Періодичний закон і будова періодичної системи

Перший крок до розуміння періодичної системи — зрозуміти, чому елементи розташовані саме в такому порядку. У 1869 році Дмитро Менделєєв уперше сформулював періодичний закон: властивості простих речовин, а також форми й властивості сполук елементів перебувають у періодичній залежності від атомної маси. Однак з розвитком фізики стало зрозуміло, що атомна маса — не найглибша характеристика елемента.

Сучасне формулювання періодичного закону

Сьогодні періодичний закон звучить так: властивості хімічних елементів, а також форми й властивості їхніх сполук перебувають у періодичній залежності від заряду атомного ядра. Цей заряд позначають символом Z — він збігається з порядковим номером елемента в Періодичній системі.

Чому саме Z, а не атомна маса (Aᵣ)? Ядро кожного атома складається з протонів і нейтронів. Число протонів — це й є Z. Саме воно визначає, який це елемент: якщо Z = 6, то це Карбон (C); якщо Z = 8 — Оксиген (O). Атомна маса може змінюватися через різну кількість нейтронів (ізотопи), але заряд ядра для всіх атомів одного елемента завжди незмінний.

Фізичний зміст порядкового номера

Порядковий номер елемента (Z) показує:

• число протонів у ядрі;

• для нейтрального атома — число електронів навколо ядра.

Приклад: у Фосфору (P) Z = 15, отже, в ядрі 15 протонів, а навколо ядра в нейтральному атомі — 15 електронів. Саме ці 15 електронів утворюють електронну оболонку, будова якої й пояснює хімічні властивості Фосфору.

Чому властивості повторюються періодично?

Періодичність хімічних властивостей спричинена тим, що в міру зростання Z періодично повторюється подібна будова зовнішнього електронного шару. Наприклад, у всіх лужних металів (Li, Na, K) на зовнішньому рівні один s-електрон, тому вони мають схожі властивості. Усі галогени (F, Cl, Br) мають зовнішню конфігурацію ns²np⁵ — і тому теж подібні між собою.

Важливо не плутати: у Періодичній системі місце елемента визначає заряд ядра (число протонів), а не відносна атомна маса. Наприклад, Аргон (Z = 18) має більшу відносну атомну масу (≈ 39,95), ніж наступний за ним Калій (Z = 19, ≈ 39,10) — якби систему впорядковували за Aᵣ, ці елементи помінялися б місцями, і періодичність властивостей порушилася б.

Інформацію про масове число конкретного нукліда (A = Z + N) неможливо дізнатися з номера періоду чи групи — вона не закодована в положенні елемента в таблиці. Номер періоду й групи пов'язані з електронною будовою, а не з кількістю нейтронів.

Періодична система має два виміри: горизонтальні ряди — періоди — і вертикальні стовпці — групи. Розуміння цих понять дає змогу визначити електронну будову атома та передбачити його властивості.

Періоди

Період — це горизонтальний ряд елементів. Номер періоду для нейтрального атома в основному стані дорівнює найбільшому зайнятому головному квантовому числу n, тобто числу зайнятих енергетичних рівнів.

Наприклад, електронна конфігурація Фосфору — [Ne]3s²3p³. Найбільше головне квантове число тут дорівнює 3, отже, Фосфор міститься в третьому періоді. У Калію (K) конфігурація [Ar]4s¹ — найбільше n = 4, тому Калій у четвертому періоді.

Запам'ятай: номер періоду = число зайнятих енергетичних рівнів у нейтральному атомі основного стану. Якщо атом утратив електрони (катіон), кількість рівнів може зменшитися — період визначають за нейтральним атомом.

Групи: коротка й довга форми

Група — це вертикальний стовпець елементів зі схожою будовою зовнішнього електронного шару. Групи нумерують римськими цифрами I–VIII з підгрупами (так підписано обидві форми таблиці в довідкових матеріалах НМТ) або числами 1–18 (нумерація IUPAC у підручниках; у таблицях НМТ її немає).

