Главная | Обратная связь

Металлы, металлоиды и неметаллы

Обзор

Некоторые варианты таблицы включают нулевой элемент (то есть вещество, состоящее полностью из нейтронов), однако это редкие случаи. Вот пример. Таблица Филиппа Стюарта Химическая Галактика. Каждый химический элемент имеет уникальное атомное число, указывающий число протонов в ядре. Большинство элементов имеет отличающиеся количества нейтронов среди разных атомов, такие случаи называются изотопами. Например, углерод имеет три встречающихся в природе изотопа: все его атомы имеют шесть протонов и большинство также шесть нейтронов, но около одного процента имеют семь нейтронов, а очень малая доля – восемь. В периодической таблице изотопы никогда не разделяются; они всегда объединены в рамках одного элемента. Элементы без стабильных изотопов имеют атомную массу их более стабильных изотопов, если такие массы приводятся, то они указываются в скобках.

В стандартной периодической таблице элементы перечислены в порядке возрастания атомного числа (количества протонов в ядре атома). Новый ряд (период) начинается, когда новая электронная оболочка получает свой первый электрон. Столбцы (группы) определяются электронной конфигурацией атома; элементы с одинаковым числом электронов в конкретной подоболочке попадают в одни и те же столбцы (например, кислород и селен находятся в одном столбце, потому что они оба имеют четыре электрона в самой дальней p-подоболочке). Элементы с одинаковыми химическими свойствами, в общем, попадают в одинаковую группу в таблице, однако, в f-блоке и, в некотором отношении, d-блоке, элементы, находящиеся в одинаковом периоде, как правило, также имеют одинаковые свойства. Таким образом, относительно легко предсказать химические свойства элемента, если известны свойства элементов вокруг него.

По состоянию на 2014 год, периодическая таблица имеет 114 подтвержденных элементов, включающая от элемента 1 (водород) до 112 (коперниций), 114 (флеровий) и 116 (ливерморий). Элементы 113, 115, 117 и 118, как сообщается, были синтезированы в лабораториях, но, ни одно из этих подтверждений не было официально подтверждено Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), ни названо ими. Как таковые, эти элементы сейчас определяются по своему атомному числу (например, «элемент 113») или по своему предварительному системному имени («унунтрий», символ «Uut»).

В общей сложности, 94 элемента встречаются в природе; остальные 20 элементов, от америция до коперниция, флеровий, ливерморий появляются только при синтезе в лабораториях. 84 из 94 элементов, встречающихся в природе, являются исконными. Остальные десять происходят только в цепочках распада исконных элементов. Ни один элемент тяжелее эйнштейния (элемент 99) никогда не наблюдался в чистом виде в макроскопических количествах, ни даже астат (элемент 85); франций (элемент 87) был сфотографирован только в виде света, излучаемого в микроскопических количествах (300 тысяч атомов).

 

Варианты расположения

 

В самом популярном варианте изображения периодической таблицы, основная таблица имеет 18 столбцов, а лантаноиды и актиноиды расположены в виде двух отдельных дополнительных строк ниже основной части таблицы, из-за этого очевидны два пропуска в основной таблице, между барием и гафнием, радием и резерфордием, соответственно. Эти пропуски могут выглядеть как звездочки (астериски), либо как сокращенный описывающий элементы ряд («57-71»). Такая договоренность в формате является полностью вопросом практичности. Такая же структура может быть показана в виде таблицы с 32 столбцами, в которой лантаноиды и актиноиды будут находиться в основной таблице в 6 и 7 ряду соответственно.

Впрочем, на основе химических и физических свойств элементов, было построено много альтернативных табличных структур.

 

Группы

 

Группа, или семейство, — одна из колонок периодической таблицы. Для групп, как правило, характерны более существенно выраженные периодические тенденции, нежели для периодов или блоков. Современные квантово-механические теории атомной структуры объясняют групповую общность тем, что элементы в пределах одной группы обыкновенно имеют одинаковые электронные конфигурации на их валентных оболочках. Соответственно, элементы, которые принадлежат к одной и той же группе, традиционно располагают схожими химическими особенностями и демонстрируют явную закономерность в изменении свойств по мере увеличения атомного числа. Впрочем, в некоторых областях таблицы, например — в d-блоке и f-блоке, горизонтальные сходства могут быть столь же важны или даже более заметно выражены, нежели вертикальные.

В соответствии с международной системой именования группам присваиваются номера от 1 до 18 в направлении слева направо — от щелочных металлов к благородным газам. Ранее для их идентификации использовались римские цифры. В американской практике после римских цифр ставилась также литера А (если группа располагалась в s-блоке или p-блоке) или B (если группа находилась в d-блоке). Применявшиеся тогда идентификаторы соответствуют последней цифре современных численных указателей — к примеру, элементам группы 4 соответствовало наименование IVB, а тем, которые ныне известны как группа 14 — IVA. Похожая система использовалась и в Европе, за тем исключением, что литера А относилась к группам до десятой, а В — к группам после десятой включительно. Группы 8, 9 и 10, кроме того, часто рассматривались как одна тройная группа с идентификатором VIII. В 1988 году в действие вступила новая система нотации ИЮПАК, и прежние наименования групп вышли из употребления.

