(Z ) имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атомов. Например, во втором периоде атомные радиусы имеют следующие значения:
|
r , нм |
0,155 |
0,113 |
0,091 |
0,077 |
0,071 |
0,066 |
0,064 |
Это объясняется увеличением притяжения электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания заряда ядра. В подгруппах сверху вниз атомные радиусы возрастают, т.к. увеличивается число электронных слоев:
|
r , нм |
r , нм |
||
|
0,155 |
0,071 |
||
|
0,189 |
0,130 |
||
|
0,236 |
0,148 |
||
|
0,248 |
0,161 |
||
|
0,268 |
0,182 |
Потеря атомом электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров, а присоединение избыточных электронов - к увеличению. Поэтому радиус положительного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательного иона (аниона) всегда больше, чем радиус соответствующего электронейтрального атома. Например:
|
r , нм |
r , нм |
||
|
0,236 |
Cl 0 |
0,099 |
|
|
0,133 |
Cl - |
0,181 |
Радиус иона тем сильнее отличается от радиуса атома, чем больше заряд иона:
|
Cr 0 |
Cr 2+ |
Cr 3+ |
|
|
r , нм |
0,127 |
0,083 |
0,064 |
В пределах одной подгруппы радиусы ионов одинакового заряда возрастают с увеличением заряда ядра:
|
r , нм |
r , нм |
||
|
Li + |
0,068 |
0,133 |
|
|
Na + |
0,098 |
Cl - |
0,181 |
|
0,133 |
Br - |
0,196 |
|
|
Rb + |
0,149 |
0,220 |
Такая закономерность объясняется увеличением числа электронных слоев и растущим удалением внешних электронов от ядра.
б)Энергия ионизации и сродство к электрону . В химических реакциях ядра атомов не подвергаются изменению, электронная же оболочка перестраивается, причем атомы способны превращаться в положительно и отрицательно заряженные ионы . Эта способность может быть количественно оценена энергией ионизации атома и его сродством к электрону .
Энергией ионизации (потенциалом ионизации) I называется количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома с образованием катиона:
X - e → X +
Энергия ио низации измеряется в кДж/моль или в электронвольтах1 эВ = 1,602 . 10 -19 Дж или 96,485 кДж/моль. (эВ). Отрыв второго электрона происходит труднее, чем первого, т.к. второй электрон отрывается не от нейтрального атома, а от положительного иона:
X + - e → X 2+
Поэтому второй потенциал ионизации I 2 больше, чем первый (I 2 >I 1). Очевидно, что удаление каждого следующего электрона будет требовать больших энергетических затрат, чем удаление предыдущего. Для характеристики свойств элементов обычно принимают во внимание энергию отрыва первого электрона.
В группах потенциал ионизации уменьшается с увеличением атомного номера элемента:
|
I , эВ |
6,39 |
5,14 |
4,34 |
4,18 |
3,89 |
Это связано с большей удаленностью валентных электронов от ядра и, следовательно, с их более легким отрывом по мере увеличения количества электронных слоев. Величина потенциала ионизации может служить мерой “металличности ” элемента: чем меньше потенциал ионизации, тем легче удалить электрон из атома, тем сильнее выражены металлические свойства .
В периодах слева направо заряд ядра возрастает, а радиус атома уменьшается. Поэтому потенциал ионизации постепенно увеличивается, а металлические свойства ослабевают:
|
I , эВ |
5,39 |
9,32 |
8,30 |
11,26 |
14,53 |
13,61 |
17,42 |
21,56 |
Нарушение тенденции возрастания I наблюдается для атомов с целиком заполненным внешним энергетическим подуровнем, либо для атомов, у которых внешний энергетический подуровень заполнен ровно наполовину:
Это свидетельствует о повышенной энергетической устойчивости электронных конфигураций с полностью или ровно наполовину занятыми подуровнями.
Степень притяжения электрона к ядру и, следовательно, потенциал ионизации зависят от ряда факторов, и прежде всего от заряда ядраЗаряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. , от расстояния между электроном и ядром, от экранирующего влияния других электронов. Так, у всех атомов, кроме элементов первого периода, влияние ядра на электроны внешнего слоя экранировано электронами внутренних слоев.
Поле ядра атома, удерживающее электроны, притягивает также и свободный электрон, если он окажется вблизи атома. Правда, этот электрон испытывает отталкивание со стороны электронов атома. Для многих атомов энергия притяжения дополнительного электрона к ядру превышает энергию его отталкивания от электронных оболочек. Эти атомы могут присоединять электрон, образуя устойчивый однозарядный анион. Энергию отрыва электрона от отрицательного однозарядного иона в процессеX - - e → X 0 называют сродством атома к электрону (A ), измеряемым в кДж/моль или эВ . При присоединении двух и более электронов к атому отталкивание преобладает над притяжением - сродство атома к двум и более электронам всегда отрицательно. Поэтому одноатомные многозарядные отрицательные ио ны (O 2- , S 2- , N 3- и т.п.) в свободном состоянии существовать не могут.
