Перейти к содержанию

3.6 Периодическая таблица (The Periodic Table)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • сформулировать периодический закон и объяснить принцип организации элементов в периодической таблице;
  • предсказывать общие свойства элементов на основании их положения в периодической таблице;
  • определять металлы, неметаллы и металлоиды по их свойствам и/или положению в периодической таблице.

По мере того как ранние химики занимались очисткой руд и открывали всё новые элементы, они стали замечать, что разные элементы можно объединять в группы по сходству химического поведения. Одна из таких групп включает литий (Li), натрий (Na) и калий (K): все эти элементы блестящие, хорошо проводят теплоту и электрический ток и обладают сходными химическими свойствами. Во вторую группу входят кальций (Ca), стронций (Sr) и барий (Ba) — они также блестящие, хорошо проводят теплоту и электрический ток и обнаруживают общие химические свойства. Однако свойства этих двух групп заметно различаются. Например, Li, Na и K гораздо более активны, чем Ca, Sr и Ba; Li, Na и K образуют с кислородом соединения в соотношении два их атома на один атом кислорода, а Ca, Sr и Ba — в соотношении один к одному. Фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) и иод (I) тоже похожи друг на друга по свойствам, но эти свойства резко отличаются от свойств любой из перечисленных выше групп.

Дмитрий Менделеев (Dmitri Mendeleev) в России (1869) и Юлиус Лотар Мейер (Julius Lothar Meyer) в Германии (1870) независимо друг от друга обнаружили, что между свойствами известных к тому времени элементов существует периодическая связь. Оба опубликовали таблицы, в которых элементы были расположены в порядке возрастания атомной массы. Однако Менделеев пошёл дальше Мейера: он использовал свою таблицу, чтобы предсказать существование ещё не открытых элементов со свойствами, сходными со свойствами алюминия и кремния. Открытие галлия (1875) и германия (1886) стало серьёзным подтверждением работы Менделеева. И хотя Менделеев и Мейер долго спорили о приоритете, сегодня вклад Менделеева в создание периодической таблицы признан более широко (Рис. 3.36).

(a) Чёрно-белый портрет Дмитрия Менделеева. (b) Репродукция первой периодической таблицы Менделеева с группами I–VIII и рядами 1–12, в которой элементы расположены по возрастанию атомной массы.

Рис. 3.36. (a) Дмитрию Менделееву широко приписывают создание (b) первой периодической таблицы элементов. (источники: a — модификация работы Сергея Лачинова; b — модификация работы «Den fjättrade ankan»/Wikimedia Commons)

К XX веку стало ясно, что эта периодическая связь определяется атомными номерами, а не атомными массами. Современная формулировка этой закономерности — периодический закон (periodic law): свойства элементов являются периодическими функциями их атомных номеров. В современной периодической таблице элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров, а атомы со сходными свойствами объединены в одни и те же вертикальные столбцы (Рис. 3.37). Каждая ячейка соответствует элементу и содержит его атомный номер, символ, среднюю атомную массу, а иногда и название. Элементы расположены в семи горизонтальных строках, называемых периодами (periods) или рядами, и в 18 вертикальных столбцах, называемых группами (groups). Группы помечены вверху каждого столбца. В США традиционно использовали обозначения арабскими цифрами с заглавными латинскими буквами. Однако IUPAC рекомендует обозначать группы числами от 1 до 18, и такая нумерация распространена сегодня шире. Чтобы таблица помещалась на одной странице, две части двух рядов (всего 14 столбцов) обычно располагают под основной частью таблицы.

Современная периодическая таблица элементов: ячейки раскрашены по принадлежности к металлам, металлоидам и неметаллам, а также по агрегатному состоянию (твёрдые, жидкие, газообразные) при стандартных условиях.

Рис. 3.37. Элементы в периодической таблице организованы в соответствии с их свойствами.

Даже после того, как периодический характер свойств элементов и сама таблица были широко приняты, в ней оставались пропуски. Менделеев предсказал, а позже Генри Мозли (Henry Moseley) и другие учёные подтвердили, что под марганцем в группе 7 должны существовать элементы. Немецкие химики Ида Такке и Вальтер Ноддак (Ida Tacke, Walter Noddack) принялись их искать — эту задачу решали учёные по всему миру. Особенность их подхода заключалась в том, что они учитывали свойства не только марганца, но и элементов, расположенных по горизонтали рядом с искомыми элементами 43 и 75. Исследуя руды, содержащие минералы рутения (Ru), вольфрама (W), осмия (Os) и другие, они смогли выявить природные элементы, которые помогли дополнить таблицу. Рений, одно из их открытий, оказался одним из последних открытых природных элементов и последним открытым стабильным элементом. (Франций, последний из найденных в природе элементов, был идентифицирован Маргаритой Перей в 1939 году.)

Многие элементы резко различаются по химическим и физическим свойствам, однако некоторые ведут себя сходным образом. Например, многие элементы выглядят блестящими, ковки (то есть поддаются деформации без разрушения) и тягучи (могут вытягиваться в проволоку), хорошо проводят теплоту и электрический ток. Другие элементы не блестящи, не ковки и не тягучи и плохо проводят теплоту и электрический ток. Все элементы можно разделить на крупные классы с общими свойствами: металлы (metals) — блестящие, ковкие, хорошо проводящие теплоту и электрический ток элементы (закрашены жёлтым); неметаллы (nonmetals) — тусклые, плохо проводящие теплоту и электрический ток элементы (закрашены зелёным); и металлоиды (metalloids) — элементы, умеренно хорошо проводящие теплоту и электрический ток и обладающие как некоторыми свойствами металлов, так и некоторыми свойствами неметаллов (закрашены фиолетовым).