У короткій формі групи поділяють на головні (А) і побічні (Б) підгрупи. Головні підгрупи містять елементи малих і великих періодів, а побічні — лише елементи великих періодів (перехідні метали).

Зв'язок номера групи з електронною будовою

Для елементів головних підгруп число електронів на зовнішньому енергетичному рівні зазвичай дорівнює номеру групи в короткій формі. Наприклад, у Карбону (C, IVA) на зовнішньому рівні 4 електрони (2s²2p²), у Нітрогену (N, VA) — 5 (2s²2p³), у Флуору (F, VIIA) — 7 (2s²2p⁵).

Виняток — Гелій (He). Його електронна конфігурація 1s², тобто на зовнішньому (і єдиному) рівні лише 2 електрони. Однак у періодичній системі Гелій міститься в групі VIIIA (18), бо за хімічними властивостями він інертний газ, подібний до Неону та Аргону. Не плутай: номер групи не завжди дорівнює числу зовнішніх електронів для всіх елементів.

Для елементів побічних підгруп (d-елементів) номер групи не дорівнює кількості зовнішніх електронів. Наприклад, Ферум (Fe) має конфігурацію [Ar]3d⁶4s². На зовнішньому рівні (4s) лише 2 електрони, але Fe міститься в групі VIII (8). Номер групи тут пов'язаний із сумою електронів на d- і s-підрівнях, а не лише із зовнішніми.

Елементи з подібною будовою зовнішнього електронного шару утворюють родини — групи елементів зі схожими хімічними властивостями. Крім того, за типом підрівня, який заповнюється останнім, елементи поділяють на s-, p-, d- та f-блоки.

Лужні елементи

Лужні метали — це елементи IA групи (1 група довгої форми): Літій (Li), Натрій (Na), Калій (K), Рубідій (Rb), Цезій (Cs), Францій (Fr). Їхні нейтральні атоми мають на зовнішньому рівні один s-електрон (ns¹). Це активні метали, які легко віддають цей електрон.

Гідроген (H) також міститься в IA/1 групі, але він не є лужним металом! Гідроген — неметал, його властивості зовсім інші. Не зараховуй H до лужних металів.

Галогени

Галогени — це елементи VIIA групи (17 група довгої форми): Флуор (F), Хлор (Cl), Бром (Br), Йод (I), Астат (At). Їхні атоми мають на зовнішньому рівні сім електронів (ns²np⁵). Це типові неметали, які активно приєднують один електрон, утворюючи йони з зарядом 1−.

Інертні (благородні) елементи

Інертні гази — це елементи VIIIA групи (18 група довгої форми): Гелій (He), Неон (Ne), Аргон (Ar), Криптон (Kr), Ксенон (Xe), Радон (Rn). Їхні атоми мають повністю заповнений зовнішній рівень, тому вони хімічно малоактивні.

s-, p- та d-елементи

Залежно від того, який підрівень заповнюється електронами останнім, елементи поділяють на електронні блоки:

Гелій (He) — s-елемент, хоча міститься в групі VIIIA/18. Його останній підрівень — 1s², тому він належить до s-блоку. Це важливий виняток: положення в групі 18 зумовлене хімічною інертністю, а не типом підрівня.

Металічні та неметалічні елементи в малих періодах

У малих періодах (2-й і 3-й) металічні елементи розташовані ліворуч, а неметалічні — праворуч. Наприклад, у третьому періоді: Na (метал) → Mg (метал) → Al (метал; його оксид і гідроксид амфотерні) → Si (неметал) → P (неметал) → S (неметал) → Cl (неметал) → Ar (інертний газ).

Розгляньмо Фосфор (P) як приклад. Його електронна конфігурація: [Ne]3s²3p³. Звідси: Z = 15, період 3, група VA (15), p-елемент, неметал. Усі ці характеристики випливають безпосередньо з електронної будови.

Закономірності зміни радіусів атомів, електронегативності та кислотно-основного характеру сполук — тема окремого уроку. Тут важливо засвоїти, що тип елемента (метал/неметал) і його належність до s-, p- чи d-блоку визначають за електронною конфігурацією нейтрального атома.