Сродство к электрону известно не для всех атомов. Максимальным сродством к электрону обладают атомы галогенов .
В)Электроотрицательность . Эта величина характеризует способность атома в молекуле притягивать к себе связующие электроны. Электроотрицательность не следует путать со сродством к электрону: первое понятие относится к атому в составе молекулы, а второе - к изолированному атому. Абсолютная электроотрицательность (кДж/моль или эВ1 электронвольт = 1,602 . 10 -19 Дж или 96,485 кДж/моль. ) равна сумме энергии ионизации и сродства к электрону :АЭО=I +A . На практике часто применяется величина относительной электроотрицательности , равная отношению АЭО данного элемента к АЭО лития (535 кДж/моль):
А.И. Хлебников, И.Н. Аржанова, О.А. Напилкова
Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона (при этом происходит уменьшение эффективного отрицательного заряда на этоме кислорода) делают оксид более кислотным. Это и объясняет закономерное изменение свойств оксидов от основных к амфотерным и далее к кислотным.
1) В одном периоде при увеличении порядкового номера происходит усиление кислотных свойств оксидов и увеличение силы соответствующих им кислот.
2) В главных подгруппах периодической системы при переходе от одного элемента к другому сверху вниз наблюдается усиление новых свойств оксидов:
3) При повышении степени окисления элемента усиливаются кислотные свойства оксида и ослабевают основные
Химические свойства оксидов
Основные оксиды
К основным оксидам относятся:
Оксиды всех металлов главной подгруппы первой группы (щелочные металлы Li - Fr)
Главной подгруппы второй группы, начиная с магния (Mg - Ra)
Оксиды переходных металлов в низших степенях окисления, например, MnO, FeO.
Большинство основных оксидов представляет собой твердые кристаллические вещества ионного характера, в узлах кристаллической решетки расположены ионы металлов, достаточно прочно связанные с оксид-ионами О2-, поэтому оксиды типичных металлов обладают высокими температурами плавления и кипения.
Отметим одну характерную для оксидов особенность. Близость ионных радиусов многих ионов металлов приводит к тому, что в кристаллической решетке оксидов часть ионов одного металла может быть заменена на ионы другого металла. Это приводит к тому, что для оксидов часто не выполняется закон постоянства состава и могут существовать смешанные оксиды переменного состава.
Большинство основных оксидов не распадается при нагревании, исключение составляют оксиды ртути и благородных металлов:
2HgO = 2Hg + O 2
2Ag2O = 4Ag + O2
Основные оксиды при нагревании могут вступать в реакции кислотными и амфотерными оксидами, с кислотами:
ВаО + SiO 2 = ВаSiO 3 ,
МgО + Аl 2 О 3 = Мg(AlO 2) 2 ,
ZnО + Н 2 SО 4 = ZnSО 4 + Н 2 О.
Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов непосредственно реагируют с водой:
Как и другие типы оксидов, основные оксиды могут вступать в окислительно-восстановительные реакции:
Fe 2 O 3 +2Al = Al 2 O 3 + 2Fe
3CuO+2NH 3 = 3Cu + N 2 +3H 2 O
4FeO+O 2 = 2Fe 2 + O 3
Основные оксиды наиболее активных металлов (щелочных и щелочноземельных, начиная с оксида кальция) при взаимодействии с водой (реакция гидратации) образуют соответствующие им гидроксиды (основания). Например, при растворении оксида кальция (негашёной извести) в воде образуется гидроксид кальция – сильное основание:
СаO + H 2 O → Са(OH) 2
Основные оксиды взаимодействуют с кислотами, образуя соответствующие соли:
CaO + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O
К образованию солей также приводит реакция основных оксидов с кислотными оксидами:
Na 2 O + CO 2 → Na 2 CO 3
И с амфотерными оксидами:
Li 2 O+Al 2 O 3 → 2LiAlO 2
Кислотные оксиды
Большинство оксидов неметаллов являются кислотными оксидами (CO2, SO3, P4O10). Оксиды переходных металлов в высших степенях окисления проявляют преимущественно также свойства кислотных оксидов, например: CrO3, Mn2O7, V2O5.
Кислотные оксиды представляют ее оксиды неметаллов или переходных металлов в высоких степенях окисления и могут быть получены методами, аналогичными методам получения основных оксидов, например:
4P+5O 2 = 2P 2 + O 5
2ZnS+3O 2 = 2ZnO + 2SO 2
K 2 Cr 2 O 7 +H 2 SO 4 = 2CrO 3 ↓+ K 2 SО 4 +H 2 O
Nа 2 SiO 3 + 2НСl = 2NаСl + SiO 2 ↓ + Н 2 О
Большинство кислотных оксидов непосредственно взаимодействует с водой с образованием кислот:
Наиболее типичными для кислотных оксидов являются их реакции с основными и амфотерными оксидами, с щелочами:
P 2 O 5 +Al 2 O 3 = 2AlPO 4
Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСО 3 ↓ + Н 2 О.
