ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 2. ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА І БУДОВА АТОМІВ

§ 2.2. Періодична система елементів Д.І. Менделєєва

Останнім часом відомо понад 500 варіантів зображення періодичної системи: це різні форми передачі періодичного закону. Першим варіантом системи елементів, запропонованим Д. І. Менделєєвим 1 березня 1869 p., був так званий варіант довгої форми. У цьому варіанті періоди розмістилися в один рядок. У грудні 1870 р. він опублікував другий варіант періодичної системи — так звану коротку форму. В цьому варіанті періоди розділяються на ряди, а групи — на підгрупи (головну і побічну).

У нашій країні найпоширеніший варіант короткої форми періодичної системи як більш компактний. Однак його суттєвий недолік — поєднання в одній групі несхожих елементів, тобто велика відмінність властивостей елементів головних і побічних підгруп. Це деякою мірою “затушовує” періодичність властивостей елементів й ускладнює користування системою. Тому останнім часом почали застосовувати, особливо з навчальною метою, варіант довгої форми періодичної системи Д.І. Менделєєва. Основний недолік цього варіанта — розтягнутість, некомпактність (частина клітинок системи пусті). Щоб зробити її компактнішою, часто виносять лантаноїди із шостого й актиноїди із сьомого періодів, розміщуючи їх під системою окремо. Такий варіант іноді називають напівдовгим.

Короткий варіант періодичної системи складається з періодів, рядів і груп. Розглянемо його дещо детальніше.

У періодичній системі по горизонталі є 7 періодів (позначені римськими цифрами), з них I, II, III називаються малими, а IV, V, VI, VII — великими. В першому періоді розташовано 2 елементи,в другому і третьому — по 8, в четвертому і п’ятому — по 18, у шостому — по 32, в сьомому (незавершеному) — 21 елемент. Кожний період, за винятком першого, розпочинається лужним металом і закінчується благородним газом (VII період — незавершений).

Усі елементи періодичної системи пронумеровано в тому порядку, в якому вони йдуть один за одним. Номери елементів називаються порядковими, або атомними, номерами.

Елементи II і III періодів Д.І. Менделєєв назвав типовими. Властивості їх закономірно змінюються від типового металу до благородного газу. Закономірно змінюються в періодах і форми сполук елементів. Періодичності форм сполук Д.І. Менделєєв надав великого значення. У системі 10 рядів (позначені арабськими цифрами). Кожний малий період складається з одного ряду, кожний великий період — з двох рядів: парного (верхнього) і непарного (нижнього). У парних рядах великих періодів (четвертому, шостому, восьмому і десятому) розташовані тільки метали, і власти вості елементів у ряду зліва направо змінюються слабко. В непарних рядах великих періодів (п’ятого, сьомого і дев’ятого) властивості елементів у ряду зліва направо змінюються як у типових неметалів.

Основною ознакою, за якою елементи великих періодів поділяють на два ряди, є ступінь їх окиснення (за часів Менделєєва — валентність). Їх однакові значення двічі повторюються в періоді з ростом атомних мас елементів. Наприклад, в IV періоді ступені окиснення елементів від К до Мn змінюються від +1 до +7, потім іде тріада Fe, Co, Ni (це елементи парного ряду), після чого спостерігається таке саме зростання ступенів окиснення в елементів від Сu до Вr (це елементи непарного ряду). Те саме ми бачимо в останніх великих періодах, за винятком VII, який складається з одного (парного) ряду. Двічі повторюються у великих періодах і форми сполук елементів.

У VI періоді відразу ж за лантаном розташовуються 414 елементів з порядковими номерами 58-71, що називаються лантаноїдами1. Лантаноїди вміщено окремо внизу таблиці, а в клітинці зірочкою зазначена послідовність їх розташування в системі: La — Lu. Хімічні властивості лантаноїдів дуже подібні. Наприклад, усі вони є реакційноздатними металами, реагують з водою з утворенням гідроксиду і водню. З цього випливає, що в лантаноїдів сильно виражена горизонтальна аналогія.

