Периодическое изменение свойств элементов

Для решения контрольного задания необходимо знать зависимость электронного строения атомов элементов от положения их в Периодической системе элементов, иметь представление об атомных радиусах, об «эффективном» заряде ядра и «лантаноидном» сжатии, об энергии ионизации и сродства к электрону, также об электроотрицательности элементов.

Кроме того, следует уяснить, каким образом перечисленные свойства связаны с окислительной и восстановительной способностью атомов элементов, с валентностью, степенью окисления, с проявлением кислотных и основ свойств соединений этих элементов [1 – 5].

Все свойства элементов, определяемые электронной конфигурацией атома, закономерно изменяются по периодам и группам Периодической системы. Пе­риодическое изменение свойств элементов находится в полном соответствии с периодически возобновляющимися (на все более высоких энергетических уров­нях) сходными электронными структурами атомов. При этом, поскольку в ряду элементов-аналогов электронные структуры подобны, но не тождественны, при переходе от одного элемента к другому в группах и подгруппах наблюдается не простое повторение свойств, а их более или менее отчётливо выраженное закономерное изменение.

Наиболее ярко это наблюдается в такихсвойствах атомов элементовкакэнергия ионизации атомов, сродство к электрону, атомные радиусы, электроотрицательность, валентность и др.

Химическая природа элемента обусловливается способностью его атомов терять или приобретать электроны, которая, в свою очередь, зависит от силы свя­зи этих электронов с ядром атома.

Атомные радиусы. Вследствие волнового характера поведения электронов атом не имеет строго определённых границ, и установить его абсолютные разме­ры невозможно. Поэтому за радиус свободного атома принимают расстояние от ядра до теоретически рассчитанного положения главного максимума плотности внешнего электронного облака. Его называют орбитальным атомным радиусом.

Изменение атомных радиусов в Периодической системе носит периодиче­ский характер.

В периодах по мере увеличения заряда ядра наблюдается постепенное сжа­тие атомов, уменьшение их атомных радиусов. Последнее в наибольшей степени происходит у элементов малых периодов, так как у них заполняется электронами внешний энергетический уровень (ns, np): главное квантовое число валентных электронов не меняется (заполняется один уровень), а эффективный заряд ядра монотонно увеличивается.

В больших периодах происходит сравнительномалое понижениеатомного радиуса с ростом заряда ядра элемента. Это объясняется появлением серии из де­сяти d-элементов между s- и р-элементами периода.

Атомный радиус d- (и f-) элементов определяется размером внешнего ns²-электронного облака. При валентном заполнении внутренних (n-l)d- (и (n-2)f-) подуровней эффективный заряд ядра увеличивается, приводя к стягиванию ns²-электронного облака, т.е. к уменьшению атомного радиуса. Это явление называется d-сжатием и f-сжатием.

В подгруппах элементовпо мере увеличения зарядов ядер их атомные радиусы увеличиваются. Однако при одинаковом повышении заряда ядра в главных подгруппах (s- и р-элементов) размеры атомов возрастают в большей степени, чем в побочных подгруппах (d-элементов).

существенная особенность побочных подгрупп: увеличение атомных радиусов d-элементов в основном наблюдается при переходе от элемента 4-го к элементу 5-го периода, радиусы атомов 5-го и 6-гопериодов одной группы примерно одинаковы. Это объясняется тем, что увеличение атомного радиуса за счёт возрастания числа заполненных уровней при переходе от 5-го к 6-му периоду компенсируется f-сжатием (лантаноидным сжатием), вызванным достройкой 4-го подуровня у f-элементов (лантаноидов) 6-го периода.

Энергия ионизации атома. Энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от нейтрального атома с превращением его в положительно заряженный ион

Э – е ® Э⁺, называется энергией ионизации элемента I.

Многоэлектронные атомы имеют несколько энергий ионизации I₁, I₂, I₃ и т.д., которые соответствуют отрыву первого, второго, третьего и т.д. электронов.

Энергии ионизации являются функцией электронных структур атомов элементов и обнаруживают периодическую зависимость от порядкового номера (за­ряда ядер атомов) элементов.

Внутри одного периода энергия ионизации возрастает с увеличением Z. В каждом периоде наименьшими величинами энергии ионизации обладают s-элементы I группы, наибольшая характерна для р-элементов VIII группы.

Однако возрастание энергии ионизации не монотонно. Отклонения наблю­даются при переходе от соответствующего s-элемента II группы к р-элементу III группы вследствие изменения вида последнего валентного электрона (от ns к nр). Второе нарушение монотонности объясняется повышенной устойчивостью систем с максимальным числом неспаренных электронов на валентном подуровне. По этой причине во втором периоде энергия ионизации азота ₇N...2s²2p³ выше, чем у следующего за ним кислорода ₈O…2s²2p⁴.

