**§4.3 Главные и побочные подгруппы Периодической таблицы. d-Элементы.

Вернемся к формулировке Периодического закона:

Свойства элементов периодически изменяются в соответствии с зарядом ядер их атомов.

Постепенно переходя к атомам со все большим и большим зарядом ядра (и, следовательно, со все большим числом электронов), мы неизбежно столкнемся с элементами, у которых начинает заполняться d-подуровень. В ряду заполнения подуровней (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d ...) первый встретившийся нам 3d-подуровень начинает заполняться электронами после 4s-подуровня.

Элемент с валентной оболочкой ...4s2 - это кальций 20Ca. Следовательно, элемент с зарядом ядра Z = 21 (скандий 21Sc) будет первым d-элементом с валентной оболочкой ...4s2 3d1.

Поскольку существует пять d-орбиталей, каждая из которых может вмещать только 2 электрона, постепенное их заполнение электронами должно дать 10 d-элементов. Это видно из табл. 4-4, где приведены электронные формулы элементов, начиная с 11Na до 21Sc (первого d-элемента) и дальше - до 10-го по счету d-элемента цинка 30Zn. Атомные номера d-элементов в табл. 4-4 выделены наклонным шрифтом.

Таблица 4-4. Электронные конфигурации элементов 3 и 4 периодов Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Пери-од

Z

Эле-мент

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

 

 

 

3-й

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

6

6

6

6

6

6

6

6

1

2

2

2

2

2

2

2

 

 

1

2

3

4

5

6

   

s-элементы (11, 12)



p-элементы (13-18)

 

 

4-й

19

20

21

22

23

...

30

....

K

Ca

Sc

Ti

V

...

Zn

...

2

2

2

2

2

...

2

...

2

2

2

2

2

...

2

...

6

6

6

6

6

...

6

...

2

2

2

2

2

...

2

...

6

6

6

6

6

...

6

...

 



1

2

3

...

10

...

1

2

2

2

2

...

2

...

s-элементы (19, 20)



d-элементы (21-30)

 

 

 



и так далее

В традиционной (ее называют короткой) форме Периодической таблицы первый d-элемент скандий (Sc) попадает в клеточку, расположенную сразу за кальцием (Ca) - то есть в одну группу с бором (B) и алюминием (Al).

Но бор и алюминий - p-элементы. Их химические свойства не могут быть аналогичны свойствам d-элементов. Поэтому скандий помещен в одной группе с бором и алюминием, но не прямо под символами этих элементов, а в стороне - в так называемой побочной подгруппе. Так же пришлось поступить и с другими d-элементами (см. Периодическую таблицу). Итак, символы d-элементов в короткой форме периодической таблицы располагают не под символами других элементов данной группы, а выделяют в отдельную побочную подгруппу. d-Элементы также выделяют цветом (чаще - голубым). Например: d-элементы титан (Ti), цирконий (Zr), гафний (Hf) и резерфордий (Rf) - это элементы побочной подгруппы IV-й группы. А p-элементы углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb) - это элементы главной подгруппы той же IV-й группы.

В короткой форме Периодической таблицы каждая группа элементов подразделяется на главную подгруппу и побочную подгруппу. В главную подгруппу входят s- и p-элементы, в побочную - d-элементы.

Или, в другой формулировке:

Подгруппы, в которых расположены s- и p-элементы, называют ГЛАВНЫМИ, а подгруппы с d-элементами - ПОБОЧНЫМИ ПОДГРУППАМИ. Главные и побочные подгруппы иногда обозначают соответственно буквами "А" и "Б", или "А" и "В", или "а" и "б".

Элементы побочных подгрупп (d-элементы) называют ПЕРЕХОДНЫМИ элементами или переходными металлами (все d-элементы - металлы).

Термин “переходные металлы” возник вследствие того, что все d-элементы в периодах (строчках таблицы) служат как бы “переходным мостиком” от металлических s-элементов к p-элементам, среди которых уже много неметаллов. Иногда термин “переходные металлы” применяют и к f-элементам, о которых мы расскажем в следующем параграфе.

Поскольку в периодах (горизонтальных строчках Периодической таблицы) имеется всего по 2 s-элемента и по 6 p-элементов (в сумме 8), а d-элементов по определению должно быть больше (10 в каждом периоде), возникла масса неудобств в оформлении таблицы. Например, в VIII группе вместе с инертными газами (главная подгруппа) пришлось расположить не по одному, а по 3 элемента побочной подгруппы в каждой строчке!

Разумеется, ярко выраженные металлы - железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni) и другие элементы этой побочной подгруппы ничего общего не имеют с элементами главной группы: гелием, неоном, аргоном и другими инертными газами.

Электронное строение и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп могут не иметь ничего общего.