Выше упоминалось, что кислотные оксиды могут вступать в многочисленные окислительно-восстановительные реакции, например:
2SO 2 +O 2 2SO 3
SО 2 + 2Н 2 S = 3S + 2Н 2 О,
4CrO 3 + С 2 Н 5 ОН = 2Сr 2 О 3 + 2СО 2 + ЗН 2 О
Практически все кислотные оксиды при взаимодействии с водой (гидратации) образуют соответствующие им кислотные гидроксиды (кислородосодержащие кислоты). Например, при растворении оксида серы (VI) в воде образуется серная кислота:
SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4
Кислотные оксиды могут быть получены из соответствующей кислоты:
H 2 SiO 3 → SiO 2 + H 2 O
Амфотерные оксиды
Амфотерность (от греч. Amphoteros – и тот и другой) – способность химических соединений (оксидов, гидроксидов, аминокислот) проявлять как кислотные свойства, так и основные свойства, в зависимости от свойств второго реагента, учавствующего в реакции.
Амфотерные оксиды реагируют с сильными кислотами, образуя соли этих кислот. Такие реакции являются проявлением основных свойств амфотерных оксидов, например:
ZnO + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + H 2 O
Они также реагируют с сильными щелочами, проявляя этим свои кислотные свойства, например:
ZnO + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 + H 2 O
Амфотерные оксиды могут реагировать с щелочами двояко: в растворе и в расплаве.
При реакции с щёлочью в расплаве образуется обычная средняя соль(как показано на примере выше).
При реакции с щёлочью в растворе образуется комплексная соль.
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O → 2Na (В данном случае образуется тетрагидроксоаллюминат натрия)
Для каждого амфотерного металла есть свое координационное число.
Для Be и Zn - это 4; для и Al - это 4 или 6; для и Cr - это 6 или (очень редко) 4;
Амфотерные оксиды обычно не растворяются в воде и не реагируют с ней.
Амфотерные оксиды обладают двойственной природой: они одновременно способны к реакциям, в которые вступают как основные, так и кислотные оксиды, т.е. реагируют и с кислотами, и со щелочами:
Аl 2 О 3 + 6НСl = 2АlСl 3 + ЗН 2 О,
Аl 2 О 3 + 2NаОН + ЗН 2 О = 2Nа[Аl(ОН) 4 ].
К числу амфотерных оксидов относятся оксид алюминия Аl2О3, оксид хрома (III) Сr2О3, оксид бериллия ВеО, оксид цинка ZnО, оксид железа (III) Fe2О3 и ряд других.
Идеально амфотерным оксидом является вода Н2О, которая диссоциирует с образованием одинаковых количеств ионов водорода (кислотные свойства) и гидроксид-иона (основные свойства). Амфотерные свойства воды ярко проявляются при гидролизе растворенных в ней солей:
Сu 2+ + Н 2 О Сu(ОН) + + Н + ,
СО 3 2- + Н 2 О НСО 3- + ОН - .
Основная закономерность этого изменения заключается в усилении металлического характера элементов по мере роста Z. Особенно отчетливо эта закономерность проявляется в IIIа-VIIa-подгруппах. Для металлов I А-III А-подгрупп наблюдается рост химической активности. У элементов IVА - VIIА-подгрупп по мере увеличения Z наблюдается ослабление химической активности элементов. У элементов b-подгрупп изменение химической активности более сложно.
Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учеными в 20-х гг. ХХ в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов. Согласно этой теории, по мере роста Z заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах элементов, входящих в периоды периодической системы, происходит в следующей последовательности:
Номера периодов
1 2 3 4 5 6 7
1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p
На основании теории периодической системы можно дать следующее определение периода: период есть совокупность элементов, начинающаяся элементом со значением n. равным номеру периода, и l=0 (s-элементы) и заканчивающаяся элементом с тем же значением n и l = 1 (р-элементы) (см. Атом). Исключение составляет первый период, содержащий только 1s-элементы. Из теории периодической системы следуют и числа элементов в периодах: 2, 8, 8. 18, 18, 32...
На рисунке символы элементов каждого типа (s-, р-, d- и f-элементы) изображены на определенном цветовом фоне: s-элементы - на красном, р-элементы - на оранжевом, d-элементы - на синем, f-элементы - на зеленом. В каждой клетке приведены порядковые номера и атомные массы элементов, а также электронные конфигурации внешних электронных оболочек, которые в основном и определяют химические свойства элементов.
