Как определить порядковый номер химического элемента

Порядковый номер химического элемента

В статье рассмотрена расшифровка таблицы Менделеева,  с помощью которой можно быстро в ней разобраться. Из таблицы Менделеева можно почерпнуть огромное количество информации о каждом химическом элементе. Ее можно использовать на ЕГЭ, если уметь грамотно ей пользоваться.

• Периодическая система Менделеева систематизирует  элементы и их  свойства. В ней все элементы упорядочены с учетом их атомного числа  и повторяющихся химических свойств. 
• Периодический закон: свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера).

Расшифровка обозначений элементов 

Каждому химическому элементу в таблице отведена одна клеточка, в которой указаны символ и название элемента, порядковый номер и относительная атомная масса.

Расшифровка обозначений элементов таблицы Менделеева:

• Обозначение: одной или двумя латинскими буквами.
• Порядковый номер элемента или атомный номер равен числу протонов в его ядре. Обычно пишется в левом верхнем углу. 
• Относительная атомная масса (сумма масс протонов и нейтронов). Это усреднённая величина, для расчёта которой используются атомные массы всех изотопов элемента с учетом их содержания в природе. Поэтому обычно она является дробным числом. 
• Если округлить атомную массу до ближайшего целого, мы получим так называемое массовое число.
• Разность массового числа и атомного числа дает количество нейтронов в ядре. Так, число нейтронов в ядре гелия равно двум, а у лития – четырем. 
• Число положительных протонов, как правило, равно числу отрицательных электронов в атоме (за исключением изотопов). 
• Электронная конфигурация — формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы.

• Чтобы узнать количество нейтронов в ядре элемента, необходимо из относительной атомной массы (массового числа) вычесть порядковый номер.

Элементы периодической таблицы Менделеева

Металлы расположены в левом нижнем углу таблицы, неметаллы — в правом верхнем углу. Между ними находятся полуметаллы. Все периоды, кроме первого, начинается щелочным металлом. Каждый период заканчивается инертным газом.

• Металлы обладают хорошей электро- и теплопроводностью, способны отражать яркий свет, имеют высокую температуру плавления (остаются твердыми при нормальных значениях окружающей среды, исключение — ртуть).
• Неметаллы встречаются в природе в трех состояниях: газ (например, водород), жидкость (например, бром) и твердые вещества (например, фосфор). Он не способны проводить тепло и электричество. Имеют более низкую температуру плавления в сравнении с металлами, более хрупкие и ломкие. Могут иметь разнообразный внешний вид (элементы с низкой плотностью и яркостью).
• Металлоиды имеют смешанные свойства металлов и неметаллов (например, кремний). Они имеют среднюю  тепло- и электропроводность. Различаются между собой по температуре плавления, плотности, цвету и форме. Внешний вид может быть схож с металлами или неметаллами.

Расшифровка групп и периодов таблицы Менделеева

В таблице химические вещества расположены в специальном порядке: слева направо по мере роста их атомных масс. Все они в периодической системе объединены в периоды и группы.

Периоды — это горизонтальные ряды в таблице. У всех элементов одного периода одинаковое количество заполненных электронами энергетических уровней.
Номер периода, в котором находится элемент, совпадает с номером его валентной оболочки. Эта валентная оболочка постепенно заполняется от начала к концу периода.

Закономерности периодов:

• Металлические свойства убывают, неметаллические и окислительные -возрастают. Каждый период начинается активным металлом и заканчивается инертным газом.
• Уменьшается атомный радиус.
• Увеличивается электроотрицательность.

Группы — это столбцы. Элементы во всех группах имеют одинаковое электронное строение внешних электронных оболочек. В каждой группе на внешнем энергетическом атома одинаковое число электронов, то есть номер группы совпадает с числом валентных электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. Поэтому номер группы часто совпадает с валентностью элементов. Например, номер группы совпадает с валентностью s-элементов и с наибольшей возможной валентностью p-элементов. 

Закономерности групп:

• Металлические свойства увеличиваются, неметаллические и окислительные- убывают.
• Увеличивается радиус атома элементов в рамках одной группы.
• Уменьшается электроотрицательность. 

Атомное число показывает, сколько протонов содержит ядро атома элемента и сколько электронов  в атоме находятся вокруг него. Атом каждого последующего элемента содержит на один протон больше, чем предыдущий.

Валетность  — это свойство элементов образовывать химические связи. То есть это количество химических связей, которые образует атом или число атомов, которое может присоединить или заместить атом данного элемента. Валентность бывает: постоянная и переменная (зависит от состава вещества, в которое входит элемент).
Определить валентность:
— Постоянная валентность идентична номеру группы главной подгруппы. Номера групп в таблице изображаются римскими цифрами.
— Переменная валентность (часто бывает у неметаллов) определяется по формуле: 8 вычесть № группы, в которой находится вещество.

Расшифровка периодов и групп периодической таблицы Менделеева

Каждый элемент имеет свой порядковый (атомный) номер, располагается в определённом периоде и определённой группе.

Периоды

• Малые периоды: первый, второй и третий периоды. В них содержится соответственно 2, 8 и 8 элементов;
• Большие периоды: остальные элементы. В четвёртом и пятом периодах расположены по 18 элементов, в шестом — 32, а в седьмом (пока незавершенном) — 31 элемент. 