Совпадения носят скорее случайный характер. Например, скандий (Sc) имеет валентную оболочку из трех электронов: ...4s2 3d1, поэтому проявляет в соединениях валентность III и степень окисления +3 точно так же, как его соседи (но в главной подгруппе) бор (2s2 2p1) и алюминий (3s2 3p1).

Другой пример: элемент побочной подгруппы марганец (Mn ...4s2 3d5) может отдавать с валентной оболочки 7 электронов и иметь наибольшую степень окисления +7 точно так же, как находящиеся с ним в одной группе (но в главной подгруппе!) хлор, бром, иод. Но в I-й и особенно в VIII-й группах очень хорошо видно, насколько разные элементы собрались в главной и побочной подгруппах. Здесь действительно нет ничего общего между элементами главных и побочных подгрупп.

Существует гораздо более удобная - так называемая “длинная” форма Периодической таблицы, где эти трудности устранены. Именно длинная форма Периодической таблицы рекомендована ИЮПАК (см. словарь терминов) к использованию во всем мире еще в 1989 году. Здесь нет подгрупп, а есть только группы. Идея этой таблицы ясна из рис. 4-4.

Рис. 4-4. Схема расположения s, p, d и f-элементов в длинной форме Периодической таблицы

Вызовите из меню длинную форму Периодической таблицы и сравните ее с рис. 4-4. В длинной форме не восемь, а восемнадцать групп (и по правилам ИЮПАК они нумеруются не римскими, а арабскими цифрами). Десять d-элементов выделены в 10 самостоятельных групп. Вместе с двумя группами для s-элементов и шестью группами p-элементов общее количество групп составляет 18. В короткой форме таблицы только VIII групп - именно поэтому группы пришлось делить на подгруппы.

Из-за большего числа групп в длинной форме таблицы ее периоды уже не нужно делить на ряды. Ряды существуют только в традиционной (короткой) форме таблицы Менделеева для того, чтобы поместить 18 элементов в VIII колонок (групп). Из-за d-элементов в короткой форме таблицы в каждом периоде (начиная с 3-го, где появляются d-элементы) - по два ряда. В длинной форме ряды оказываются не нужны - там каждый период состоит только из одной строчки.

Длинная форма таблицы имеет еще одно важное достоинство - с ее помощью легко восстановить в памяти последовательность заполнения электронами уровней и подуровней в атомах элементов (это особенно важно на экзамене). Вместо того, чтобы запоминать уже известный нам ряд:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f » 6d, ...

можно по памяти начертить рис. 4-4 (это легче, чем может показаться на первый взгляд). В длинной форме таблицы все подуровни идут строго один за другим сверху вниз: под 1s мы видим 2s, 3s, и т.д.; под 2p мы видим 3p, 4p, и т.д.; под 3d мы видим 4d, 5d, и так далее. После этого сразу становится ясной последовательность заполнения всех электронных уровней любого элемента, даже еще не открытого. Нужно только помнить, что после 6s-подуровня заполняется 4f-подуровень, а после 7s-подуровня заполняется 5f-подуровень; f-элементы обычно выносят в отдельные строчки внизу таблицы, чтобы не делать ее “сверхдлинной” (такая таблица тоже существует и является наиболее строгой и логичной среди всех существующих форм Периодической таблицы, но она неудобна для печати).

Кстати, из длинной формы таблицы и рис. 4-4 следует, что начиная со 113-го элемента наступит черед открытий элементов, заполняющих свой 7p-подуровень.

Разумеется, длинная форма Периодической таблицы смогла появиться только после того, как выяснилось электронное строение атомов и стало понятно отличие d-элементов от s- и p-элементов.

Несмотря на рекомендации ИЮПАК 1989 года, в России традиционно продолжают пользоваться короткой формой таблицы Д. И. Менделеева. Именно на нее ориентированы задания ЕГЭ и программы по химии. Только она (за редким исключением) до сих пор печатается в российских школьных учебниках. Разумеется, это неправильно и надо постепенно исправлять ситуацию. Но в любом случае полезно разбираться и в короткой форме Периодической таблицы, которая еще долго будет присутствовать в российском школьном образовании. Тем не менее, будущее, безусловно, за длинной формой Периодической таблицы.

Задачи.

4.5. Составьте полную электронную формулу для еще не открытого 114-го элемента.

4.6. Пользуясь длинной формой Периодической таблицы, напишите электронные формулы валентных оболочек элементов: 88Ra, 27Co, 48Cd, 104Rf.

4.7. Пользуясь последовательностью заполнения электронами уровней и подуровней, приведенной в этом параграфе, а также таблицей электронных конфигураций атомов, обоснуйте одну из двух точек зрения: аналогом иттрия 39Y в побочной подгруппе III группы (группе III Б) является а) лантан 57La, б) лютеций 71Lu.

_________________