Из теории периодической системы следует, что к а-подгруппам принадлежат элементы с и, равным номеру периода, и l=0 и 1. К b-подгруппам относятся те элементы, в атомах которых происходит достройка оболочек, ранее остававшихся незавершенными. Именно поэтому первый, второй и третий периоды не содержат элементов b-подгрупп.
Структура периодической системы химических элементов тесно связана со строением атомов химических элементов. По мере роста Z периодически повторяются сходные типы конфигурации внешних электронных оболочек. А именно они определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности по-разному проявляются для элементов A-подгрупп (s- и р-элементы), для элементов b-подгрупп (переходные d-элементы) и элементов f-семейств - лантаноидов и актиноидов. Особый случай представляют элементы первого периода - водород и гелий. Для водорода характерна высокая химическая активность, потому что его единственный b-электрон легко отщепляется. В то же время конфигурация гелия (1st) весьма устойчива, что обусловливает его полную химическую бездеятельность.
У элементов А-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек (с n, равным номеру периода); поэтому свойства этих элементов заметно изменяются по мере роста Z. Так, во втором периоде литий (конфигурация 2s) - активный металл, легко теряющий единственный валентный электрон; бериллий (2s~) - также металл, но менее активный вследствие того, что его внешние электроны более прочно связаны с ядром. Далее, бор (2з"р) имеет слабо выраженный металлический характер, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит построение 2р-подоболочки, являются уже неметаллами. Восьмиэлектронная конфигурация внешней электронной оболочки неона (2s~р~) - инертного газа - очень прочна.
Химические свойства элементов второго периода объясняются стремлением их атомов приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (конфигурацию гелия - для элементов от лития до углерода или конфигурацию неона - для элементов от углерода до фтора). Вот почему, например, кислород не может проявлять высшей степени окисления, равной номеру группы: ведь ему легче достичь конфигурации неона путем приобретения дополнительных электронов. Такой же характер изменения свойств проявляется у элементов третьего периода и у s- и р-элементов всех последующих периодов. В то же время ослабление прочности связи внешних электронов с ядром в А-подгруппах по мере роста Z проявляется в свойствах соответствующих элементов. Так, для s-элементов отмечается заметный рост химической активности по мере роста Z, а для р-элементов - нарастание металлических свойств.
В атомах переходных d-элементов достраиваются не завершенные ранее оболочки со значением главного квантового числа и, на единицу меньшим номера периода. За отдельными исключениями, конфигурация внешних электронных оболочек атомов переходных элементов - ns . Поэтому все d-элементы являются металлами, и именно поэтому изменения свойств 1-элементов по мере роста Z не так резки, как мы это видели у s и р-элементов. В высших степенях окисления d-элементы проявляют определенное сходство с р-элементами соответствующих групп периодической системы.
Особенности свойств элементов триад (VIII b-подгруппа) объясняются тем, что d-подоболочки близки к завершению. Вот почему железо, кобальт, никель и платиновые металлы, как правило, не склонны давать соединения высших степеней окисления. Исключение составляют лишь рутений и осмий, дающие оксиды RuO4 и OsO4. У элементов I- и II B-подгрупп d-подоболочка фактически оказывается завершенной. Поэтому они проявляют степени окисления, равные номеру группы.
В атомах лантаноидов и актиноидов (все они металлы) происходит достройка ранее не завершенных электронных оболочек со значением главного квантового числа и на две единицы меньше номера периода. В атомах этих элементов конфигурация внешней электронной оболочки (ns2) сохраняется неизменной. В то же время f-электроны фактически не оказывают влияния на химические свойства. Вот почему лантаноиды так сходны.
У актиноидов дело обстоит гораздо сложнее. В интервале зарядов ядер Z = 90 - 95 электроны бd и 5/ могут принимать участие в химических взаимодействиях. А отсюда следует, что актиноиды проявляют гораздо более широкий диапазон степеней окисления. Например, для нептуния, плутония и америция известны соединения, где эти элементы выступают в семи валентном состоянии. Только у элементов, начиная с кюрия (Z = = 96), становится устойчивым трехвалентное состояние. Таким образом, свойства актиноидов значительно отличаются от свойств лантаноидов, и оба семейства поэтому нельзя считать подобными.
Семейство актиноидов заканчивается элементом с Z = 103 (лоуренсий). Оценка химических свойств курчатовия (Z = 104) и нильсбория (Z = 105) показывает, что эти элементы должны быть аналогами соответственно гафния и тантала. Поэтому ученые полагают, что после семейства актиноидов в атомах начинается систематическое заполнение 6d-подоболочки.
Конечное число элементов, которое охватывает периодическая система, неизвестно. Проблема ее верхней границы - это, пожалуй, основная загадка периодической системы. Наиболее тяжелый элемент, который удалось обнаружить в природе,- это плутоний (Z = = 94). Достигнутый предел искусственного ядерного синтеза - элемент с порядковым номером 107. Остается открытым вопрос: удастся ли получить элементы с большими порядковыми номерами, какие и сколько? На него нельзя пока ответить сколь-либо определенно.