В таблице 7 периодов. В каждом содержится определённое число элементов:
1-й период — 2 элемента (малый период),
2-й период — 8 элементов (малый период),
3-й период — 8 элементов (малый период),
4-й период — 18 элементов (большой период),
5-й период — 18 элементов (большой период),
6-й период — 32 элемента (18+14) (большой период),
7-й период — 32 элемента (18+14) (большой период).

Группы и подгруппы

•  Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые с ним по свойствам элементы больших периодов.
• Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов. Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

В Периодической таблице может использоваться разное обозначение групп. Поэтому согласно такому обозначению бывает разная расшифровка групп таблицы менделеева:

• 18 групп, пронумерованных арабскими цифрами.
• 8 групп, пронумерованных цифрами с добавлением букв A или B.
  Группы A — это главные подгруппы.
  Группы B — это побочные подгруппы в больших периодов. Это только металлы. 
  IA, VIIIA — по 7 элементов;
  IIA — VIIA — по 6 элементов;
  IIIB — 32 элемента (4+14 лантаноидов +14 актиноидов);
  VIIIB — 12 элементов;
  IB, IIB, IVB — VIIB — по 4 элемента.
  Римский номер группы, как правило, показывает высшую валентность в оксидах (но для некоторых элементов не выполняется). 

Элементы с порядковыми номерами 58–71 (лантаноиды) и 90–103 (актиноиды) вынесены из таблицы и располагаются под ней. Это элементы IIIB группы. Лантаноиды относятся к шестому периоду, а актиноиды — к седьмому.

Элементы главной подгруппы

1 группа главная подгруппа элементов (IA) — щелочные металлы.
Это мягкие металлы, серебристого цвета, хорошо режутся ножом. Все они обладают одним электроном на внешней оболочке и прекрасно вступают в реакцию. 
Литий Li (3), Натрий Na (11), Калий K (19), Рубидий Rb (37), Цезий Cs (55), Франций Fr (87).

2 группа главная подгруппа (IIА) -щелочноземельными металлами.
Имеют серебристый оттенок. На внешнем уровне помещено по два электрона, и, соответственно, эти металлы менее охотно взаимодействуют с другими элементами. По сравнению со щелочными металлами, щелочноземельные металлы плавятся и кипят при более высоких температурах.
 Кальций Ca (20), Стронций Sr (38), Барий Ba (56), Радий Ra (88).

3 группа главная подгруппа (IIIА).
Все элементы данной подгруппы, за исключением бора, металлы. Главную подгруппу составляют составляют бор, алюминий, галлий, индий и таллий. На внешнем электронном уровне элементов по три электрона. Они легко отдают эти электроны или образуют три неспаренных электрона. 

4 группа главная подгруппа (IVА) .
Углерод и кремний обладают всеми свойствами неметаллов, германий и олово занимают промежуточную позицию, а свинец имеет выраженные металлические свойства. Большинство элементов подгруппы углерода — полупроводники (проводят электричество за счёт примесей, но хуже, чем металлы). 

5 группа главная подгруппа (VA).
Физические свойства элементов подгруппы азота различны. Азот является бесцветным газом. Фосфор, мягкое вещество, образует несколько вариантов аллотропных модификаций — белый, красный и чёрный фосфор. Мышьяк — твёрдый полуметалл, способный проводить электрический ток. Висмут — блестящий серебристо-белый металл с радужным отливом. 

6 группа главной подгруппы (VIA) .
Для завершения внешнего электронного уровня атомам этих элементов не хватает лишь двух электронов, поэтому они проявляют сильные окислительные (неметаллические) свойства.

7 группа главная подгруппа (VIIA) — галогены .
(F, Cl, Br, I, At). Имеют семь электронов на внешнем электронном слое атома. Это сильнейшие окислители, легко вступающие в реакции. Галогены («рождающие соли») назвали так потому, что они реагируют со многими металлами с образованием солей. 
Самый активный из галогенов — фтор. Он способен разрушать даже молекулы воды, за что и получил своё грозное имя (слово «фтор» переводится на русский язык как «разрушительный»). А его «близкий родственник» — иод — используется в медицине в виде спиртового раствора для обработки ран.

‍8 группа главная подгруппа (VIIIA)  — инертные (благородные) газы.
(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Og). У них полностью заполнен внешний электронный уровень. Они практически не способны участвовать в реакциях. Поэтому их иногда называют «благородными».  У инертных газов есть способность: они светятся под действием электромагнитного излучения, поэтому используются для создания ламп. Так, неон используется для создания светящихся вывесок и реклам, а ксенон — в автомобильных фарах и фотовспышках. 

Элементы побочной подгруппы

Элементы побочных подгрупп кроме лантаноидов и актиноидов — переходные металлы.
Твёрдые (исключение жидкая ртуть), плотные, обладают характерным блеском, хорошо проводят тепло и электричество. 

Переходные металлы занимают группы 3—12 в периодической таблице. Большинство из них плотные, твердые, с хорошей электро- и теплопроводностью. Их валентные электроны (при помощи которых они соединяются с другими элементами) находятся в нескольких электронных оболочках.

3 группа побочная подгруппа (IIIB) шестого и седьмого периодов — лантаноиды и актиноиды.
Для удобства их помещают под основной таблицей. 

