементи відомі. У процесі формування d-підрівня можливі особливості, пов’язані з «провалюванням» електрона з ns- на (n – 1)d-підрівень. Зазвичай це трапляється, коли замість конфігурацій (n – 1)d⁴ns² і (n – 1)d⁹ns² виникають (n – 1)d⁵ns¹ і (n – 1)d¹⁰ns¹, що пов’язують з більшою стійкістю наполовину і повністю сформованого d-підрівня порівняно з ns² (наприклад, Хром та Купрум).

У шостому і сьомому періодах з’являються елементи, в атомах яких забудовується (n – 2) f-електронний підрівень. Таких елементів – по 14, що відповідає максимально можливому числу f-електронів. Ці елементи називають f-елементами. Всі вони є хімічно активними металами, надзвичайно подібними між собою за властивостями, оскільки підрівень, що формується, майже не впливає на хімічну поведінку цих елементів. Валентні підрівні згаданих металів практично однакові. Іноді спостерігається перехід одного електрона з (n – 2)f- на (n – 1)d-підрівень. Як уже зазначалося, f-елементи умовно розміщують в одній клітинці з ₅₇La (лантаноїди) та з ₈₉Аc (актиноїди).

Визначення елементів побічних підгруп за електронною будовою їхніх атомів складніше. Так, номеру групи для елементів побічних підгруп з третьої до сьомої групи відповідає сума електронів на валентних (n – 1)d- і ns-підрівнях. Для елементів побічних підгруп першої і другої груп номеру групи відповідає число електронів на ns-підрівні атома, оскільки (n – 1)d-підрівень повністю сформований. Якщо ж елемент належить до тріад восьмої групи, то сума електронів на валентних (n – 1)d- і ns-підрівня його атома змінюється від 8 до 10.

Часто подібні між собою елементи мають певні узагальнені назви. Так, s-метали І групи називають лужними; Са, Sr, Ва – лужноземельними; d-метали – перехідними; елементи другого та третього періодів – типовими; p-елементи VII групи – галогенами, а їхні бінарні сполуки – галогенідами; р-елементи VI групи (крім кисню) – халькогенами (відповідно, халькогеніди); р-елементи V групи – пніктогенами (бінарні сполуки – пніктогеніди), пасивні та рідкісні d-метали п’ятого і шостого періодів VIII групи – платиновими.