2.2 Періодична система хімічних елементів

Періодична система елементів є графічним відображенням періодичного закону.

У найбільш розповсюдженій – короткій формі таблиці Д.І.Мендєлєєва всі відомі на цей час елементи  підрозділяються на сім горизонтальних періодів і вісім вертикальних груп. Елементи великих періодів (починаючи з четвертого) поділяються, крім того, на два горизонтальних ряди. У кожній групі елементи великих періодів підрозділяються на дві підгрупи: головну (А) і побічну (В). До головних підгруп входять елементи малих (I–Ш) періодів (типові елементи) і подібні до них елементи великих (IV-VII) періодів. Побічні підгрупи складаються із елементів тільки великих періодів.

Сучасна періодична система елементів складається із семи періодів, з яких I, II і III містять по одному ряді елементів і називаються малими періодами, а IV, V, VI і VII називаються великими періодами, IV, V і VI періоди містять по два ряди елементів, VII період – незавершений. Всі періоди, за винятком першого, що містить лише два елементи, починаються лужним металом і закінчуються інертним газом.

У великих періодах перехід властивостей від активного металу до інертного газу відбувається більш плавно, ніж у малих періодах. Більші періоди складаються з парних і непарних рядів. У цих періодах спостерігається подвійна періодичність: крім характерної для всіх періодів зміни властивостей від лужного металу до інертного газу спостерігається також зміна властивостей у межах парного ряду й окремо – у межах непарного ряду. Наприклад, у парному ряді IV періоду валентність змінюється від одиниці в калію до семи в мангану; після тріади ферум-кобальт-нікол відбувається така ж зміна валентності в непарному ряді: від одиниці у купруму до семи в брому. Подібна подвійна періодичність спостерігається й в інших великих періодах.

В елементів парних рядів переважають металічні властивості, і їх ослаблення є плавним. У непарних рядах відбувається помітне ослаблення металічних властивостей і посилення неметалічних.

На початку ХХ століття накопичилися нові факти, які дозволили усунути неточності, допущені Менделєєвим при формуванні періодичної системи:

а) відкриття електрона;

б) явище радіоактивності;

в) планетарна модель будови атома за Резерфордом;

г) розвиток квантової фізики і хімії;

д) умови стійкості молекули водню.

2.3 Сучасні уявлення про будову атомів хімічних елементів

Відомо, що атом складається з ядра та електронів. Співвідношення між розмірами ядра і атома наступні: якщо уявити атом як кульку, то діаметр його d_атома ≈ 10^–9 м, діаметр ядра d_ядра ≈ 10^–13 м, то d_атома/d_ядра = 10⁴. Нехай уявно ядро має діаметр 1 мм (величина макового зернятка), тоді діаметр атома становитиме 10⁴ мм = 10 м (величина великої зали).

В складі ядра є так звані нуклони (від лат. nucleous – ядро) – це протони та нейтрони, маса яких відповідно дорівнює 1,007 а.о.м. та 1,009 а.о.м.; з точністю до сотих маси їх однакові і дорівнюють 1 а.о.м. Нейтрон заряду немає – частинка електронейтральна, а протон має позитивний заряд, який дорівнює +1 (найменша умовна одиниця заряду, відповідно дорівнює 1,602·10^–19 Кл). Між нуклонами діють внутріядерні сили взаємодії, які детально вивчаються в фізиці). Вся маса атома зосереджена в ядрі, так як маса електрону в 1836 разів менша, ніж маса протона чи нейтрона і складає 0,00055 а.о.м.

Число нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів називається масовим числом і позначається буквою А; кількість протонів та нейтронів відповідно позначаються через Z і N, тоді масове число визначають як суму:

А = Z + N

Електрон (ē) володіє корпускулярно-хвильовими властивостями, тобто властивостями як частинки, так і хвилі. Електрон має заряд –1, тобто відповідає заряду протона, але з протилежним знаком.

Атом є електронейтральною частинкою, і тому число електронів в ньому дорівнює числу протонів в ядрі.

Маса атома дорівнює масовому числу А, тобто є цілим числом, але, як правило, атомні маси хімічних елементів не є цілими числами. Це пояснюється тим, що в природі існують атоми з однаковим зарядом ядра та однаковою кількістю електронів, але з різними масами – ізотопи. Вони відрізняються між собою кількістю нейтронів у ядрі.

Наприклад, хлор, який існує в природі, на 75% складається з атомів з масовим числом А = 35 і на 25% з масовим числом А = 37. Обидва види атомів хлору мають однаковий заряд ядра і однакову кількість електронів, але різну кількість нейтронів.

0,75·35 + 0,25·37 = 35,5 а.о.м.

Отже, хімічний елемент – це вид атомів, який характеризується певним зарядом ядер і певною кількістю електронів, вони можуть відрізнятись між собою лише кількістю нейтронів у ядрі, тому хімічний елемент – це певний вид ізотопів. На сьогодні відомо 112 хімічних елементів: 89 з них знайдені в природі (на Землі), інші отримані штучним шляхом. Атоми існують як у вільному стані так, у сполуках з атомами того ж або інших елементів, утворюючи молекули. Здатність атомів вступати у взаємодію з іншими атомами й утворювати хімічні сполуки визначається його будовою.

Крім ізотопів, існують атоми, що мають однакове масове число А, але різну кількість протонів. Вони називаються ізобарами. Наприклад, атоми ¹⁰Ве, ¹⁰В, ¹⁰С.

Атоми з однаковим числом нейтронів у ядрі називаються ізотонами. Наприклад, атоми ²Н, ³Не.