Периодичность свойств химических элементовВ современной науке таблицу Д. И. Менделеева называют периодической системой химических элементов, т. к. общие закономерности в изменении свойств атомов, простых и сложных веществ, образованных химическими элементами, повторяются в этой системе через определенные интервалы - периоды. Таким образом, все существующие в мире химические элементы подчиняются единому, объективно действующему в природе периодическому закону, графическим отображением которого является периодическая система элементов. Этот закон и система носят имя великого русского химика Д. И. Менделеева.
Периоды - это ряды элементов, расположенные горизонтально, с одинаковым максимальным значением главного квантового числа валентных электронов. Номер периода соответствует числу энергетических уровней в атоме элемента. Периоды состоят из определенного количества элементов: первый - из 2 , второй и третий - из 8 , четвертый и пятый - из 18, шестой период включает 32 элемента. Это зависит от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Седьмой период является незавершенным. Все периоды (исключение составляет первый) начинаются щелочным металлом (s-элементом), а заканчиваются благородным газом. Когда начинает заполняться новый энергетический уровень, начинается новый период. В периоде с увеличением порядкового номера химического элемента слева направо металлические свойства простых веществ уменьшаются, а неметаллические возрастают.
Металлические свойства - это способность атомов элемента при образовании химической связи отдавать свои электроны, а неметаллические свойства - это способность атомов элемента при образовании химической связи присоединять электроны других атомов. У металлов электронами заполняется внешний s-подуровень, что подтверждает металлические свойства атома. Неметаллические свойства простых веществ проявляются при формировании и заполнении электронами внешнего р-подуровня. Неметаллические свойства атома усиливаются в процессе заполнения электронами р-подуровня (от 1 до 5). Атомы с полностью заполненным внешним электронным слоем (ns 2 np 6) образуют группу благородных газов , которые являются химически инертными.
В малых периодах с ростом положительного заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 - в первом периоде и от 1 до 8 - во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого периода) находится щелочной металл, затем металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические. В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение уровней электронами происходит сложнее , что объясняет и более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда число электронов на внешнем уровне остается постоянным и равно 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются крайне медленно. Лишь в нечетных рядах, когда с ростом заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем уровне (от 1 до 8), свойства элементов начинают изменяться так же, как у типических.
Группы - это вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равных номеру группы. Существует деление на главные и побочные подгруппы. Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов. Валентные электроны этих элементов расположены на внешних ns- и nр-подуровнях. Побочные подгруппы состоят из элементов больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns-подуровне и внутреннем (n — 1) d -подуровне (или (n — 2) f-подуровне). В зависимости от того, какой подуровень (s-, p-, d- или f-) заполняется валентными электронами, элементы разделяются на:
1) s-элементы - элементы главной подгруппы I и II групп;
2) р-элементы - элементы главных подгрупп Ш-VII групп;
3) d -элементы - элементы побочных подгрупп;
4) f-элементы - лантаноиды, актиноиды.
Сверху вниз в главных подгруппах металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Элементы главных и побочных групп отличаются по свойствам. Номер группы показывает высшую валентность элемента. Исключение составляют кислород, фтор, элементы подгруппы меди и восьмой группы . Общими для элементов главных и побочных подгрупп являются формулы высших оксидов (и их гидратов). У высших оксидов и их гидратов элементов I-III групп (исключение составляет бор) преобладают основные свойства, с IV по VIII - кислотные. Для элементов главных подгрупп формулы водородных соединений общие. Элементы I-III групп образуют твердые вещества - гидриды, так как степень окисления водорода -1 . Элементы IV-VII групп - газообразные. Водородные соединения элементов главных подгрупп IV группы (ЭН 4) - нейтральны, V группы (ЭН3) являются основаниями, VI и VII групп (Н 2 Э и НЭ) - кислотами.
Радиусы атомов, их периодические изменения в системе химических элементов
Радиус атома с увеличением зарядов ядер атомов в периоде уменьшается , т. к. притяжение ядром электронных оболочек усиливается. Происходит своеобразное их «сжатие». От лития к неону заряд ядра постепенно увели-чивается (от 3 до 10), что обуславливает возрастание сил притяжения электронов к ядру, размеры атомов уменьшаются. Поэтому в начале периода расположены элементы с небольшим числом электронов на внешнем электронном слое и большим радиусом атома. Электроны, находящиеся дальше от ядра, легко от него отрываются, что характерно для элементов-металлов.
