2.2. Периодическая система

Периодический закон Д.И.Менделеева формулируется так:

свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов.

Таблица периодического закона приведена на рис.2.1. Таблица состоит из 8 вертикальных колонок, называемых группами, и 7 горизонтальных строк, называемых периодами. Группы состоят из 2 подгрупп, называемых главными и побочными. Главные подгруппы начинаются с элементов 1-го или 2-го периода (подгруппы лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и гелия), а побочные – с элементов 4-го периода (скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди и цинка). Периоды делятся на малые (1,2 и 3-й) и большие (4,5,6 и 7-й). Малые периоды состоят из одного ряда, а большие – из 2-х рядов. Кроме того, две группы элементов (лантаниды и актиниды) располагаются отдельно, в нижней части таблицы.

Элементы, находящиеся в одной группе и одной подгруппе обладают большим сходством химических свойств. Это связано с тем, что химические свойства элементов определяются в значительной степени числом электронов на внешней электронной оболочке, а элементы из одной группы и подгруппы имеют одинаковое число электронов на внешней электронной оболочке и аналогичное строение этой оболочки. Например, азот и фосфор находятся в главной подгруппе 5-й группы. На внешней оболочке каждого из этих элементов находится по 5 электронов, а строение внешних оболочек выражается формулами 2s²2p³ (N) и 3s²3p² (Р). Число электронов на внешней электронной оболочке определяет способность атома образовывать соединения с другими атомами посредством химических связей. Один электрон на внешней оболочке может, обычно, образовать одну химическую связь. Так азот и фосфор могут образовывать 5 связей, а литий и натрий, у которых на внешней оболочке находится только по одному электрону (2s¹ – Li и 3s^{1 –} Na) образуют по одной связи. Количество химических связей, которые может образовать химический элемент, называется валентностью.

Образование химических связей может сопровождаться потерей электронов атомом. В этом случае говорят, что атом проявляет положительную валентность, или положительную степень окисления. Примерами могут быть литий, натрий, калий, магний, кальций. Эти элементы в химических реакциях всегда отдают электроны, т.е. проявляют положительные валентности или положительные степени окисления. Атомы ряда элементов, напротив, в химических реакциях принимают электроны и проявляют отрицательные валентности или отрицательные степени окисления. Примерами могут быть кислород и фтор. Очень многие элементы, в зависимости от конкретной реакции могут, как отдавать, так и принимать электроны. Термин «степень окисления» используется наряду с термином «валентность».

Часть элементов могут проявлять только одну валентность, равную номеру группы. Эта валентность называется высшей валентностью элемента. К таким элементам относятся, например литий, натрий, магний, кальций, алюминий. Другие элементы могут помимо высшей валентности проявлять и другие, меньшие, или говорят «низшие валентности». Например, фосфор может проявлять кроме валентности 5 валентность 3, а сера кроме валентности 6 – валентность 4. Исключениями из элементов главных подгрупп являются фтор, который проявляет только валентность равную 1, а также гелий, неон и аргон, которые химических соединений не образуют, т.е. их валентность равна нулю.

Валентность является важнейшим свойством элемента, определяющим его химические свойства. Основные валентности и ряда элементов ПСЭМ приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Основные валентности некоторых элементов ПСЭМ

Пе- риод	группы
	1	2	3	4	5	6	7	8
1	H 1							He 0
2	Li 1	Be 2	B 3	C 2,4	N 1,2,3,4,5	O 2	F 1	Ne 0
3	Na 1	Mg 2	Al 3	Si 4	P 3,5	S 2,4,6	Cl 1,3,5,7	Ar 0
4	K 1	Ca 2

Валентность элемента может быть использована для составления формулы химического соединения.

Пример 2.2. Составить формулы соединений с кислородом натрия, магния, алюминия, кремния, фосфора, серы и хлора в высших степенях окисления.

Решение. Сумма валентностей элементов в соединении, состоящем из двух элементов (бинарное соединение) должны быть равны. Следовательно, формула оксида натрия будет иметь вид Na₂O, т.е. сумма валентностей атома кислорода (2) будет равна сумме валентностей двух атомов натрия (2^.1=2). Аналогично получим формулы оксидов других элементов: MgO; Al₂O₃; SiO₂; P₂O₅; SO₃; Cl₂O₇.

Очевидно, что все элементы, находящиеся в одной и той же подгруппе, будут иметь аналогичные формулы высших оксидов, например, элементы 5-й группы главной подгруппы азот, мышьяк, сурьма и висмут будут иметь высшие оксиды состава: N₂O₅, As₂O₅, Sb₂O_5, Bi₂O₅.