Положение элемента в Периодической системе и строение элек
advertisement
Положение элемента в Периодической системе и строение электронной оболочки атома Уязвимым местом Периодического закона сразу после его открытия была невозможность объяснения причины циклического повторения свойств элементов увеличением относительной массы их атомов. Более того, несколько пар элементов расположены в Периодической системе с нарушением порядка роста значения относительной атомной массы. Например, аргон с относительной атомной массой 39,948 занимает 18-е место, а калий, относительная атомная масса которого 39,102, имеет порядковый номер 19. Только с открытием строения атомного ядра и установлением физического смысла порядкового (атомного) номера элемента стало понятно, что элементы в Периодической системе расположены в порядке увеличения положительного заряда их атомных ядер. С этой точки зрения никакого нарушения в последовательности элементов: 18Аr—19К, 27СO – 28Ni, 52Те—53I, 90Тh—91Ра — не существует. Следовательно, в современной трактовке Периодический закон устанавливает: Свойства химических элементов и образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер. Строение электронной оболочки атома От элемента к элементу наблюдается монотонное возрастание заряда ядер атомов на единицу. Почему же свойства элементов изменяются скачкообразно: в периоде наблюдается постепенное ослабление металлических и усиление неметаллических свойств, завершается любой период благородным газом, а затем следует резкий переход к типичному щелочному металлу. Для ответа на этот вопрос вспомним, что свойства элемента и его соединений определяются, прежде всего, строением внешнего и предвнешнего энергетических уровней. Электроны расположенных глубже слоев не участвуют в образовании химических связей, их «оберегают» от этого внешние электроны, называемые валентными. У элементов побочных подгрупп к валентным помимо внешнего энергетического уровня относятся также электроны заполняющихся d-орбиталей. Энергетически менее выгодные для электрона 3d-орбитали начинают заполняться только после 45-подуровня, что наглядно демонстрирует электронная конфигурация, например, атома титана: 22Тi 1s22s22p63s23p64s23d 2 Таким образом, истинная причина сходства свойств химических элементов заключается в периодическом повторении электронной конфигурации валентных электронов; проще говоря, строения внешнего и предвнешнего энергетических уровней. Например, все элементы главной подгруппы VII группы имеют по семь валентных электронов; их электронная конфигурация пs2пр5, где n — номер периода, в котором расположен элемент, и, следовательно, номер внешнего энергетического уровня. Число валентных электронов совпадает с номером группы, в которой расположены элементы, а также с высшей степенью окисления атомов (в данном случае +7 за исключением самого электроотрицательного элемента фтора, который не проявляет положительных степеней окисления). Выполняется ли эта закономерность для элементов главной подгруппы второй группы? Оказывается, выполняется. Два валентных электрона атомов бериллия, магния, кальция, стронция, бария, радия имеют конфигурацию пs2, именно поэтому их свойства похожи. Наличие двух валентных электронов определяет их положение в Периодической системе: вторая группа. Как же быть с элементами побочных подгрупп? Есть ли сходство в строении атомов, скажем, кремния и титана? Для элементов главной подгруппы IV группы электронная конфигурация валентных электронов пs2nр2. Электронная формула элементов побочной подгруппы — титана (Аr)3d24s2, циркония (Кr)4d25s2. Сходство элементов побочной подгруппы IV группы с элементами главной подгруппы в том, что число валентных электронов равно четырем и, кстати, совпадает с номером группы. Но размещение этих четырех электронов на орбиталях различно, что, естественно, отражается на специфике свойств. Таким образом, положение элемента в Периодической системе напрямую связано с его электронной конфигурацией. Напротив, можно легко определить положение элемента в таблице Менделеева по полной электронной формуле: достаточно подсчитать число электронов в атоме (верхние индексы формулы) и получить порядковый номер элемента. Например, элемент с электронной конфигурацией 2 2 6 2 6 2 10 2 1s 2s 2р 3s 3р 4s 3d 4р — это германий (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2+10 + 2 = 32). В результате мы пришли к нескольким важным выводам. 1. Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда их атомных ядер. 2. Причина сходства в свойствах элементов одной группы заключается в периодическом повторении конфигурации валентных электронов. 3. Номер внешнего энергетического уровня атома совпадает с номером периода, в котором расположен элемент. 4. Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы элемента в Периодической системе и его высшей степенью окисления в соединениях. Положение элемента в Периодической системе и его свойства Наиболее энергетически выгодной для атома является полностью заполненная электронная оболочка — такая, какой обладают атомы благородных газов. Поэтому атомы любого другого элемента стремятся достроить- свою электронную конфигурацию до оболочки инертного газа. Для этого атому элемента необходимо либо отдать электроны своего внешнего энергетического уровня (при этом обнажится заполненный предыдущий слой), либо принять недостающие электроны до полного заполнения орбиталей внешнего уровня. Первый процесс называется окислением и требует затраты энергии, а второй — восстановлением и протекает с выделением энергии. В периодах с увеличением атомного номера элемента число электронов на внешнем энергетическом уровне возрастает. Атому все труднее достроить свою электронную