Периодический закон: закономерности изменения свойств элементов

Коротко о главном

Свойства элементов и их соединений периодически повторяются с ростом заряда ядра, потому что периодически повторяется строение внешнего энергетического уровня атома. В пределах периода (слева направо) заряд ядра растёт, число электронных слоёв не меняется — атом «сжимается», усиливаются неметаллические свойства. В пределах группы (сверху вниз, для главных подгрупп) число слоёв растёт, атом «раздувается», усиливаются металлические свойства.

Определения и формулы/правила

Свойство	По периоду (→)	По группе (↓, гл. подгруппа)
Радиус атома	уменьшается	увеличивается
Заряд ядра	увеличивается	увеличивается
Число энергетических уровней	не меняется	увеличивается
Число электронов на внешнем уровне	увеличивается (1→8)	не меняется
Электроотрицательность (ЭО)	увеличивается	уменьшается
Металлические свойства	ослабевают	усиливаются
Неметаллические свойства	усиливаются	ослабевают
Восстановительные свойства простого вещества	ослабевают	усиливаются
Окислительные свойства простого вещества	усиливаются	ослабевают
Основные свойства высшего оксида/гидроксида	ослабевают	усиливаются
Кислотные свойства высшего оксида/гидроксида	усиливаются	ослабевают
Летучих водородных соединений кислотность	усиливается	ослабевает
Высшая степень окисления (в оксиде)	растёт от +1 до +7(+8)	не меняется (равна № группы для гл. подгрупп)

Ключевые правила-«якоря»:

• Радиус атома определяется двумя противоположными факторами: ростом заряда ядра (притягивает электроны сильнее — радиус меньше) и ростом числа слоёв (электроны дальше — радиус больше). По периоду побеждает заряд ядра, по группе — число слоёв.
• Наиболее электроотрицательный элемент — фтор ($\mathrm{F}$), наименее (среди типичных) — франций/цезий.
• Металличность связана со способностью отдавать электроны (низкая ЭО, большой радиус), неметалличность — с притяжением электронов (высокая ЭО, малый радиус).
• Характер оксида и гидроксида элемента в высшей степени окисления меняется от основного через амфотерный к кислотному по мере роста номера группы (в периоде) и наоборот по группе сверху вниз при том же типе оксида.
• Формула высшего оксида: степень окисления элемента равна номеру группы (для главных подгрупп, кроме исключений — O, F).
• Формула летучего водородного соединения для элементов IV–VII групп: степень окисления по модулю $= 8 - N_{группы}$.

Как применять (примеры)

Пример 1. Сравнить радиус атомов $\mathrm{Na}$, $\mathrm{Mg}$, $\mathrm{Al}$ (3-й период). Все в одном периоде, заряд ядра растёт ($11 \to 12 \to 13$), число слоёв одинаково (3). Радиус уменьшается: $r(\mathrm{Na}) > r(\mathrm{Mg}) > r(\mathrm{Al})$.

Пример 2. Сравнить неметаллические свойства $\mathrm{P}$, $\mathrm{As}$, $\mathrm{Sb}$ (VA группа). Элементы одной группы, сверху вниз число слоёв растёт, радиус растёт, ЭО падает — неметалличность ослабевает: $\mathrm{P} > \mathrm{As} > \mathrm{Sb}$.

Пример 3. Определить характер высшего гидроксида для $\mathrm{Cl}$ (VIIA, высшая степень окисления +7). В пределах группы/периода неметаллы с высокой степенью окисления дают кислотные гидроксиды: $\mathrm{HClO_4}$ — сильная кислота. Для сравнения гидроксид натрия ($\mathrm{NaOH}$, I группа) — сильное основание, т.к. натрий — типичный металл с низкой ЭО.

Типичные ошибки

• Путают направление изменения радиуса по группе и по периоду (считают, что радиус всегда растёт с ростом заряда ядра).
• Забывают, что закономерности для побочных подгрупп (d-элементов) выражены слабее и есть исключения, поэтому в заданиях ЕГЭ обычно берут главные подгруппы.
• Не учитывают аномалии первого элемента периода/группы: например, у $\mathrm{H}$ и $\mathrm{He}$ свойства не полностью укладываются в общую схему.
• Смешивают понятия «электроотрицательность» и «металличность»: высокая ЭО — признак неметалла, а не металла.
• Ошибаются в определении высшей степени окисления, забывая исключения: у $\mathrm{O}$ высшая степень окисления не +6, у $\mathrm{F}$ не бывает положительной.
• Неверно сравнивают элементы из разных периодов и групп без разложения на два фактора (заряд ядра и число слоёв).

Где встречается на экзамене

Задания 2 и 3 части 1 ЕГЭ по химии: расположение элементов по возрастанию/убыванию радиуса, ЭО, металлических или неметаллических свойств; определение характера высшего оксида и гидроксида; сравнение свойств простых веществ и соединений на основе положения элемента в периодической системе.