В одной и той же группе с увеличением номера периода атомные радиусы возрастают , т. к. увеличение заряда атома оказывает противоположный эффект. С точки зрения теории строения атомов принадлежность элементов к металлам или неметаллам определяется способностью их атомов отдавать или присоединять электроны. Атомы металлов сравнительно легко отдают электроны и не могут их присоединять для достраивания своего внешнего электронного слоя.
Д. И. Менделеев в 1869 г. сформулировал периодический закон, который звучит так: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс элементов. Систематизируя химические элементы на основе их относительных атомных масс, Менделеев уделял большое внимание также свойствам элементов и образованных ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы - группы. В соответствии с современными представлениями о строении атома, основой классификации химических элементов являются заряды их атомных ядер, и современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер. Периодичность в изменении свойств элементов объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней их атомов. Именно число энергетических уровней, общее число расположенных на них электронов и число электронов на внешнем уровне отражают принятую в периодической системе символику.
a) Закономерности, связанные с металлическими и неметаллическими свойствами элементов.
- При перемещении СПРАВА НАЛЕВО вдоль ПЕРИОДА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства р-элементов УСИЛИВАЮТСЯ . В обратном направлении — возрастают неметаллические. Это объясняется тем, что правее находятся элементы, электронные оболочки которых ближе к октету. Элементы в правой части периода менее склонны отдавать свои электроны для образования металлической связи и вообще в химических реакциях.
- Например, углерод — более выраженный неметалл, чем его сосед по периоду бор, а азот обладает еще более яркими неметаллическими свойствами, чем углерод. Слева направо в периоде также увеличивается и заряд ядра. Следовательно, увеличивается притяжение к ядру валентных электронов и затрудняется их отдача. Наоборот, s-элементы в левой части таблицы имеют мало электронов на внешней оболочке и меньший заряд ядра, что способствует образованию именно металлической связи. За понятным исключением водорода и гелия (их оболочки близки к завершению или завершены!), все s-элементы являются металлами; p-элементы могут быть как металлами, так и неметаллами, в зависимости от того — в левой или правой части таблицы они находятся.
- У d- и f-элементов, как мы знаем, есть «резервные» электроны из «предпоследних» оболочек, которые усложняют простую картину, характерную для s- и p-элементов. В целом d- и f-элементы гораздо охотнее проявляют металлические свойства.
- Подавляющее число элементов является металлами и только 22 элемента относят к неметаллам : H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te, а также все галогены и инертные газы. Некоторые элементы в связи с тем, что они могут проявлять лишь слабые металлические свойства, относят к полуметаллам. Что такое полуметаллы? Если выбрать из Периодической таблицы p-элементы и записать их в отдельный «блок» (это сделано в “длинной” форме таблицы), то обнаружится закономерность, показанная на Левая нижняя часть блока содержит типичные металлы , правая верхняя — типичные неметаллы . Элементы, занимающие места на границе между металлами и неметаллами, называются полуметаллами .
- Полуметаллы расположены примерно вдоль диагонали, проходящей по p-элементам от левого верхнего к правому нижнему углу Периодической таблицы
- Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной «октетной» ковалентной связи (как в боре), либо они не удерживаются достаточно прочно (как в тeллуре или полонии) из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер. Некоторые полуметаллы (кремний, германий) являются полупроводниками. Полупроводниковые свойства этих элементов объясняются многими сложными причинами, но одна из них — существенно меньшая (хотя и не нулевая) электропроводность, объясняемая слабой металлической связью. Роль полупроводников в электронной технике чрезвычайно важна.
- При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ вдоль групп УСИЛИВАЮТСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства элементов. Это связано с тем, что ниже в группах расположены элементы, имеющие уже довольно много заполненных электронных оболочек. Их внешние оболочки находятся дальше от ядра. Они отделены от ядра более толстой «шубой» из нижних электронных оболочек и электроны внешних уровней удерживаются слабее.
б) Закономерности, связанные с окислительно-восстановительными свойствами. Изменения электроотрицательности элементов.
- Перечисленные выше причины объясняют, почему СЛЕВА НАПРАВО УСИЛИВАЮТСЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ свойства, а при движении СВЕРХУ ВНИЗ — ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ свойства элементов.
- Последняя закономерность распространяется даже на такие необычные элементы, как инертные газы. У «тяжелых» благородных газов криптона и ксенона, которые находятся в нижней части группы, удается «отобрать» электроны и получить их соединения с сильными окислителями (фтором и кислородом), а для «легких» гелия, неона и аргона это осуществить не удается.
- В правом верхнем углу таблицы находится самый активный неметалл-окислитель фтор (F), а в левом нижнем углу — самый активный металл-восстановитель цезий (Cs). Элемент франций (Fr) должен быть еще более активным восстановителем, но его химические свойства изучать крайне трудно из-за быстрого радиоактивного распада.