У VII періоді 14 елементів з порядковими номерами 90— 103 становлять родину актиноїдів. їх також розміщують окремо — під лантаноїдами, а у відповідній клітинці двома зірочками зазначена послідовність їх розміщення в системі: Ас — Lr. Однак на відміну від лантаноїдів горизонтальна аналогія у актиноїдів виражена слабко. Вони у своїх сполуках виявляють більше різних ступенів окиснення. Наприклад, ступінь окиснення актинію +3, а урану +3, +4, +5 і +6. Вивчення хімічних властивостей актиноїдів дуже складне внаслідок нестійкості їх ядер.

¹ Слово “лантаноїди” означає “подібні до лантану», а “актиноїди” — “подібні до актинію”. Іноді їх називають лантанідами й актинідами, що означає “ті, що йдуть за лантаном”, “ті, що йдуть за актинієм”.

У періодичній системі по вертикалі розміщено вісім груп (позначені римськими цифрами). Номер групи пов’язаний із ступенем окиснення елементів, який вони виявляють у сполуках. Як правило, вищий позитивний ступінь окиснення елементів дорівнює номеру групи. Винятком є флуор — його ступінь окиснення дорівнює —1; купрум, аргентум, аурум виявляють ступені окиснення +1, +2 і +3; серед елементів VIII групи ступінь окиснення +8 відомий тільки для осмію, рутенію і ксенону.

У VIII групі розміщені благородні гази. Раніше вважалося, що вони не здатні утворювати хімічні сполуки. Проте це не підтвердилося. У 1962 р. було добуто першу хімічну сполуку благородного газу — тетрафторид ксенону XeF₄. Нині хімія благородних елементів швидко розвивається (див. § 8.1).

Кожна група поділяється на дві підгрупи — головну і побічну, що в періодичній системі підкреслюється зміщенням одних елементів вправо, а інших — вліво. Головну підгрупу складають типові елементи (елементи II і III періодів) і подібні до них за хімічними властивостями елементи великих періодів. Побічну підгрупу складають тільки метали — елементи великих періодів. VIII група відрізняється від інших. Крім головної підгрупи гелію, вона містить три побічних підгрупи: підгрупу фе- руму, підгрупу кобальту і підгрупу ніколу (див. також § 14.5).

Хімічні властивості елементів головних і побічних підгруп значно відрізняються. Наприклад, у VII групі головну підгрупу складають неметали F, Cl, Br, l, At, побічну — метали Мn, Тс, Re. Отже, підгрупи об’єднують найбільш подібні між собою елементи.

Усі елементи, крім гелію, неону й аргону, утворюють оксиди; існує всього 8 форм оксидів. У періодичній системі їх часто зображують загальними формулами, розміщеними під кожною групою в порядку зростання ступеня окиснення елементів: R₂O, RO, R₂O₃, RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇, RO₄, де R — елемент даної групи. Формули вищих оксидів стосуються всіх елементів групи (головної і побічної), крім тих випадків, коли елементи не виявляють ступеня окиснення, що дорівнює номеру групи.

Елементи головних підгруп, починаючи з IV групи, утворюють газуваті гідриди. Форм таких сполук 4. їх також зображують загальними формулами в послідовності RH₄, RH₃, RH₂, RH. Формули гідридів розташовуються під елементами головних підгруп і стосуються тільки їх.

Властивості елементів у підгрупах закономірно змінюються: зверху вниз посилюються металічні властивості і послаблюються неметалічні. Очевидно, металічні властивості найбільше виражені у францію, потім — у цезію; неметалічні — у флуору, потім — в оксигену.

Довга форма періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва також містить 7 періодів і 18 груп. Групи нумеруються римськими цифрами з літерами А або В. Лантаноїди, як і актиноїди, називають родиною і не відносять до якої-небудь групи.