Периодический закон и свойства элементов

Na, Mg, K: расположите по возрастанию радиуса атома. Ученик, у которого таблица в голове в порядке, пишет «K, Na, Mg». Порядок верный, но убывающий, а спрашивали о возрастающем, и балл потерян без единой химической ошибки. Такие потери на этой теме встречаются чаще, чем незнание закономерностей. Рядом лежат ошибки другого рода: сера в серной кислоте получает степень окисления +4, потому что «у неё то ли шесть, то ли два», а у азота в азотной кислоте записана валентность пять, которой у него не бывает.

Периодический закон в школе обычно выучивается как описание таблицы: номера периодов и групп, названия семейств. В заданиях от него требуется другое: по положению элемента, не заглядывая в учебник, сказать, какие у него степени окисления и какой оксид он даёт, а затем предсказать, как всё это изменится у соседа. Откуда берутся сами числа, объясняет строение атома (электронные конфигурации); здесь оно служит исходной точкой и не пересказывается.

Что читается по одной клетке

Номер периода равен числу электронных слоёв. Номер группы (речь о главных подгруппах в короткой форме таблицы) равен числу электронов на внешнем слое, и из этого числа выводится почти всё остальное. Высшая положительная степень окисления совпадает с номером группы: сера +6, хлор +7, фосфор +5, углерод +4. Низшая отрицательная равна номеру группы минус восемь: сера −2, азот −3, хлор −1, углерод −4. У металлов отрицательных степеней окисления нет, они только отдают электроны.

Формулы дальше собираются сами. Для неметалла из двух правил выписываются две степени окисления и три формулы: высшего оксида, кислоты, которой он отвечает, и летучего водородного соединения. У серы это SO3, H2SO4 и H2S, у хлора Cl2O7, HClO4 и HCl. Формулировки на экзамене разные («высшая степень окисления», «формула высшего оксида», «водородное соединение»), а подкладка у всех одна, и ученик, который умеет выписать эту строку для любого неметалла, перестаёт путать одно с другим.

Для металлов главных подгрупп строка короче: у натрия Na2O и NaOH, у магния MgO и Mg(OH)2, у алюминия Al2O3 и Al(OH)3, а степень окисления равна числу внешних электронов, то есть +1, +2 и +3. Побочные подгруппы устроены сложнее, электроны там уходят ещё и с предвнешнего слоя, и их приходится учить отдельно: железо, медь, хром, цинк и марганец разобраны в статье о металлах и их соединениях.

В соединении отрицательную степень окисления получает более электроотрицательный атом, и этим объясняются странности: в OF2 кислород +2, потому что фтор сильнее, а в NaH водород −1, потому что натрий слабее. Как расставлять степени окисления в сложных формулах, показано в статье про окислительно-восстановительные реакции.

Как меняются свойства по ряду

Слева направо по периоду слоёв столько же, а заряд ядра растёт: электроны подтягиваются сильнее, радиус атома уменьшается, электроотрицательность и неметаллические свойства усиливаются. Сверху вниз по группе добавляются слои, радиус растёт, металлические свойства усиливаются. Фтор по этой логике самый электроотрицательный (правый верхний угол), а самые сильные металлы сидят в левом нижнем.

Оксиды третьего периода идут по той же линии: Na2O и MgO основные, Al2O3 амфотерный, SiO2, P2O5, SO3 и Cl2O7 кислотные. Кислоты усиливаются так же: H2SiO3 слабее H3PO4, та слабее H2SO4, а HClO4 сильнее всех. Вниз по группе галогенов окислительная способность падает: Cl2 + 2KBr = 2KCl + Br2 идёт, а обратная реакция с бромом и хлоридом калия не идёт, хотя записать её на бумаге ничего не стоит. Бескислородные кислоты галогенов, напротив, усиливаются вниз по группе: HF слабая, HI сильнее прочих. Ошибаются здесь те, кто переносит логику электроотрицательности на силу кислоты, а связь H–I длиннее и рвётся легче.

Вернёмся к первому заданию. Na и Mg стоят в одном периоде, слоёв три, но у магния заряд ядра на единицу больше и радиус меньше. Калий стоит под натрием, у него четвёртый слой, и он больше обоих. Ответ по возрастанию: Mg, Na, K. До ответа стоит написать над рядом стрелку «растёт» или «убывает» словами из условия; это занимает три секунды и устраняет ошибку, которая выглядит как химическая, хотя химии в ней нет.

Характер оксида и судьба реакции

Положение элемента решает ещё один вопрос, который в задании звучит иначе: пойдёт ли реакция. Два основных оксида между собой не реагируют, два кислотных тоже; реакция идёт между противоположными, а амфотерный оксид реагирует с обеими сторонами. Na2O + SO3 = Na2SO4 — основной с кислотным. Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O — амфотерный с кислотой, и тот же оксид со щёлочью: Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]. А пара Na2O и MgO не даёт ничего, и ученик, записавший здесь соль, рассуждал по аналогии с прошлым уравнением и свойства оксидов не проверил.

Характер определяется положением. Металл в левой части периода даёт основный оксид, неметалл в правой — кислотный, а посередине проходит граница, на которой стоят алюминий и цинк с амфотерными оксидами. Если оксид незнаком, сначала находят его элемент в таблице и смотрят на соседей, и только потом достают из памяти конкретные реакции.

