Вернемся к формулировке Периодического закона:

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.

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 подгруппы той же группы - гелием, неоном, аргоном и другими инертными газами.

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

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, ...