Внутри одной группы при увеличении Z энергия ионизации уменьшается в связи с увеличением атомных радиусов. Значит сверху вниз энергия ионизации в главных подгруппах (s-, р-элементы) снижается, а в побочных – возрастает.

Энергия ионизации является мерой восстановительной способности (активности) атома: чем ниже значение энергии ионизации атома, тем выше восстановительная активность элемента.

Сродство к электрону (Е_с) –это энергия, которая выделяется (или поглощается) при присоединении электрона к нейтральному атому: Э + е ® Э^- ± Е_с.

Наибольшим сродством к электрону характеризуются р-элементы VII группы. Наименьшее сродство к электрону имеют атомы с конфигурацией внешних электронов ns² (₃Не…1s², ₄Be...2s²) и ns²np⁶ (₁₀Nе...2s²2р⁶ и др.). Сравнительно невелико сродство к электрону у атомов с заполненным наполовину подуровнем ns²np³ (подгруппа азота).

Предполагается, что в целом последовательность изменения сродства электрону атомов элементов такая же, как и для энергии ионизации. Элементы с большими энергиями ионизации имеют и большее сродство к электрону. Однако имеется несколько исключений: фтор имеет более низкое сродство к электрону, чем хлор, ещё большее различие в парах N-P и О-S. Это объясняется меньшими размерами атомов первых элементов и большим электрон-электронным отталки­ванием в них.

Энергия сродства к электрону характеризует окислительную способность атомов, элементов или окислительную активность элементов.

В периодах слева направо сродство к электрону и окислительная активность элементов возрастает. В группах сверху вниз сродство к электрону, как правило, уменьшается.

Электроотрицательность элемента (c_э) зависит от энергии ионизации (I) и сродства к электрону (Е_с) и выражается как полусумма этих величин:

Х_э= (I + Е_с)/2.

Значение электроотрицательности выражается, как относительная величина, чаще всего по системе Л. Полинга, в которой электроотрицательность фтора при­нята равной четырём (c_f = 4,0).

Электроотрицательность возрастает в каждом периоде сростом заряда ядра атома элемента (слева направо) и уменьшается в направлении сверху вниз для элементов одной и той же подгруппы Периодической системы.

Пример 1. Укажите, атом какого элемента в соответствии с его положением в Периодической системе имеет больший атомный радиус и большее сродство к электрону: С или F, F или I. Найдите более сильный окислитель каждой пары элементов.

Решение. По порядковому номеру элементов в Периодической системе устанавливаем заряды их атомных ядер: Z_c = 6, Z _f = 9, Z_I = 53.

Элементы ₆C и ₉F находятся во 2-м периоде. Их внешние (валентные) электроны расположены на ns- и nр-подуровнях внешнего уровня (2s²р^х, где х = 2 и 5 соответственно), значит, углерод и фтор – р-элементы.

В ряду р-элементов каждого периода с ростом действительного заряда ядра атома атомный радиус элемента уменьшается: r_с > r_F.

Энергия сродства к электрону в ряду р-элементов периода увеличивается с ростом заряда атомных ядер от первого (ns²nр¹) к пятому (ns²np⁵) р-элементу. Следовательно, большее сродство к электрону характерно для фтора ₉F.

Так как окислительная способность атомов элементов возрастает одновре­менно с увеличением энергии сродства к электрону их атомов, то более сильным окислителем в паре ₆C – ₉F? является фтор ₉F.

Элементы ₉Fи ₅₃I находятся в главной подгруппе VII группы Периодической системы. Атомный радиус в главных подгруппах с увеличением порядкового номера элемента (заряда атомного ядра) возрастает за счёт увеличения числа занятых электронами энергетических уровней в атоме (номера периода): r_I > r_F, т.к. Z_I (= 53) > Z_F (= 9).

Сродство к электрону в главных подгруппах с увеличением заряда атомных ядер уменьшается. Поэтому более сильным окислителем в паре ₉F– ₅₃I являет­ся фтор, т.е. элемент с меньшим зарядом атомных ядер.

Пример 2. Из предложенных элементов Se, Ga, As, Br, Ge выберите два, наиболее сильно различающиеся по свойствам их атомов, в том числе по окисли­тельной и восстановительной способности.

Решение. Установив порядковые номера предложенных элементов в Пе­риодической системе: Se – 34, Ga – 31, As – 33, Вг – 35, Ge – 32, расположим их в порядке возрастания заряда атомных ядер: _3lGa, ₃₂Gе. ₃₃Аs, ₃₄Se, ₃₅Вг.