• ‍Лантаноиды иногда называют «редкоземельными элементами», поскольку они были обнаружены в небольшом количестве в составе редких минералов и не образуют собственных руд.
• ‍Актиноиды имеют одно важное общее свойство — радиоактивность. Все они, кроме урана, практически не встречаются в природе и синтезируются искусственно.   

Неметаллы

Правый верхний угол таблицы до инертных газов -неметаллы.
Неметаллы плохо проводят тепло и электричество и могут существовать в трёх агрегатных состояниях: твёрдом (как углерод или кремний), жидком (как бром) и газообразном (как кислород и азот). Водород может проявлять как металлические, так и неметаллические свойства, поэтому его относят как к первой, так и к седьмой группе. 

Кислородные и водородные соединения

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения.
Существует 8 форм кислородных соединений:  R₂O, RO, R₂O₃, RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇, RO₄,
где R — элемент группы.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют 4 формы водородных соединений: RH₄, RH₃, RH₂, RH.
Характер соединений: RH — сильнокислый; RH₂ — слабокислый; RH₃ — слабоосновный; RH₄ — нейтральный.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА

Еще в школе, сидя на уроках химии, все мы помним таблицу на стене класса или химической лаборатории. Эта таблица содержала классификацию всех известных человечеству химических элементов, тех фундаментальных компонентов, из которых состоит Земля и вся Вселенная. Тогда мы и подумать не могли, что таблица Менделеева бесспорно является одним из величайших научных открытий, который является фундаментом нашего современного знания о химии.

На первый взгляд, ее идея выглядит обманчиво просто: организовать химические элементы в порядке возрастания веса их атомов. Причем в большинстве случаев оказывается, что химические и физические свойства каждого элемента сходны с предыдущим ему в таблице элементом. Эта закономерность проявляется для всех элементов, кроме нескольких самых первых, просто потому что они не имеют перед собой элементов, сходных с ними по атомному весу. Именно благодаря открытию такого свойства мы можем поместить линейную последовательность элементов в таблицу, очень напоминающую настенный календарь, и таким образом объединить огромное количество видов химических элементов в четкой и связной форме. Разумеется, сегодня мы пользуемся понятием атомного числа (количества протонов) для того, чтобы упорядочить систему элементов. Это помогло решить так называемую техническую проблему «пары перестановок», однако не привело к кардинальному изменению вида периодической таблицы.

В периодической таблице Менделеева все элементы упорядочены с учетом их атомного числа, электронной конфигурации и повторяющихся химических свойств. Ряды в таблице называются периодами, а столбцы группами. В первой таблице, датируемой 1869 годом, содержалось всего 60 элементов, теперь же таблицу пришлось увеличить, чтобы поместить 118 элементов, известных нам сегодня.

Периодическая система Менделеева систематизирует не только элементы, но и самые разнообразные их свойства. Химику часто бывает достаточно иметь перед глазами Периодическую таблицу для того, чтобы правильно ответить на множество вопросов (не только экзаменационных, но и научных).

The YouTube ID of 1M7iKKVnPJE is invalid.

Периодический закон

Существуют две формулировки периодического закона химических элементов: классическая и современная.

Классическая, в изложении его первооткрывателя Д.И. Менделеева: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.

Современная: свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера).

Графическим изображением периодического закона является периодическая система элементов, которая представляет собой естественную классификацию химических элементов, основанную на закономерных изменениях свойств элементов от зарядов их атомов. Наиболее распространёнными изображениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева являются короткая и длинная формы.

Группы и периоды Периодической системы

Группами называют вертикальные ряды в периодической системе. В группах элементы объединены по признаку высшей степени окисления в оксидах. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые с ним по свойствам элементы больших периодов. Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов. Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

Периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров. В периодической системе имеются семь периодов: первый, второй и третий периоды называют малыми, в них содержится соответственно 2, 8 и 8 элементов; остальные периоды называют большими: в четвёртом и пятом периодах расположены по 18 элементов, в шестом — 32, а в седьмом (пока незавершенном) — 31 элемент. Каждый период, кроме первого, начинается щелочным металлом, а заканчивается благородным газом.

Физический смысл порядкового номера химического элемента: число протонов в атомном ядре и число электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, равны порядковому номеру элемента.

Свойства таблицы Менделеева

Напомним, что группами называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:

• усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
• возрастает атомный радиус;
• возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
• электроотрицательность падает.

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R₂O, RO, R₂O₃, RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇, RO₄, где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).

Оксиды состава R₂O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства. Оксиды состава RO₂, R₂O₅, RO₃, R₂O₇ проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH₄, RH₃, RH₂, RH.

Соединения RH₄ имеют нейтральный характер; RH₃ — слабоосновный; RH₂ — слабокислый; RH — сильнокислый характер.

Напомним, что периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.

В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:

• электроотрицательность возрастает;
• металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
• атомный радиус падает.

Элементы таблицы Менделеева

Щелочные и щелочноземельные элементы

К ним относятся элементы из первой и второй группы периодической таблицы. Щелочные металлы из первой группы — мягкие металлы, серебристого цвета, хорошо режутся ножом. Все они обладают одним-единственным электроном на внешней оболочке и прекрасно вступают в реакцию. Щелочноземельные металлы из второй группы также имеют серебристый оттенок. На внешнем уровне помещено по два электрона, и, соответственно, эти металлы менее охотно взаимодействуют с другими элементами. По сравнению со щелочными металлами, щелочноземельные металлы плавятся и кипят при более высоких температурах.