Розгляньмо три типові завдання НМТ на тему періодичного закону та будови періодичної системи. Кожне з них перевіряє вміння читати електронну конфігурацію, зіставляти її з положенням елемента в таблиці та розпізнавати родини елементів.

Приклад 1. Визначення елемента за електронною конфігурацією

Завдання. Атом хімічного елемента має електронну конфігурацію [Ne]3s²3p². Визнач положення цього елемента в періодичній системі: період, групу (коротка форма) та назву елемента.

Розв'язання крок за кроком:

1. Визначаємо загальне число електронів. Ne має 10 електронів, додаємо 3s²3p² (4 електрони). Разом 10 + 4 = 14 електронів. Для нейтрального атома Z = 14.

2. Знаходимо елемент за Z = 14. Це Силіцій (Si).

3. Визначаємо період. Найбільше головне квантове число n = 3, отже, період 3.

4. Визначаємо групу. Зовнішній рівень — 3s²3p², на ньому 4 електрони. Для головної підгрупи це відповідає IVA групі (14 у довгій формі).

5. Відповідь: Силіцій (Si), період 3, група IVA.

Розбір дистракторів (типових хибних відповідей):

• Якщо взяти за період число зовнішніх електронів (4), отримаємо хибний період 4. Насправді період визначають за найбільшим n, а не за числом електронів.

• Якщо прийняти Z = 14 за номер групи, отримаємо хибну групу 14 (але це номер довгої форми, який збігається з правильною групою 14, однак у короткій формі це IVA). Плутанина виникає, коли не розрізняють коротку й довгу нумерації.

• Якщо порахувати лише p-електрони (2) і визначити групу IIA — це помилка, бо враховують усі зовнішні електрони (s² + p² = 4).

Приклад 2. Правильне твердження про Гелій

Завдання. Яке з тверджень про Гелій (He) є правильним?

• А) Гелій містить 8 електронів на зовнішньому рівні.

• Б) Гелій належить до p-елементів.

• В) Гелій міститься в групі VIIIA (18) і має 2 електрони на зовнішньому рівні.

• Г) Гелій — лужний метал.

Розв'язання:

1. Електронна конфігурація He: 1s². На зовнішньому (і єдиному) рівні — 2 електрони, а не 8. Варіант А хибний.

2. Останній підрівень, що заповнюється, — 1s, отже, He належить до s-елементів, а не p. Варіант Б хибний.

3. He міститься в групі VIIIA (18) як інертний газ, має 2 електрони на зовнішньому рівні. Варіант В правильний.

4. He — інертний газ, а не лужний метал. Варіант Г хибний.

Відповідь: В.

Чому інші варіанти хибні: А — приписує He 8 зовнішніх електронів (типова помилка через плутання з іншими інертними газами Ne, Ar); Б — вважає He p-елементом через положення в групі 18; Г — плутає He з лужними металами.

Приклад 3. Ряд лише лужних елементів

Завдання. У якому рядку всі елементи належать до лужних металів?

• А) H, Li, Na

• Б) Li, Na, K

• В) Na, K, Mg

• Г) K, Ca, Li

Розв'язання:

1. Лужні метали — це елементи IA групи (1 група): Li, Na, K, Rb, Cs, Fr.

2. Варіант А містить H (Гідроген), який не є лужним металом. Хибний.

3. Варіант Б містить лише Li, Na, K — усі лужні метали. Правильний.

4. Варіант В містить Mg (Магній) — це лужноземельний метал IIA групи, а не лужний. Хибний.

5. Варіант Г містить Ca (Кальцій) — лужноземельний метал IIA групи. Хибний.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти хибні: А — Гідроген хоч і в IA групі, але він неметал, не лужний метал; В — Mg належить до IIA групи; Г — Ca належить до IIA групи.