По Периодической системе находим также, что все они – р-элементы 4-го периода, у которых заполняющимся (валентным) является внешний уровень (ns²p^x, где х =1,2,3, 4, 5).

В соответствии с установленными закономерностями по периоду слева на­право, т.е. в направлении увеличения заряда атомных ядер, атомный радиус (г) элементов убывает, а энергия ионизации (I), сродство к электрону (Е_c) и, следова­тельно, электроотрицательность (c) возрастают. Поэтому в ряду р-элементов од­ного периода наиболее сильно различаются по свойствам атомов элементы с мак­симальной разностью заряда их атомных ядер _3lGa и ₃₅Вг: r_Ga >r_Ba, E_c(Ga) < E_c(Ba), c_Ga < c_Вa. Соответственно наиболее сильный окислитель ₃₅Вг,восстановитель – _3lGa.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

81. Укажите характер изменения атомного радиуса в ряду элементов: Cl, S, P, Si, Al, Mg, Na. Какое химическое свойство – окислительная или восстановитель­ная способность изменяется таким же образом?

82. Как изменяется энергия ионизации атомов и восстановительная способность в ряду элементов: Tl, In, Ga, Al, В?

83. Укажите в каждом ряду элементов (Os – Ru – Fe и Cs – Rb – К) и как изме­няются их электроотрицательность и восстановительная способность.

84. Определите, как изменяется атомный радиус в ряду элементов: Be, Mg, Ca, Sr, Ba. Укажите элемент с наибольшей величиной электроотрицательности.

85. Как изменяются энергия ионизации и сродство к электрону в ряду элементов: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl. Какое химическое свойство – окислительная или восстановительная способность усиливается в этом ряду слева направо?

86. В каждой паре (Li – Cs, Li – F, F – I) укажите элемент, имеющий меньшую величину электроотрицательности и большую восстановительную способность.

87. Среди указанных элементов Мо, Zr, Nb, Y, Тс, Ru, Ag выберите два, наи­более различающиеся по энергии ионизации и восстановительной способно­сти.

88. Укажите в каждом из рядов элементов Ca – Sr – Ba и Zn – Cd – Hg, как изме­няется восстановительная способность с увеличением заряда атомных ядер этих элементов. Объясните причину такой зависимости.

89. Опишите закономерности изменения электроотрицательности, атомного ра­диуса и восстановительной активности в ряду La, Hf, Та, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg.

90. Укажите, как изменяется энергия ионизации в парах элементов: Zr – Hf, Nb – Та, Мо – W, Тс – Re. Назовите более активный восстановитель в каждой паре.

91. Как изменяется величина электроотрицательности и окислительная актив­ность в ряду элементов: F, О, N, С, В, Be, Li? Назовите причину такого из­менения.

92. По положению элементов в Периодической системе из предложенных элемен­тов (As, Bi, N, Sb, P) выберите два, наиболее различающиеся по свойствам, назовите эти свойства и укажите, какой из элементов имеет наибольшую вели­чину показателя свойства.

93. Укажите, в каком направлении увеличиваются сродство к электрону, радиус атома и окислительная активность в ряду элементов: Pb – Sn – Ge – Si – C.

94. Используя периодическую зависимость свойств элементов от порядкового номера его в Периодической системе, найдите среди указанных элементов са­мый активный восстановитель, самый активный окислитель и атом элемента с наибольшим радиусом: I, Sb, In, Rb, Sn, Sr, Тс.

95. Укажите, атом какого элемента имеет большую электроотрицательность (c) и восстановительную активность: К или Ca, Ca или Sr, Ge или Br, As или Ga. Обоснуйте ответ исходя из положения элементов в Периодической системе.

96. Укажите, как изменяются энергия сродства к электрону, электроотрицательность и восстановительная способность в группе элементов: N, P, As, Sb, Bi.

97. Расположите данные элементы (Se, Те, О, Ро, S) в порядке убывания окис­лительной способности их атомов, обоснованно укажите элемент с наиболь­шим атомным радиусом.

98. Определите, как изменяется величина атомного радиуса и электроотрицательности в ряду элементов: ₅₈Ce, ₆₀Nd, ₆₂Sm, ₆₆Dy, ₆₈Er, ₇₀Yb. Укажите наи­более активный восстановитель.

99. Расположите данные элементы (Zr, Hf, Ti) в порядке убывания их вос­становительной активности. Укажите элемент с наибольшей энергией ионизации.

100. Среди предложенных элементов (Ga, Al, Tl, In, В) укажите два, макси­мально различающиеся по атомному радиусу, электроотрицательности и вос­становительной способности.