Лантаниды (редкоземельные элементы) и актиниды

Лантаниды — это группа элементов, изначально обнаруженных в редко встречающихся минералах; отсюда их название «редкоземельные» элементы. Впоследствии выяснилось, что данные элементы не столь редки, как думали вначале, и поэтому редкоземельным элементам было присвоено название лантаниды. Лантаниды и актиниды занимают два блока, которые расположены под основной таблицей элементов. Обе группы включают в себя металлы; все лантаниды (за исключением прометия) нерадиоактивны; актиниды, напротив, радиоактивны.

Галогены и благородные газы

Галогены и благородные газы объединены в группы 17 и 18 периодической таблицы. Галогены представляют собой неметаллические элементы, все они имеют семь электронов во внешней оболочке. В благородных газахвсе электроны находятся во внешней оболочке, таким образом с трудом участвуют в образовании соединений. Эти газы называют «благородными, потому что они редко вступают в реакцию с прочими элементами; т. е. ссылаются на представителей благородной касты, которые традиционно сторонились других людей в обществе.

Переходные металлы

Переходные металлы занимают группы 3—12 в периодической таблице. Большинство из них плотные, твердые, с хорошей электро- и теплопроводностью. Их валентные электроны (при помощи которых они соединяются с другими элементами) находятся в нескольких электронных оболочках.

Металлоиды

Металлоиды занимают группы 13—16 периодической таблицы. Такие металлоиды, как бор, германий и кремний, являются полупроводниками и используются для изготовления компьютерных чипов и плат.

Постпереходными металлами

Элементы, называемые постпереходными металлами, относятся к группам 13—15 периодической таблицы. В отличие от металлов, они не имеют блеска, а имеют матовую окраску. В сравнении с переходными металлами постпереходные металлы более мягкие, имеют более низкую температуру плавления и кипения, более высокую электроотрицательность. Их валентные электроны, с помощью которых они присоединяют другие элементы, располагаются только на внешней электронной оболочке. Элементы группы постпереходных металлов имеют гораздо более высокую температуру кипения, чем металлоиды.

Неметаллы

Из всех элементов, классифицируемых как неметаллы, водород относится к 1-й группе периодической таблицы, а остальные — к группам 13—18. Неметаллы не являются хорошими проводниками тепла и электричества. Обычно при комнатной температуре они пребывают в газообразном (водород или кислород) или твердом состоянии (углерод).

А теперь закрепите полученные знания, посмотрев видео про таблицу Менделеева и не только.

Отлично, первый шаг на пути к знаниям сделан. Теперь вы более-менее ориентируетесь в таблице Менделеева и это вам очень даже пригодится, ведь Периодическая система Менделеева является фундаментом, на котором стоит эта удивительная наука.

The atomic number or nuclear charge number (symbol Z) of a chemical element is the charge number of an atomic nucleus. For ordinary nuclei, this is equal to the proton number (n_p) or the number of protons found in the nucleus of every atom of that element. The atomic number can be used to uniquely identify ordinary chemical elements. In an ordinary uncharged atom, the atomic number is also equal to the number of electrons.

For an ordinary atom, the sum of the atomic number Z and the neutron number N gives the atom’s atomic mass number A. Since protons and neutrons have approximately the same mass (and the mass of the electrons is negligible for many purposes) and the mass defect of the nucleon binding is always small compared to the nucleon mass, the atomic mass of any atom, when expressed in unified atomic mass units (making a quantity called the «relative isotopic mass»), is within 1% of the whole number A.

Atoms with the same atomic number but different neutron numbers, and hence different mass numbers, are known as isotopes. A little more than three-quarters of naturally occurring elements exist as a mixture of isotopes (see monoisotopic elements), and the average isotopic mass of an isotopic mixture for an element (called the relative atomic mass) in a defined environment on Earth, determines the element’s standard atomic weight. Historically, it was these atomic weights of elements (in comparison to hydrogen) that were the quantities measurable by chemists in the 19th century.

The conventional symbol Z comes from the German word Zahl ‘number’, which, before the modern synthesis of ideas from chemistry and physics, merely denoted an element’s numerical place in the periodic table, whose order was then approximately, but not completely, consistent with the order of the elements by atomic weights. Only after 1915, with the suggestion and evidence that this Z number was also the nuclear charge and a physical characteristic of atoms, did the word Atomzahl (and its English equivalent atomic number) come into common use in this context.

History[edit]

The periodic table and a natural number for each element[edit]

Loosely speaking, the existence or construction of a periodic table of elements creates an ordering of the elements, and so they can be numbered in order.

Dmitri Mendeleev claimed that he arranged his first periodic tables (first published on March 6, 1869) in order of atomic weight («Atomgewicht»).^[1] However, in consideration of the elements’ observed chemical properties, he changed the order slightly and placed tellurium (atomic weight 127.6) ahead of iodine (atomic weight 126.9).^[1][2] This placement is consistent with the modern practice of ordering the elements by proton number, Z, but that number was not known or suspected at the time.