Элементы можно также классифицировать на элементы главных подгрупп (main-group elements), или типичные элементы (representative elements), — это столбцы с номерами 1, 2 и 13–18; переходные металлы (transition metals) — столбцы 3–12; и внутренние переходные металлы (inner transition metals), или \(f\)-элементы, — два ряда внизу таблицы (элементы верхнего ряда называются лантаноидами (lanthanides), а нижнего — актиноидами (actinides); Рис. 3.38).1 Элементы можно делить и дальше — по более конкретным свойствам, например по составу образуемых ими соединений. Так, элементы группы 1 (первый столбец) образуют соединения, состоящие из одного атома элемента и одного атома водорода. Эти элементы (кроме самого водорода) называются щелочными металлами (alkali metals) и имеют сходные химические свойства. Элементы группы 2 (второй столбец) образуют соединения, состоящие из одного атома элемента и двух атомов водорода, — это щёлочноземельные металлы (alkaline earth metals), также обладающие сходными свойствами внутри группы. Другие группы со специальными названиями: пниктогены (pnictogens) — группа 15, халькогены (chalcogens) — группа 16, галогены (halogens) — группа 17 и благородные газы (noble gases), или инертные газы, — группа 18. Группы можно называть также по первому элементу: например, халькогены называют группой кислорода или семейством кислорода. Водород — особый неметаллический элемент со свойствами, близкими и к элементам группы 1, и к элементам группы 17. По этой причине водород могут помещать вверху обеих групп либо отдельно.

Периодическая таблица с обозначением семейств: щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, переходные металлы, элементы главных подгрупп, пниктогены, халькогены, галогены и благородные газы; внизу под основной таблицей расположены ряды лантаноидов и актиноидов.

Рис. 3.38. Периодическая таблица объединяет элементы со сходными свойствами в группы.

Дополнительно

Перейдите по этой ссылке к интерактивной периодической таблице, с помощью которой можно изучать свойства элементов (включает подкасты и видеоролики о каждом элементе). Можно также воспользоваться этой версией — там приведены фотографии всех элементов.

Пример 3.14. Названия групп элементов

Атомы каждого из перечисленных ниже элементов важны для жизни. Назовите группу, к которой относится каждый элемент:

(a) хлор;

(b) кальций;

© натрий;

(d) сера.

Решение. Названия семейств:

(a) галоген;

(b) щёлочноземельный металл;

© щелочной металл;

(d) халькоген.

Проверь себя. Назовите группу, к которой относится каждый из следующих элементов:

(a) криптон;

(b) селен;

© барий;

(d) литий.

Ответ: (a) благородный газ; (b) халькоген; © щёлочноземельный металл; (d) щелочной металл.

При дальнейшем изучении химии вы увидите, что элементы одной группы нередко ведут себя сходным образом. Отчасти это связано с числом электронов на их внешнем уровне и сходной готовностью образовывать связи. Эти общие свойства имеют далеко идущие следствия в природе, науке и медицине. Например, Гертруда Элион (Gertrude Elion) и Джордж Хитченс (George Hitchens), исследуя способы прервать размножение клеток и вирусов для борьбы с болезнями, воспользовались сходством серы и кислорода (оба — в группе 16) и их способностью образовывать связи сходным образом. Элион сосредоточилась на пуринах — ключевых компонентах ДНК, содержащих кислород. Она обнаружила, что при введении серосодержащих соединений (так называемых аналогов пуринов), повторяющих строение пуринов, молекулы в ДНК связываются с этими аналогами, а не с «обычным» пурином ДНК. При нарушении нормального строения и связей ДНК Элион удалось прервать клеточное деление. По существу, такая стратегия работала именно благодаря сходству серы и кислорода. Её открытие непосредственно привело к появлению важных методов лечения лейкоза. В целом работа Элион и Джорджа Хитченса не только привела к появлению новых методов лечения, но и изменила саму методологию разработки лекарств. Применяя конкретные элементы и соединения для воздействия на конкретные особенности опухолевых клеток, вирусов и бактерий, они заложили основу для многих самых распространённых и важных современных лекарственных средств, которые ежегодно помогают миллионам людей. В 1988 году они были удостоены Нобелевской премии.

При изучении периодической таблицы вы могли обратить внимание на атомные массы некоторых элементов. У элемента 43 (технеция), элемента 61 (прометия) и большинства элементов с атомным номером 84 (полоний) и выше атомная масса указана в квадратных скобках. Так поступают для элементов, целиком состоящих из неустойчивых радиоактивных изотопов (подробнее о радиоактивности — в главе о ядерной химии). Среднюю атомную массу для таких элементов определить нельзя: распространённости их радиоизотопов могут существенно меняться в зависимости от источника, а некоторые радиоизотопы и вовсе не встречаются в природе. Число в квадратных скобках — это массовое число (и приближённая атомная масса) наиболее устойчивого изотопа этого элемента.

  1. Согласно определению IUPAC, элементы группы 12 не относятся к переходным металлам, хотя их часто к ним причисляют. Подробнее об элементах этой группы — в главе, посвящённой переходным металлам и координационной химии. ↩