- По той же причине, что и окислительные свойства элементов, их ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ ВОЗРАСТАЕТ тоже СЛЕВА НАПРАВО , достигая максимума у галогенов. Не последнюю роль в этом играет степень завершенности валентной оболочки, ее близость к октету.
- При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ по группам ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ УМЕНЬШАЕТСЯ . Это связано с возрастанием числа электронных оболочек, на последней из которых электроны притягиваются к ядру все слабее и слабее.
- в) Закономерности, связанные с размерами атомов.
- Размеры атомов (АТОМНЫЕ РАДИУСЫ) при перемещении СЛЕВА НАПРАВО вдоль периода УМЕНЬШАЮТСЯ . Электроны все сильнее притягиваются к ядру по мере возрастания заряда ядра. Даже увеличение числа электронов на внешней оболочке (например, у фтора по сравнению с кислородом) не приводит к увеличению размеров атома. Наоборот, размеры атома фтора меньше, чем атома кислорода.
- При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ АТОМНЫЕ РАДИУСЫ элементов РАСТУТ , потому что заполнено больше электронных оболочек.
г) Закономерности, связанные с валентностью элементов.
- Элементы одной и той же ПОДГРУППЫ имеют аналогичную конфигурацию внешних электронных оболочек и, следовательно, одинаковую валентность в соединениях с другими элементами.
- s-Элементы имеют валентности, совпадающие с номером их группы.
- p-Элементы имеют наибольшую возможную для них валентность, равную номеру группы. Кроме того, они могут иметь валентность, равную разности между числом 8 (октет) и номером их группы (число электронов на внешней оболочке).
- d-Элементы обнаруживают много разных валентностей, которые нельзя точно предсказать по номеру группы.
- Не только элементы, но и многие их соединения — оксиды, гидриды, соединения с галогенами — обнаруживают периодичность. Для каждой ГРУППЫ элементов можно записать формулы соединений, которые периодически «повторяются» (то есть могут быть записаны в виде обобщенной формулы).
Итак, подытожим закономерности изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:
Изменение некоторых характеристик элементов в периодах слева направо:
- радиус атомов уменьшается;
- электроотрицательность элементов увеличивается;
- количество валентных электронов увеличивается от 1 до 8 (равно номеру группы);
- высшая степень окисления увеличивается (равна номеру группы);
- число электронных слоев атомов не изменяется;
- металлические свойства уменьшается;
- неметаллические свойства элементов увеличивается.
Изменение некоторых характеристик элементов в группе сверху вниз:
- заряд ядер атомов увеличивается;
- радиус атомов увеличивается;
- число энергетических уровней (электронных слоев) атомов увеличивается (равно номеру периода);
- число электронов на внешнем слое атомов одинаково (равно номеру группы);
- прочность связи электронов внешнего слоя с ядром уменьшается;
- электроотрицательность уменьшается;
- металличность элементов увеличивается;
- неметалличность элементов уменьшается.
Z — порядковый номер, равен числу протонов; R — радиус атома; ЭО — электроотрицательность; Вал е- -количество валентных электронов; Ок. св. — окислительные свойства; Вос. св. — востановительные свойства; Эн. ур. — энергитические уровни; Ме — металические свойства; НеМе — неметаллические свойства; ВСО — высшая степень окисления
Справочный материал для прохождения тестирования:
Таблица Менделеева
Таблица растворимости
3. Периодический закон и периодическая система химических элементов
3.4. Периодическое изменение свойств веществ
Периодически изменяются следующие свойства простых и сложных веществ:
- строение простых веществ (вначале немолекулярное, например от Li к C, а затем молекулярное: N 2 - Ne);
- температуры плавления и кипения простых веществ: при движении слева направо по периоду t пл и t кип вначале, в целом, возрастают (алмаз - самое тугоплавкое вещество), а затем уменьшаются, что связано с изменением строения простых веществ (см. выше);
- металлические и неметаллические свойства простых веществ. По периоду с ростом Z способность атомов отдавать электрон уменьшается (Е и растет), соответственно металлические свойства простых веществ ослабевают (неметаллические - усиливаются, поскольку увеличивается Е ср атомов). Сверху вниз по группам А, напротив, металлические свойства простых веществ усиливаются, а неметаллические - ослабевают;
- состав и кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов (табл. 3.1–3.2).
Таблица 3.1
Состав высших оксидов и простейших водородных соединений элементов А-групп
Как видно из табл. 3.1, состав высших оксидов изменяется плавно в соответствии с постепенным возрастанием ковалентности (степени окисления) атома.
С ростом заряда ядра атома в периоде основные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают, а кислотные - усиливаются. Переход от основных оксидов и гидроксидов к кислотным в каждом периоде происходит постепенно, через амфотерные оксиды и гидроксиды. В качестве примера в табл. 3.2 показано изменение свойств оксидов и гидроксидов элементов 3-го периода.