A simple numbering based on periodic table position was never entirely satisfactory, however. Besides the case of iodine and tellurium, later several other pairs of elements (such as argon and potassium, cobalt and nickel) were known to have nearly identical or reversed atomic weights, thus requiring their placement in the periodic table to be determined by their chemical properties. However the gradual identification of more and more chemically similar lanthanide elements, whose atomic number was not obvious, led to inconsistency and uncertainty in the periodic numbering of elements at least from lutetium (element 71) onward (hafnium was not known at this time).

The Rutherford-Bohr model and van den Broek[edit]

In 1911, Ernest Rutherford gave a model of the atom in which a central nucleus held most of the atom’s mass and a positive charge which, in units of the electron’s charge, was to be approximately equal to half of the atom’s atomic weight, expressed in numbers of hydrogen atoms. This central charge would thus be approximately half the atomic weight (though it was almost 25% different from the atomic number of gold (Z = 79, A = 197), the single element from which Rutherford made his guess). Nevertheless, in spite of Rutherford’s estimation that gold had a central charge of about 100 (but was element Z = 79 on the periodic table), a month after Rutherford’s paper appeared, Antonius van den Broek first formally suggested that the central charge and number of electrons in an atom was exactly equal to its place in the periodic table (also known as element number, atomic number, and symbolized Z). This proved eventually to be the case.

Moseley’s 1913 experiment[edit]

The experimental position improved dramatically after research by Henry Moseley in 1913.^[3] Moseley, after discussions with Bohr who was at the same lab (and who had used Van den Broek’s hypothesis in his Bohr model of the atom), decided to test Van den Broek’s and Bohr’s hypothesis directly, by seeing if spectral lines emitted from excited atoms fitted the Bohr theory’s postulation that the frequency of the spectral lines be proportional to the square of Z.

To do this, Moseley measured the wavelengths of the innermost photon transitions (K and L lines) produced by the elements from aluminum (Z = 13) to gold (Z = 79) used as a series of movable anodic targets inside an x-ray tube.^[4] The square root of the frequency of these photons (x-rays) increased from one target to the next in an arithmetic progression. This led to the conclusion (Moseley’s law) that the atomic number does closely correspond (with an offset of one unit for K-lines, in Moseley’s work) to the calculated electric charge of the nucleus, i.e. the element number Z. Among other things, Moseley demonstrated that the lanthanide series (from lanthanum to lutetium inclusive) must have 15 members—no fewer and no more—which was far from obvious from known chemistry at that time.

Missing elements[edit]

After Moseley’s death in 1915, the atomic numbers of all known elements from hydrogen to uranium (Z = 92) were examined by his method. There were seven elements (with Z < 92) which were not found and therefore identified as still undiscovered, corresponding to atomic numbers 43, 61, 72, 75, 85, 87 and 91.^[5] From 1918 to 1947, all seven of these missing elements were discovered.^[6] By this time, the first four transuranium elements had also been discovered, so that the periodic table was complete with no gaps as far as curium (Z = 96).

The proton and the idea of nuclear electrons[edit]

In 1915, the reason for nuclear charge being quantized in units of Z, which were now recognized to be the same as the element number, was not understood. An old idea called Prout’s hypothesis had postulated that the elements were all made of residues (or «protyles») of the lightest element hydrogen, which in the Bohr-Rutherford model had a single electron and a nuclear charge of one. However, as early as 1907, Rutherford and Thomas Royds had shown that alpha particles, which had a charge of +2, were the nuclei of helium atoms, which had a mass four times that of hydrogen, not two times. If Prout’s hypothesis were true, something had to be neutralizing some of the charge of the hydrogen nuclei present in the nuclei of heavier atoms.

In 1917, Rutherford succeeded in generating hydrogen nuclei from a nuclear reaction between alpha particles and nitrogen gas,^[7] and believed he had proven Prout’s law. He called the new heavy nuclear particles protons in 1920 (alternate names being proutons and protyles). It had been immediately apparent from the work of Moseley that the nuclei of heavy atoms have more than twice as much mass as would be expected from their being made of hydrogen nuclei, and thus there was required a hypothesis for the neutralization of the extra protons presumed present in all heavy nuclei. A helium nucleus was presumed to be composed of four protons plus two «nuclear electrons» (electrons bound inside the nucleus) to cancel two of the charges. At the other end of the periodic table, a nucleus of gold with a mass 197 times that of hydrogen was thought to contain 118 nuclear electrons in the nucleus to give it a residual charge of +79, consistent with its atomic number.

The discovery of the neutron makes Z the proton number[edit]

All consideration of nuclear electrons ended with James Chadwick’s discovery of the neutron in 1932. An atom of gold now was seen as containing 118 neutrons rather than 118 nuclear electrons, and its positive nuclear charge now was realized to come entirely from a content of 79 protons. Since Moseley had previously shown that the atomic number Z of an element equals this positive charge, it was now clear that Z is identical to the number of protons of its nuclei.

Chemical properties[edit]

Each element has a specific set of chemical properties as a consequence of the number of electrons present in the neutral atom, which is Z (the atomic number). The configuration of these electrons follows from the principles of quantum mechanics. The number of electrons in each element’s electron shells, particularly the outermost valence shell, is the primary factor in determining its chemical bonding behavior. Hence, it is the atomic number alone that determines the chemical properties of an element; and it is for this reason that an element can be defined as consisting of any mixture of atoms with a given atomic number.