оболочку до оболочки благородного газа путем отдачи валентных электронов, все более предпочтительным становится полное заполнение орбиталей путем присоединения электронов. Следовательно, в периоде с ростом заряда ядра восстановительные свойства атомов ослабевают, а окислительные — усиливаются. Чем правее расположен элемент в периоде, тем больше электронов он может отдать с внешнего энергетического уровня, тем выше его максимальная степень окисления. Вместе с тем для полного завершения наружного электронного слоя требуется принять все меньше электронов, следовательно, минимальная степень окисления элементов-неметаллов также увеличивается (например, от -4 для углерода до -1 для фтора). В периоде с ростом атомного номера элемента его радиус уменьшается. Увеличение числа электронов не добавляет на внешний уровень новых орбиталей, но зато при этом увеличивает его суммарный заряд и заряд ядра. Электроны сильнее притягиваются к ядру, и атом как бы «сжимается», т.е. его радиус уменьшается. Так, радиус атома лития, например, равен 0,155 нм, углерода — 0,077 нм, кислорода — 0,060 нм. При переходе от неона к следующему элементу — натрию радиус атома скачкообразно увеличивается (0,189 нм), поскольку у натрия добавляется третий электронный слой. Следовательно, в главных подгруппах с увеличением атомного номера элемента радиус его атома возрастает. Это в свою очередь приводит к тому, что валентные электроны располагаются дальше от ядра, слабее с ним связаны и, следовательно, легче отрываются, т.е. восстановительные свойства атомов усиливаются. Все перечисленные закономерности представлены в табл. 2.1. Восстановительные (окислительные) свойства атомов и металлические (неметаллические) свойства простых веществ, им соответствующих, тесно взаимосвязаны. Чем сильнее восстановительные свойства, тем активнее металл. Сложные вещества — еще одна форма существования химических элементов. Свойства оксидов, кислот, оснований также во многом определяются природой образующего их элемента, его положением в Периодической системе. Например, характер высших оксидов элементов в пределах одного периода изменяется от основного через амфотерный к кислотному. Это связано с возрастанием степени окисления атома, ослаблением «металличности» соответствующего элемента. Аналогично для элементов одного периода гидроксиды-основания через амфотерный гидроксид сменяются все более сильными кислотами: Na2O → МgO → Аl2O3 → SiO2 → Р2O5 → SO3 → Сl2O7 Основные оксиды Амфотерный оксид Кислотные оксиды NaОН → Мg(ОН)2 → Аl(ОН)3 → Н2SiO3 → Щелочь Основание Амфотерный гидроксид Слабая кислота → Н3РO4 → Н2SO4 → НСlO4 Кислота средней силы Сильная кислота Очень сильная кислота Таблица 2.1 Изменение свойств химических элементов и их соединений в периодах и главных подгруппах Периодической системы элементов Д. И. Менделеева Свойство элемента, со- Изменение свойства в Изменение свойства в единения периоде главной подгруппе Заряд ядра атома Возрастает слева на- Возрастает сверху вниз право Число электронных В периоде не изменя- Возрастает сверху вниз уровней в атоме ется (равно номеру периода) Число электронов на Возрастает внешнем электронном право уровне атома Радиус атома слева на- В подгруппе не изменяется (равно номеру группы) Убывает слева направо Восстановительная споВозрастает собность элемента направо Возрастает сверху вниз слева Возрастает сверху вниз Окислительная спо- Увеличивается слева Убывает сверху вниз собность элемента направо от+1 до +8 Высшая положительная Увеличивается слева В подгруппе не изместепень окисления эле- направо от -4 до – 1 няется (равна номеру мента группы п) Низшая степень окис- Ослабевают слева на- В подгруппе не измеления элемента право няется (равна 8 - п) Металлические свойства Усиливаются слева на- Усиливаются простых веществ право вниз сверху Неметаллические свой- Усиливаются слева на- Ослабевают сверху вниз ства простых веществ право Кислотные свойства Усиливаются слева на- Ослабевают сверху вниз высшего оксида (гидро- право ксида) Основные свойства Ослабевают слева на- Усиливаются высшего оксида (гидро- право вниз ксида) сверху Вопросы 1. Чем отличается формулировка Периодического закона, предложенная Д.И.Менделеевым, от современной? 2. Почему заряд атомных ядер элементов в таблице Менделеева возрастает монотонно, а их свойства изменяются периодически? Дайте еще одну, причинно-следственную формулировку Периодического закона. 3. Что объединяет элементы главной и побочной подгрупп? Приведите примеры. 4. Расположите следующие элементы: фосфор, магний, хлор — в порядке возрастания неметаллических свойств. Расположите эти элементы в порядке возрастания металлических свойств. Объясните ваше решение с учетом особенностей строения атомов этих элементов. 5. Расположите следующие элементы: сурьма, фосфор, висмут — в порядке возрастания неметаллических свойств. Расположите эти элементы в порядке возрастания металлических свойств. Объясните ваше решение с учетом особенностей строения атомов этих элементов. 6. Расположите следующие элементы: магний, барий, стронций, бериллий — в порядке увеличения радиусов атомов. Как изменяются металлические свойства элементов в этом ряду? Объясните причину. 7. Расположите следующие элементы: хлор, алюминий, кремний, натрий — в порядке увеличения радиусов атомов. Как изменяются неметаллические свойства элементов в этом ряду? Объясните причину. 8. Напишите электронные формулы атомов следующих элементов: кислорода, магния, фосфора, аргона, ванадия. 9. Укажите названия элементов, электронные конфигурации которых имеют следующее окончание: а) ...2s22р5; б) ...4s1; в) ..4s24р3; г) ...4d15s2. 10. Как изменяется характер высших оксидов элементов в следующем ряду: Li2 O– ВеО–В2O3 ?