Где правила перестают работать

Первое исключение любят проверять: валентность и степень окисления не одно и то же. У азота в HNO3 степень окисления +5, а валентность IV, потому что больше четырёх связей азот образовать не может. Поэтому «высшая валентность азота» и «высшая степень окисления азота» — разные вопросы с разными ответами, и по номеру группы отвечать надо только на второй. В ионе аммония азот четырёхвалентен, а степень окисления у него −3.

Второе: у фтора нет положительных степеней окисления вовсе, он всегда −1, а у кислорода почти всегда −2, и номер группы как «высшая степень» для них не работает. Исключения есть и среди d-элементов. Хром и марганец ведут себя по правилу (+6 и +7), а у железа в школьных заданиях встречаются +2 и +3, у меди +1 и +2, и подставлять сюда номер группы нельзя.

Благородные газы выпадают из счёта сразу: у неона и аргона на внешнем слое восемь электронов, у гелия два, и в школьных задачах они степеней окисления, отличных от нуля, не образуют. Тот, кто механически подставляет «номер группы» и для них, получает формулы несуществующих оксидов.

С металлами, у которых несколько степеней окисления, закон работает вдоль степени окисления: чем она выше, тем кислотнее оксид. CrO основный (CrO + 2HCl = CrCl2 + H2O), Cr2O3 амфотерный, CrO3 кислотный (CrO3 + 2NaOH = Na2CrO4 + H2O). Это тот же периодический закон, но применённый к степени окисления, а не к клетке в таблице, и задания на цепочки с хромом и марганцем держатся именно на нём.

Восьмой класс и экзамен

В большинстве программ периодический закон и строение атома проходят в восьмом классе, и дальше как отдельную тему к ним уже не возвращаются: их молча используют в девятом и в органике. К экзамену выясняется, что знание есть, а привычки им пользоваться нет. Одиннадцатикласснику, который сдаёт химию летом 2027 года, эту тему разумно закрыть осенью: к зиме от неё зависят и электролиз (электролиз расплавов и растворов), и окислительно-восстановительные реакции, и цепочки превращений. Ещё сильнее забывается то, что связано с разностью электроотрицательностей, то есть с типом связи (химическая связь).

Периодическая система и таблица растворимости (с рядом напряжений металлов), насколько я знаю, лежат на экзамене на столе, и это меняет приоритеты. Учить таблицу наизусть бессмысленно; полезно уметь читать её за секунды и знать правила, которых в ней нет. На мой взгляд, ученик, который не может без подсказки выписать по клетке степени окисления и три формулы, на этой теме ещё не начал, сколько бы параграфов он ни прочитал. Как тема входит в общий порядок школьного курса — в какой последовательности изучать химию; как она работает на экзамене — в структуре ЕГЭ и во второй части, где характер оксида определяет, пойдёт ли реакция вообще.

Шестнадцать строк: с чего начать

Ограничьтесь вторым и третьим периодами, от лития до аргона, шестнадцать элементов, остальное потом. На каждый элемент нужна одна строка:

• число внешних электронов и высшая степень окисления из него;
• формула высшего оксида и его характер;
• формула гидроксида или кислоты;
• низшая степень окисления и водородное соединение, если оно есть.

Строка для фосфора выглядит так: пять внешних электронов, высшая степень +5, оксид P2O5 кислотный, кислота H3PO4, низшая степень −3, водородное соединение PH3. Для натрия она короче: один электрон, +1, оксид Na2O основный, гидроксид NaOH, а вместо водородного соединения гидрид NaH, где водород получает −1. Некоторые клетки у металлов остаются пустыми, и это тоже часть ответа.

Заполните все шестнадцать строк по памяти, сверьтесь с таблицей через день и перепишите те, где ошиблись. Только после этого переходите к рядам радиусов и электроотрицательности, потом к хрому, марганцу, железу и меди с их несколькими степенями окисления. Если строки не сходятся уже на втором периоде, причину стоит искать в строении атома: вернуться нужно к электронным конфигурациям, а таблицу пока оставить.

Хорошее занятие по этой теме опознаётся по заданию, которое вам дают: заполнять строки по памяти и сверять их с таблицей. Если вместо этого пересказывают параграф, он есть и в учебнике, платить за него незачем.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• подготовка к ЕГЭ по химии
• подготовка к ОГЭ по химии
• химия для 9 класса

Вопросы и ответы

Можно ли пропустить эту тему и вернуться после неорганики? Лучше не пропускать: характер оксидов и степени окисления использует всё остальное, и без них неорганика превращается в заучивание уравнений поодиночке.

Почему в задании про валентность ответ не совпадает с номером группы? Номер группы даёт высшую степень окисления, а валентность считается по числу связей. У азота при степени окисления +5 валентность IV, у кислорода и фтора номер группы не работает вовсе.

Сколько элементов надо знать на память? Первые три периода уверенно, затем те, что встречаются в вашей программе: калий, кальций, хром, марганец, железо, медь, цинк, бром. Положение остальных по таблице находится за несколько секунд.

Ряд свойств в тетради выходит наоборот, а понимаю тему. Что делать? Это ошибка чтения, химия тут ни при чём, и лечится она привычкой: выписать слово из условия («по возрастанию», «по убыванию») над рядом, решить, поставить ответ в нужном порядке и перечитать вопрос ещё раз перед записью. Если ошибка повторяется и после этого, полезно проговаривать рассуждение вслух: «у магния заряд больше, значит, радиус меньше».