New elements[edit]

The quest for new elements is usually described using atomic numbers. As of 2023, all elements with atomic numbers 1 to 118 have been observed. Synthesis of new elements is accomplished by bombarding target atoms of heavy elements with ions, such that the sum of the atomic numbers of the target and ion elements equals the atomic number of the element being created. In general, the half-life of a nuclide becomes shorter as atomic number increases,^{[citation needed]} though undiscovered nuclides with certain «magic» numbers of protons and neutrons may have relatively longer half-lives and comprise an island of stability.

A hypothetical element composed only of neutrons has also been proposed and would have atomic number 0.

See also[edit]

• Atomic theory
• Chemical element
• Effective atomic number (disambiguation)
• Even and odd atomic nuclei
• Exotic atom
• History of the periodic table
• List of elements by atomic number
• Mass number
• Neutron number
• Neutron–proton ratio
• Prout’s hypothesis

References[edit]

The atomic number or nuclear charge number (symbol Z) of a chemical element is the charge number of an atomic nucleus. For ordinary nuclei, this is equal to the proton number (n_p) or the number of protons found in the nucleus of every atom of that element. The atomic number can be used to uniquely identify ordinary chemical elements. In an ordinary uncharged atom, the atomic number is also equal to the number of electrons.

For an ordinary atom, the sum of the atomic number Z and the neutron number N gives the atom’s atomic mass number A. Since protons and neutrons have approximately the same mass (and the mass of the electrons is negligible for many purposes) and the mass defect of the nucleon binding is always small compared to the nucleon mass, the atomic mass of any atom, when expressed in unified atomic mass units (making a quantity called the «relative isotopic mass»), is within 1% of the whole number A.

Atoms with the same atomic number but different neutron numbers, and hence different mass numbers, are known as isotopes. A little more than three-quarters of naturally occurring elements exist as a mixture of isotopes (see monoisotopic elements), and the average isotopic mass of an isotopic mixture for an element (called the relative atomic mass) in a defined environment on Earth, determines the element’s standard atomic weight. Historically, it was these atomic weights of elements (in comparison to hydrogen) that were the quantities measurable by chemists in the 19th century.

The conventional symbol Z comes from the German word Zahl ‘number’, which, before the modern synthesis of ideas from chemistry and physics, merely denoted an element’s numerical place in the periodic table, whose order was then approximately, but not completely, consistent with the order of the elements by atomic weights. Only after 1915, with the suggestion and evidence that this Z number was also the nuclear charge and a physical characteristic of atoms, did the word Atomzahl (and its English equivalent atomic number) come into common use in this context.

History[edit]

The periodic table and a natural number for each element[edit]

Loosely speaking, the existence or construction of a periodic table of elements creates an ordering of the elements, and so they can be numbered in order.

Dmitri Mendeleev claimed that he arranged his first periodic tables (first published on March 6, 1869) in order of atomic weight («Atomgewicht»).^[1] However, in consideration of the elements’ observed chemical properties, he changed the order slightly and placed tellurium (atomic weight 127.6) ahead of iodine (atomic weight 126.9).^[1][2] This placement is consistent with the modern practice of ordering the elements by proton number, Z, but that number was not known or suspected at the time.

A simple numbering based on periodic table position was never entirely satisfactory, however. Besides the case of iodine and tellurium, later several other pairs of elements (such as argon and potassium, cobalt and nickel) were known to have nearly identical or reversed atomic weights, thus requiring their placement in the periodic table to be determined by their chemical properties. However the gradual identification of more and more chemically similar lanthanide elements, whose atomic number was not obvious, led to inconsistency and uncertainty in the periodic numbering of elements at least from lutetium (element 71) onward (hafnium was not known at this time).

The Rutherford-Bohr model and van den Broek[edit]

In 1911, Ernest Rutherford gave a model of the atom in which a central nucleus held most of the atom’s mass and a positive charge which, in units of the electron’s charge, was to be approximately equal to half of the atom’s atomic weight, expressed in numbers of hydrogen atoms. This central charge would thus be approximately half the atomic weight (though it was almost 25% different from the atomic number of gold (Z = 79, A = 197), the single element from which Rutherford made his guess). Nevertheless, in spite of Rutherford’s estimation that gold had a central charge of about 100 (but was element Z = 79 on the periodic table), a month after Rutherford’s paper appeared, Antonius van den Broek first formally suggested that the central charge and number of electrons in an atom was exactly equal to its place in the periodic table (also known as element number, atomic number, and symbolized Z). This proved eventually to be the case.

Moseley’s 1913 experiment[edit]

The experimental position improved dramatically after research by Henry Moseley in 1913.^[3] Moseley, after discussions with Bohr who was at the same lab (and who had used Van den Broek’s hypothesis in his Bohr model of the atom), decided to test Van den Broek’s and Bohr’s hypothesis directly, by seeing if spectral lines emitted from excited atoms fitted the Bohr theory’s postulation that the frequency of the spectral lines be proportional to the square of Z.

To do this, Moseley measured the wavelengths of the innermost photon transitions (K and L lines) produced by the elements from aluminum (Z = 13) to gold (Z = 79) used as a series of movable anodic targets inside an x-ray tube.^[4] The square root of the frequency of these photons (x-rays) increased from one target to the next in an arithmetic progression. This led to the conclusion (Moseley’s law) that the atomic number does closely correspond (with an offset of one unit for K-lines, in Moseley’s work) to the calculated electric charge of the nucleus, i.e. the element number Z. Among other things, Moseley demonstrated that the lanthanide series (from lanthanum to lutetium inclusive) must have 15 members—no fewer and no more—which was far from obvious from known chemistry at that time.