Некоторым из этих групп были присвоены тривиальные, несистематические названия; впрочем, некоторые из них используются редко. Группы с третьей по четырнадцатую, включительно, такими именами не располагают, и их идентифицируют либо по номеру, либо по наименованию первого представителя («скандиевая» - группа 3), поскольку они демонстрируют меньшую степень сходства между собой или меньшее соответствие вертикальным закономерностям.

Элементы, относящиеся к одной группе, как правило, демонстрируют определенные тенденции по атомному радиусу, энергии ионизации и электроотрицательности. По направлению сверху вниз в рамках группы радиус атома возрастает (чем больше у него заполненных энергетических уровней, тем дальше от ядра располагаются валентные электроны), а энергия ионизации снижается (связи в атоме ослабевают, а, следовательно, изъять электрон становится проще), равно как и электроотрицательность (что, в свою очередь, также обусловлено возрастанием дистанции между валентными электронами и ядром). Случаются, впрочем, и исключения из этих закономерностей — к примеру, в группе 11 по направлению сверху вниз электроотрицательность возрастает, а не убывает.

 

Периоды

 

Период — строка периодической таблицы. Хотя для групп характерны более существенные тенденции и закономерности, есть также области, где горизонтальное направление более значимо и показательно, нежели вертикальное — например, это касается f-блока, где лантаноиды и актиноиды образуют две важные горизонтальные последовательности элементов.

В рамках периода элементы демонстрируют определенные закономерности в таких аспектах, как атомный радиус, энергия ионизации, энергия сродства к электрону и электроотрицательность. В направлении слева направо атомный радиус обычно сокращается (в силу того, что у каждого последующего элемента увеличивается количество заряженных частиц, и электроны притягиваются ближе к ядру), и параллельно с ним возрастает энергия ионизации (чем сильнее связь в атоме, тем больше энергии требуется на изъятие электрона). Соответствующим образом увеличивается и электроотрицательность. Что касается энергии сродства к электрону, то металлы в левой части таблицы характеризуются меньшим значением этого показателя, а неметаллы в правой, соответственно, большим — за исключением благородных газов.

 

Блоки

 

Различные области периодической таблицы описываются как блоки, именуемые в соответствии с тем, на какой оболочке находится последний электрон. S-блок включает первые две группы, то есть щелочные и щелочноземельные металлы, а также водород и гелий; p-блок состоит из последних шести групп (с 13 по 18 согласно стандарту именования ИЮПАК, или с IIIA до VIIIA по американской системе) и включает, помимо других элементов, все металлоиды. D-блок — это группы с 3 по 12 (ИЮПАК), они же — с 3B до 2B по-американски, в которые входят все переходные металлы. F-блок, выносимый обычно за пределы таблицы, не имеет номера группы и состоит из лантаноидов и актиноидов.

 

Металлы, металлоиды и неметаллы

 

В соответствии со своими общими химическими и физическими свойствами, элементы можно классифицировать как металлы, металлоиды и неметаллы. Металлы – это, как правило, блестящие, хорошо проводимые ток твердые тела, которые образуют сплавы друг с другом и солеподобные ионные соединения с неметаллами (за исключением благородных газов). Преобладающее большинство неметаллов – это цветные или бесцветные изоляционные (диэлектрические) газы; неметаллы, образующие соединения с другими неметаллами показывают общую ковалентную связь. Металлоиды, которые имеют промежуточные или смешанные свойства, располагаются между металлами и неметаллами.

Металлы и неметаллы, в дальнейшем, могут быть разделены на подкатегории, показывающие градацию, в направлении по рядам слева направо, от металлических до неметаллических свойств. Металлы подразделяются на щелочные, с высокой химической активностью, проходящие через менее активные щелочноземельные металлы, лантаноиды и актиноиды, идущие через первичные переходные металлы, и заканчиваются физически и химически слабыми постпереходными металлами. Неметаллы подразделяют на многоатомные неметаллы, которые будучи ближе к металлоидам, показывают некоторые зарождающиеся металлические свойства; на двухатомные неметаллы, которые по своему существу имеют неметаллические свойства и одноатомные благородные газы, которые не имеют металлических свойств и почти полностью инертны. Отдельные группы веществ, такие как тугоплавкие или благородные металлы, которые, в данном случае, являются подмножествами переходных металлов, также известны и обозначают их нерегулярно.

Классификация элементов на категории и подкатегории, основанная на общих свойствах, - несовершенна. Существует целый спектр свойств в каждой категории, и найти совпадения между чертами элементов не является трудным, как в случае с большинством классификационных схем. Бериллий, например, относят к щелочноземельным металлам, хотя его амфотерные химические свойства и постоянная тенденция к образованию ковалентных соединений являются характерными для химически слабого или постпереходного металла. Радон определяют как неметалл и благородный газ, который, вдобавок, имеет некоторые катионные химические свойства, что является более характерно для металлов. Допустимы, также другие классификации, например, разделение элементов, согласно минералогического местонахождения или кристаллических структур. Подобная классификация элементов датируется 1869 годом, когда ученый Хинрикс написал, что для указания элементов, имеющих подобные свойства, таких как металлы, неметаллы или газообразные элементы, в периодической таблице можно провести простые разделяющие линии.