• Формулювати сучасний закон через атомну масу. На НМТ можуть дати історичне формулювання Менделєєва (від атомної маси) і попросити обрати сучасне (від заряду ядра Z). Запам'ятай: сучасний періодичний закон пов'язує властивості із зарядом ядра, а не з атомною масою.

• Брати номер довгої групи 15 за число зовнішніх електронів. У довгій формі нумерація груп 1–18 не збігається з кількістю зовнішніх електронів для груп 13–18. Наприклад, VA група (коротка) = 15 (довга), а зовнішніх електронів — 5. Не плутай: для головних підгруп число зовнішніх електронів дорівнює номеру групи в короткій формі (I–VIII), а не в довгій.

• Вважати He p-елементом або приписувати йому 8 електронів. Гелій має конфігурацію 1s² — це s-елемент із двома електронами. Хоча він стоїть у групі 18 (VIIIA), він не має 8 електронів на зовнішньому рівні, як Ne чи Ar.

• Визначати період атома за кількістю рівнів його катіона. Наприклад, йон Na⁺ має конфігурацію [Ne] — лише 2 рівні, але Натрій міститься в третьому періоді. Період визначають за нейтральним атомом основного стану, а не за йоном.

• Зараховувати H до лужних металів. Гідроген стоїть у IA/1 групі, але він неметал, а не лужний метал. Лужні метали — це Li, Na, K, Rb, Cs, Fr.

Тема «Періодичний закон і будова періодичної системи» входить до теми 1.4 програми НМТ з хімії. На тесті знадобиться вміння читати як коротку, так і довгу форми періодичної системи. Обидві є в довідкових матеріалах, якими учасник НМТ користується в електронній формі: у короткій формі групи I–VIII мають підгрупи a і b, у довгій групи підписано Ia–VIIIa та IIIb–IIb. Нумерацію 1–18 варто знати з підручників, але в таблицях НМТ її немає.

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 завдання № 2 перевіряє зміну властивостей елементів у групі. Це означає, що треба впевнено визначати групу й підгрупу елемента за його положенням у таблиці.

Стратегія виконання

• Спочатку визнач, яку форму нумерації груп використано в завданні — коротку (I–VIII) чи довгу (1–18). Відповідь давай у тій самій формі.

• Період завжди визначай за нейтральним атомом основного стану: номер періоду = найбільше головне квантове число n.

• Для головних підгруп число зовнішніх електронів дорівнює номеру групи в короткій формі. Для нумерації 1–18 (групи 13–18) віднімай 10: 13 → 3, 14 → 4, 15 → 5, 16 → 6, 17 → 7, 18 → 8 (He — виняток: 2 зовнішні електрони).

• Запам'ятай винятки: He — s-елемент у групі 18 з двома електронами; H — неметал у групі 1, а не лужний метал.

Формат завдань

На всі 24 завдання з хімії відведено орієнтовно 60 хвилин. У демоваріанті НМТ-2026 завдання № 2 на зміну властивостей елементів у групі має форму вибору однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18; 0 або 1 бал); тему можуть перевіряти й завдання на відповідність (№ 19–20).

• Порядок елементів у Періодичній системі задає заряд ядра (Z), а не відносна атомна маса.

• Номер періоду відповідає найбільшому зайнятому енергетичному рівню нейтрального атома в основному стані.

• Номер головної групи короткої форми (I–VIII) пов'язаний із числом зовнішніх електронів; Гелій (He) — виняток: має 2 електрони, але стоїть у групі VIIIA/18.

• Коротку (I–VIII з А/Б) і довгу (1–18) нумерації груп треба зіставляти, а не змішувати: IA→1, IIA→2, IIIA→13, IVA→14, VA→15, VIA→16, VIIA→17, VIIIA→18.

• Лужні метали — Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (IA/1); галогени — F, Cl, Br, I, At (VIIA/17); інертні гази — He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (VIIIA/18).

• s-елементи заповнюють s-підрівень (IA, IIA та He), p-елементи — p-підрівень (IIIA–VIIIA), d-елементи — d-підрівень (побічні підгрупи).