Периодическая таблица состоит из горизонтальных рядов; в ней имеется один очень короткий период (включающий водород и гелий; их атомные номера 1 и 2), два коротких периода из 8 элементов каждый, два длинных периода из 18 элементов каждый, один очень длинный период из 32 элементов и один незаконченный период.
Свойства элементов, относящихся к одному и тому же периоду, изменяются определенным образом так, как это показано на рис. 5.1, на котором приведена кривая, выражающая зависимость между плотностью элементарных веществ в кристаллическом состоянии и атомным номером. На кривой четко видны пять минимумов плотности (нижние точки). Они соответствуют элементам натрию (11), калию (19), рубидию (37), цезию (55) и францию (87). Эти пять элементов и литий составляют группу поразительно близких по своим свойствам элементов (разд. 18.3).
Вертикальные колонки периодической таблицы называют группами химических элементов (переходы между короткими и длинными периодами в табл. 5.1 показаны стрелками). Элементы, входящие в одну группу, можно называть родственными; эти элементы обладают весьма близкими физическими и химическими свойствами.
Рис. 5.1. Плотность элементарных веществ в твердом состоянии (г·см-3). В верхних и нижних точках кривой указаны символы элементов, которые характеризуются максимальной и минимальной плотностями.
Группы I, II и III включают элементы левой части всех периодов табл. 5. 1, группы IV, V, VI и VII — элементы правой части. Элементы, занимающие среднюю часть длинных периодов, называются переходными элементами; они обладают свойствами, отличающимися от свойств элементов коротких периодов; эти элементы рассматривают отдельно как группы IVa, Va, VIa, VIIa, VIII (которая по исторической традиции включает по три элемента от каждого длинного периода), I6, IIб, IIIб.
Очень длинный период удалось вместить в таблицу, выделив из него четырнадцать элементов — редкоземельные металлы, или лантаноиды (элементы, похожие на лантан с Z = 57), с атомными номерами от 58 до 71, и поместив их в виде отдельного ряда в нижней части таблицы. Элементы, имеющие атомные номера от 90 до 103, называют актиноидами (элементы, похожие на актиний с Z = 89); в таблице их размещают под лантаноидами.
Элементы, занимающие левую часть и центр периодической системы, являются металлами. В виде простых веществ они обладают характерными свойствами, называемыми металлическими: высокими электропроводностью и теплопроводностью, металлическим блеском, ковкостью, гибкостью (их можно прокатывать в листы) и тягучестью (из них можно тянуть проволоку). Элементы, занимающие правую часть таблицы,— неметаллы; соответствующие простые вещества не обладают металлическими свойствами.
Металлические свойства наиболее ярко выражены у элементов, занимающих левый нижний угол периодической таблицы, а неметаллические свойства ярче всего выражены у элементов, занимающих правый верхний угол (без учета благородных газов). Ту часть таблицы, которая отделяет металлы от неметаллов, занимают элементы с промежуточными свойствами; они расположены вблизи прямой линии, проходящей от средней точки в верхней части таблицы к ее нижнему правому углу. Эти элементы, называемые металлоидами, включают бор, кремний, германий, мышьяк, сурьму, теллур и полоний.
Группы элементов можно кратко описать следующим образом:
Группа 0, группа аргоноидов. Элементы этой группы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон — почти полностью инертны в химическом отношении; они образуют лишь немногие химические соединения. Аргоноиды рассмотрены в последующих разделах данной главы.
Группа I, группа щелочных металлов. Щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций — легкие металлы, обладающие очень высокой химической активностью. Многие их соединения находят важное применение в промышленности и повседневной жизни. Щелочные металлы и их соединения рассмотрены в гл. 18. Слово «щелочи» произошло от арабского слова, означающего «зола» (соединения этих металлов получали из древесной золы).
Группа II, группа щелочноземельных металлов. Эти металлы — бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, а также их соединения— описаны в гл. 18.
Группа III, группа бора или алюминия. Бор — металлоид, тогда как алюминий и родственные ему элементы — металлы. Свойства бора и родственных ему элементов описаны в гл. 18.
Группа IV, группа углерода и кремния. Химия углерода изложена в гл. 7—9, а более детально — в гл. 13—15. Химия кремния и других элементов этой группы описана в гл. 18.
Группа V, группа азота или фосфора. Азот и фосфор — неметаллы, родственные им элементы мышьяк и сурьма — металлоиды, висмут обычно относят к металлам. Химия азота, фосфора и других элементов этой группы изложена в гл. 7 и 8.
Группа VI, группа кислорода. Кислород и родственные ему сера и селен — неметаллы, а теллур и полоний относят к металлоидам. Химия кислорода и родственных ему элементов изложена в гл. 7 и 8.
Группа VII, группа галогенов. Галогены — фтор, хлор, бром, иод и астат — образуют группу наиболее ярко выраженных неметаллических элементов. В химическом отношении они очень активны, образуют множество соединений. Химия галогенов изложена в гл. 7 и 8. Слово «галоген» образовано из греческих слов hals—соль и genes — порождать, образовывать.
В главах, непосредственно следующих за данной, рассмотрены в основном те элементы, химию которых можно систематически изложить путем сравнения электронных структур того или иного элемента с электронными структурами аргоноидов. Остальные элементы, называемые переходными элементами, описаны в гл. 19.