Таблица 3.2
Оксиды и гидроксиды, образованные элементами 3-го периода, и их классификация
В группах А с ростом заряда ядра атома происходит усиление основных свойств оксидов и гидроксидов. Например, для IIA-группы имеем:
1. BeO, Be(OH) 2 - амфотерные (слабые основные и кислотные свойства).
2. MgO, Mg(OH) 2 - слабые, основные свойства.
3. CaO, Ca(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
4. SrO, Sr(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
5. BaO, Ba(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
6. RaO, Ra(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
Такие же тенденции прослеживаются и для элементов других групп (состав и кислотно-основные свойства бинарных водородных соединений см. в табл. 3.1). В целом с ростом атомного номера по периоду основные свойства водородных соединений ослабевают, а кислотные свойства их растворов усиливаются: гидрид натрия растворяется в воде с образованием щелочи:
NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,
а водные растворы H 2 S и HCl - кислоты, причем более сильной является хлороводородная кислота.
1. В группах А с ростом заряда ядра атома сила бескислородных кислот также возрастает.
2. В водородных соединениях число атомов водорода в молекуле (или формульной единице) сначала возрастает от 1 до 4 (группы IA–IVA), а затем уменьшается от 4 до 1 (группы IVA–VIIA).
3. Летучими (газообразными) при н.у. являются только водородные соединения элементов IVA–VIIA групп (кроме H 2 O и HF)
Описанные тенденции в изменении свойств атомов химических элементов и их соединений суммированы в табл. 3.3
Таблица 3.3
Изменение свойств атомов элементов и их соединений с ростом заряда ядра атома
| Свойства | Тенденция изменения | |
|---|---|---|
| в периодах | в группах А | |
| Радиус атома | Уменьшается | Растет |
| Энергия ионизации | Возрастает | Уменьшается |
| Сродство к электрону | Возрастает | Уменьшается |
| Восстановительные (металлические) свойства атомов | Ослабевают | Усиливаются |
| Окислительные (неметаллические) свойства атомов | Усиливаются | Ослабевают |
| Электроотрицательность | Возрастает | Уменьшается |
| Максимальная степень окисления | Возрастает | Постоянная |
| Кислотные свойства оксидов | Усиливаются | Ослабевают |
| Кислотные свойства гидроксидов | Усиливаются | Ослабевают |
| Кислотные свойства водородных соединений | Усиливаются | Усиливаются |
| Металлические свойства простых веществ | Ослабевают | Усиливаются |
| Неметаллические свойства простых веществ | Усиливаются | Ослабевают |
Пример 3.3. Укажите формулу оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами:
Решение. Кислотные свойства оксидов усиливаются слева направо по периоду, а сверху вниз по группе А ослабевают. С учетом этого приходим к выводу, что кислотные свойства наиболее выражены у оксида Cl 2 O 7 .
Ответ : 4).
Пример 3.4. Анион элемента Э 2− имеет электронную конфигурацию атома аргона. Укажите формулу высшего оксида атома элемента:
Решение. Электронная конфигурация атома аргона 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 , следовательно электронная конфигурация атома Э (атом Э содержит на 2 электрона меньше, чем ион Э 2−) – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 , что отвечает атому серы. Элемент сера находится в VIA-группе, формула высшего оксида элементов этой группы ЭО 3 .
Ответ : 1).
Пример 3.5. Укажите символ элемента, атом которого имеет три электронных слоя и образует летучее (н.у.) соединение состава ЭН 2 (H 2 Э):
Решение. Водородные соединения состава ЭН 2 (H 2 Э) образуют атомы элементов IIA- и VIA-групп, однако летучими при н.у. являются соединения элементов VIA-группы, к числу которых относится сера.
Ответ : 3).
Охарактеризованные тенденции в изменении кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов можно понять на основании анализа следующих упрощенных схем строения оксидов и гидроксидов (рис. 3.1).
Из упрощенной схемы реакции
следует, что эффективность взаимодействия оксида с водой с образованием основания возрастает (согласно закону Кулона) с увеличением заряда на ионе Э n + . Величина же этого заряда увеличивается по мере усиления металлических свойств элементов, т.е. справа налево по периоду и сверху вниз по группе. Именно в таком порядке увеличиваются и основные свойства элементов.
Рис. 3.1. Схема строения оксидов (а ) и гидроксидов (б )
Рассмотрим причины, лежащие в основе описанных изменений кислотно-основных свойств гидроксидов.
При возрастании степени окисления элемента +n и уменьшении радиуса иона Э n + (это как раз и наблюдается с ростом заряда ядра атома элемента слева направо по периоду) связь Э–О упрочняется, а связь О–Н ослабевает; более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по кислотному типу.
Сверху вниз по группе радиус Э n + возрастает, а значение n + не изменяется, в результате прочность связи Э–О уменьшается, облегчается ее разрыв и более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по основному типу.
