Химия · Строение атома и периодический закон · 7 класс

Элементы и периодическая таблица

Почему 118 элементов умещаются в одной таблице и что она говорит об атоме?

Ситуация

В таблице Менделеева на стене кабинета химии 118 клеток: в каждой символ, число и название. Золото добывают в Мурунтау, медь — в Алмалыке, а уран — в Навоийской области — они тоже есть в клетках этой таблицы. Почему элементы расположены именно в таком порядке? О чём говорят числа в клетке об атоме и можно ли по таблице заранее узнать свойства элемента?

Тема

Элементы и периодическая таблица *(образец)*. Таблица Менделеева в 3D: в каждой клетке элемент, его атом и применение в жизни

Ключевые понятия

Химический элемент
Период и группа
Строение атома

Формулы

Z = N (p^{+}) = N (e^{-})

Порядковый номер — число протонов в ядре; в нейтральном атоме столько же и электронов.

A = Z + N

Массовое число: сумма протонов и нейтронов ( $N$ ).

N_{\max} = 2 n^{2}

Число электронов, помещающихся на $n$ -й оболочке: K — 2, L — 8, M — 18, N — 32.

A_{r} = \sum_{i} x_{i} A_{r, i}

Относительная атомная масса — средняя масса природных изотопов ( $x_{i}$ — доли).

Теория

Химический элемент и его символ

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра (числом протонов). Буквенные символы в 1813–1814 годах предложил Й. Берцелиус: первая буква или две буквы латинского названия — Na (*natrium*), Fe (*ferrum*), Cu (*cuprum*), Au (*aurum*), Hg (*hydrargyrum*). Порядковый номер $Z$ — число протонов; в нейтральном атоме электронов тоже $Z$ . Сегодня известно 118 элементов: почти все до урана ( $Z$ = 92) встречаются в природе, следующие получены искусственно (технеций и прометий тоже).

Как устроена таблица

Горизонтальные ряды — периоды (7). Номер периода равен числу электронных оболочек в атоме. Вертикальные столбцы — группы (18). В короткой таблице большинства учебников 8 групп, каждая делится на А (главную) и Б (побочную) подгруппы; у элементов подгруппы А номер группы равен числу электронов на внешней оболочке (Na — I А, 1; Cl — VII А, 7). Лантаноиды и актиноиды — отдельными рядами под таблицей. Металлы — слева и внизу, неметаллы — справа вверху, на границе-лесенке — полуметаллы (B, Si, Ge, As, Sb, Te).

Строение атома и электронные оболочки

В центре атома ядро — протоны (+) и нейтроны (без заряда), вокруг на оболочках электроны (−): на $n$ -й оболочке помещается не более $2 n^{2}$ электронов, а на внешней — не более 8. Модель в сцене — модель Бора, упрощённая картина: на самом деле электроны находятся на s-, p-, d-, f-орбиталях (конфигурация на карточке, например Fe: [Ar] 3d⁶ 4s²). Размеры схематичны: настоящее ядро примерно в 100 000 раз меньше атома.

Периодический закон и тенденции

Д. И. Менделеев в 1869 году показал, что свойства элементов периодически зависят от атомной массы; современная формулировка — от заряда ядра. По периоду слева направо заряд ядра растёт, а число оболочек остаётся прежним: электроны притягиваются сильнее — атомный радиус уменьшается, энергия ионизации и электроотрицательность растут, металлические свойства ослабевают. В группе вниз оболочек становится больше — радиус растёт, оторвать электрон легче. Каждый период, кроме 1-го, начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом.

Изотопы и относительная атомная масса

Изотопы — атомы с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов: ³⁵Cl (17 p⁺, 18 n⁰) и ³⁷Cl (17 p⁺, 20 n⁰). Химические свойства почти одинаковы, потому что электроны одинаковы. $A_{r}$ в таблице — средняя масса смеси природных изотопов (относительно 1/12 массы атома ¹²C): для хлора $0,7576 \cdot 34,969 + 0,2424 \cdot 36,966 \approx 35,45$ . Число в квадратных скобках, например Tc [97], — массовое число наиболее долгоживущего изотопа элемента, не имеющего стабильных изотопов.

О источниках и модели

Атомные массы — сокращённые стандартные значения IUPAC/CIAAW (2024); энергии ионизации — NIST; ковалентные радиусы — Кордеро и соавторы (2008); электроотрицательность — шкала Полинга. Свойства элементов после 104-го в основном теоретические. Столбцы тенденций пропорциональны значению. В Узбекистане: золото — Мурунтау (Навоийская область), медь, молибден, цинк, серебро — Алмалыкский горно-металлургический комбинат, уран — Навоийская область, калийные удобрения — Дехканабад, фосфорит — Кызылкум.

Знаете ли вы?

Д. И. Менделеев в 1869 году оставил в таблице пустые клетки для ещё не открытых элементов и заранее предсказал их свойства: «экаалюминий» — галлий (1875), «экабор» — скандий (1879), «экасилиций» — германий (1886) были открыты позже.
Элемент 118 получил название оганесон в 2016 году в честь физика Юрия Оганесяна — второй элемент, названный в честь учёного, жившего на момент присвоения названия (первый — сиборгий, в честь Гленна Сиборга).

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Строение атома и изотопы — 7 класс
Электронные оболочки и орбитали — 8 класс