Missing elements[edit]

After Moseley’s death in 1915, the atomic numbers of all known elements from hydrogen to uranium (Z = 92) were examined by his method. There were seven elements (with Z < 92) which were not found and therefore identified as still undiscovered, corresponding to atomic numbers 43, 61, 72, 75, 85, 87 and 91.^[5] From 1918 to 1947, all seven of these missing elements were discovered.^[6] By this time, the first four transuranium elements had also been discovered, so that the periodic table was complete with no gaps as far as curium (Z = 96).

The proton and the idea of nuclear electrons[edit]

In 1915, the reason for nuclear charge being quantized in units of Z, which were now recognized to be the same as the element number, was not understood. An old idea called Prout’s hypothesis had postulated that the elements were all made of residues (or «protyles») of the lightest element hydrogen, which in the Bohr-Rutherford model had a single electron and a nuclear charge of one. However, as early as 1907, Rutherford and Thomas Royds had shown that alpha particles, which had a charge of +2, were the nuclei of helium atoms, which had a mass four times that of hydrogen, not two times. If Prout’s hypothesis were true, something had to be neutralizing some of the charge of the hydrogen nuclei present in the nuclei of heavier atoms.

In 1917, Rutherford succeeded in generating hydrogen nuclei from a nuclear reaction between alpha particles and nitrogen gas,^[7] and believed he had proven Prout’s law. He called the new heavy nuclear particles protons in 1920 (alternate names being proutons and protyles). It had been immediately apparent from the work of Moseley that the nuclei of heavy atoms have more than twice as much mass as would be expected from their being made of hydrogen nuclei, and thus there was required a hypothesis for the neutralization of the extra protons presumed present in all heavy nuclei. A helium nucleus was presumed to be composed of four protons plus two «nuclear electrons» (electrons bound inside the nucleus) to cancel two of the charges. At the other end of the periodic table, a nucleus of gold with a mass 197 times that of hydrogen was thought to contain 118 nuclear electrons in the nucleus to give it a residual charge of +79, consistent with its atomic number.

The discovery of the neutron makes Z the proton number[edit]

All consideration of nuclear electrons ended with James Chadwick’s discovery of the neutron in 1932. An atom of gold now was seen as containing 118 neutrons rather than 118 nuclear electrons, and its positive nuclear charge now was realized to come entirely from a content of 79 protons. Since Moseley had previously shown that the atomic number Z of an element equals this positive charge, it was now clear that Z is identical to the number of protons of its nuclei.

Chemical properties[edit]

Each element has a specific set of chemical properties as a consequence of the number of electrons present in the neutral atom, which is Z (the atomic number). The configuration of these electrons follows from the principles of quantum mechanics. The number of electrons in each element’s electron shells, particularly the outermost valence shell, is the primary factor in determining its chemical bonding behavior. Hence, it is the atomic number alone that determines the chemical properties of an element; and it is for this reason that an element can be defined as consisting of any mixture of atoms with a given atomic number.

New elements[edit]

The quest for new elements is usually described using atomic numbers. As of 2023, all elements with atomic numbers 1 to 118 have been observed. Synthesis of new elements is accomplished by bombarding target atoms of heavy elements with ions, such that the sum of the atomic numbers of the target and ion elements equals the atomic number of the element being created. In general, the half-life of a nuclide becomes shorter as atomic number increases,^{[citation needed]} though undiscovered nuclides with certain «magic» numbers of protons and neutrons may have relatively longer half-lives and comprise an island of stability.

A hypothetical element composed only of neutrons has also been proposed and would have atomic number 0.

See also[edit]

• Atomic theory
• Chemical element
• Effective atomic number (disambiguation)
• Even and odd atomic nuclei
• Exotic atom
• History of the periodic table
• List of elements by atomic number
• Mass number
• Neutron number
• Neutron–proton ratio
• Prout’s hypothesis

References[edit]

Правило
Хунда используется для определения
порядка заполнения АО энергетических
подуровней ато­ма: атомные
орбитали энергетического подуровня
заполняются электронами так, чтобы было
обеспечено максимальное значение
суммарного спина. Например,
в выше рассмотренном атоме железа для
обеспечения максимального значения
суммарного спина электронов 3d-подуровня
вначале происходит последовательное
за­полнение пяти АО данного подуровня
электронами с параллельными спинами и
лишь после этого остающийся последний
электрон поступает в одну из уже занятых
АО. Данной электронной конфигурации
3d-подуровня
от­вечает значение суммарного спина,
равное по абсолютной величине двум; при
всех прочих электронных конфи­гурациях
3d-подуровня
значение суммарного спина меньше двух.

3. Периодическая система химических элементов д.И. Менделеева.

(Задачи
№№ 2140)

3.1. Связь между строением атомов и периодической системой химических элементов.

Периодическая
система включает все известные химические
элементы, расположенные в порядке
воз­ра­с­тания величины заряда
их атомных ядер (в порядке возрастания
числа электронов). Таким образом,
порядковый
номер химического элемента в периодической
системе определяет число электронов в
его атомах.

Графическим
выражением периодической системы
химических элементов является
периодическая таб­лица в её двух
основных формах: короткой и длинной.
Структурно
периодическая таблица состоит из
гори­зонтальных рядов элементов –
периодов и вертикальных – групп. Периоды
с 1-го по 3-й называются ма­лыми, с 4-го
по 6-й – большими; 7-й период является
незаконченным. Группы, в свою очередь,
делятся на главные подгруппы (А–группы)
и побочные (В–группы). В
периодической таблице элементы одной
и той же подгруппы расположены строго
по вертикали. Отличительным признаком
главных подгрупп является нахожде­ние
в них т.н. «типических» элементов –
элементов малых периодов. Например, в
группе II
главная подгруппа (IIA–группа)
включает Be,
Mg,
Ca,
Sr,
Ba,
Ra;
остальные элементы – Zn,
Cd,
Hg
– образуют побочную подгруппу
(IIB–группу).

Положение
элемента в периодической таблице и
электронное строение его атомов
взаимосвязаны. Но­мер
периода однозначно указывает на число
электронных слоёв в атомах его элементов;
номер группы для многих химических
элементов соответствует количеству
валентных электронов, т.е. определяет
зна­чение максимальной валентности
(максимальной степени окисления).

Пример
3.1.1. Связь
между периодической системой и строением
атомов элементов 4-го периода Ca,
Sc,
Ga.

Записываем
электронные
формулы
атомов:

₂₀Ca[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²];
₂₁Sc[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²],
₃₁Ga[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹].

Из
электронных формул видно, что в атомах
всех трёх элементов имеется 4 электронных
слоя соот­ветственно номеру 4-го
периода. Видно также, что в атомах скандия
и галлия -–элементов группы III
– по 3 валентных электрона (валентные
подуровни подчёркнуты) соответственно
номеру группы.

Находясь
в одной и той же группе, атомы Sc
и Ga
принадлежат к различным подгруппам: Sc
– к побоч­ной подгруппе (к IIIB-группе),
Ga
– к главной (к IIIA-группе).
Причина этого различия, как видно из
электронных формул, заключается в
различном строении валентных подуровней.
Sc
– элемент побочной подгруппы – отно­сится
к d-электронному
семейству; его валентные электроны
расположены не только во внешнем слое,
но и в d-подуровне
предвнешнего слоя; Ga
– элемент главной подгруппы – относится
к p-электронному
семейству и все его валентные электроны
находятся во внешнем слое.

Различие
в электронном строении валентных
подуровней, аналогичное рассмотренному,
имеют элемен­ты главных и побочных
подгрупп периодической системы. Элементы
побочных подгрупп – это d-элементы.
В атомах данных элементов (за исключением
IIB–группы)
валентными являются электроны внешнего
слоя и неспаренные электроны d-подуровня
предвнешнего слоя. Элементы
главных подгрупп относятся или к
р-элек­тронному семейству (элементы
IIIA

VIIIA–групп),
или же являются s-элементами
(элементы IA–
и IIA–груп­пы).
В атомах
этих элементов валентные электроны
расположены только во внешнем слое.

Элементы
одной группы, имея одинаковое количество
валентных электронов, обнаруживают ряд
сходных свойств. Это
сходство проявляется, в частности, в
одинаковом значении максимальной
валентности (мак­симальной степени
окисления). Так, рассмотренные в примере
3.1.1. атомы Sc
и Ga
в соединениях имеют мак­симальную
степень окисления, равную трём.

Элементы
одной подгруппы не просто сходны, а
родственны по большинству химических
свойств, т.к. их атомы при одинаковом
числе валентных электронов имеют также
одинаковое электронное стро­е­ние
валентных подуровней.

Пример
3.1.2. Электронное
строение валентных подуровней элементов
IIIB–группы:
скандия и иттрия.

Записываем
электронные формулы атомов и определяем
валентные подуровни:

₂₁Sc[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²],
₃₉Y[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹5s²].

Из
электронных формул видно, что атомы
рассматриваемых элементов имеют
аналогичное строение валентных подуровне,
которое для них (и остальных элементов
подгруппы) может быть выражено одной
общей формулой: (n-1)d¹ns²,
где n
– номер внешнего электронного слоя
(номер периода).

Т.к.
положение в периодической системе и
электронное строение атомов любого
элемента взаимосвя­за­ны, по
месту элемента в периодической таблице
можно охарактеризовать электронное
строение его ато­мов, не записывая
полную электронную формулу.

Пример
3.1.3. характеристика
электронного строения атомов свинца.

Порядковый
номер свинца – 82, следовательно атом
Pb
содержит 83 электронов. Т.к. Pb
– элемент 6-го периода, его электроны
образуют 6 электронных слоёв.

Pb
является элементом главной подгруппы
четвёртой группы. Следовательно, его
валентные электро­ны расположены во
внешнем 6-м электронном слое, а электронное
строение его валентных подуровней такое
же, что и у остальных элементов подгруппы,
в т.ч., аналогично электронному строению
валентных под­уров­ней первого
элемента подгруппы – углерода. Электронная
формула атома углерода проста:
₆C[1s²2s²2p²].
Из электронной формулы углерода вытекает,
что электронное строение валентных
подуровней элементов IVA–группы
выражается общей формулой ns²np².
В соответствии с этим, записываем формулу
для валентных под­уровней атома
свинца: ₈₂Pb[…6s²6p²].

Соседние файлы в папке Метод

• #
• #
• #