3.6. Зависимость химических свойств элементов от электронного строения их атомов

3.6. Зависимость химических свойств элементов от электронного строения их атомов

Химические свойства элементов зависят от строения их атомов и положения в периодической системе. При химических реакциях происходит перестройка электронных оболочек атомов – изменение электронной конфигурации внешнего энергетического уровня. Причиной этого является стремление атомов к приобретению наиболее устойчивого состояния, при котором энергетический уровень максимально заполнен электронами.

Энергетические уровни и подуровни, полностью заполненные электронами, называются завершенными. Атомы инертных элементов (He, Ne, Ar, Kr, Xe) имеют завершенные энергетические уровни. Они не вступают в химические реакции (за исключением Xe). У атомов всех других химических элементов внешние энергетические уровни незавершенные. Химические свойства элемента обусловлены способностью его атома отдавать или присоединять электроны. Эти свойства характеризуются энергией ионизации, сродством к электрону и электроотрицательностью.

Энергия ионизации (І) – это минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от невозбужденного атома:

E + I ? E+ + ?,

где символами Е и E+ обозначены нейтральный атом и положительно заряженный ион (катион) некоторого элемента; I – энергия ионизации; ? – электрон.

Ионы – это заряженные частицы, которые образуются из атомов (или молекул) в результате отрыва или присоединения электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные – анионами. Энергия ионизации измеряется в [кДж/моль] или [эВ/атом] (электрон-вольт на атом). Величина энергии ионизации характеризует металлические свойства элемента: чем меньше значение І, тем сильнее металлические свойства.

Рисунок 3.13 – Зависимость энергии ионизации I от порядкового номера элемента Z

Щелочные металлы имеют самые низкие значения энергии ионизации (рис. 3.13).

Энергия ионизации зависит от положения элемента в периодической системе, поэтому І изменяется периодически (рис. 3.13).

Сродство к электрону (F) – это энергия, которая выделяется (иногда поглощается) в результате присоединения электрона к нейтральному атому:

E + ? ? E– ± F,

где символами Е и E– обозначены соответственно нейтральный атом и отрицательно заряженный ион (анион) некоторого элемента; F – сродство к электрону; ? – электрон. Измеряется сродство к электрону в тех же единицах, что и энергия ионизации: [кДж/моль], или [эВ/атом].

Величина F для атомов элементов имеет периодическую зависимость (рис. 3.14).

По величине сродства к электрону F сравнивают неметаллические свойства элементов. Наибольшее сродство к электрону имеют атомы элементов, которым до завершения внешнего энергетического уровня не хватает одного или двух электронов (табл. 3.10). К ним относятся р-элементы седьмой группы (F, Cl, Br, I). Наименьшую величину F имеют атомы с завершенными или полузаполненными энергетическими уровнями, имеющими

Рисунок 3.14 – Зависимость сродства к электрону F от порядкового номера элемента Z

конфигурацию s2 (Be, Mg), s2р6 (Ne, Ar) или s2р3 (N, P). Это объясняется так. Присоединение одного электрона к атомам бериллия, азота и неона энергетически невыгодно, потому что при этом образуются очень неустойчивые однозарядные анионы.

Таблица 3.10 – Значение энергии сродства к электрону у элементов ІІ периода

Электроотрицательность – это способность атомов данного элемента притягивать к себе общие электронные пары.

Электроотрицательность обозначается ЭО, или c, и измеряется в [кДж/моль], или [эВ/атом].

Электроотрицательность элемента определяют как полусумму энергии ионизации и сродства к электрону: c = ? (I1 + F). В периоде электро-отрицательность элементов возрастает с увеличением порядкового номера элемента (табл. 3.11). Наименьшее значение ЭО имеют s-элементы первой группы, а наибольшие – р-элементы седьмой группы.

Рисунок 3.15 – Зависимость электроотрицательности c от порядкового номера элемента Z

В пределах главной подгруппы электроотрицательность уменьшается с увеличением порядкового номера элемента. Самым электроотрицательным элементом является фтор F (рис. 3.14).

Таблица 3.11 – Усредненные значения электроотрицательностей элементов

Рассмотрим, как изменяются строение атомов и химические свойства элементов третьего периода (табл. 3.12). Атом каждого элемента имеет три энергетических уровня. Строение двух первых энергетических уровней одинаковое (1s22s22р6), а третьего, внешнего, – разное. В пределах одного периода с увеличением заряда ядра количество энергетических уровней не изменяется, а количество электронов на внешнем уровне увеличивается. Притяжение валентных электронов к ядру усиливается, поэтому атомные радиусы уменьшаются, а энергия ионизации и сродство к электрону увеличиваются. Отклонения от закономерности у Mg, P и Ar объясняются повышенной устойчивостью заполненных 3s- (у Mg), 3р-подуровней (у Ar) и полузаполненного 3р-подуровня у P. В периоде неметаллические свойства усиливаются, металлические свойства ослабевают.

Третий период начинается щелочным металлом Na. За ним следует второй типичный металл – Mg, а Al проявляет амфотерные свойства. От Na до Al металлические свойства ослабевают. Элементы Si, P, S, Cl – неметаллы. Неметаллические свойства усиливаются от Si до Cl. Хлор – типичный неметалл. Период заканчивается инертным элементом – Ar.

Такие изменения свойств элементов наблюдаются во всех периодах. В больших периодах металлические свойства ослабевают медленнее, чем в малых. Это объясняется тем, что большие периоды содержат d- или f-элементы.

Таким образом, химические свойства элементов изменяются периодически с изменением их порядкового номера и строения внешних энергетических уровней.

Рассмотрим, как изменяются свойства у элементов главной подгруппы первой группы (табл. 3.13).

Элементы одной подгруппы имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня и подобные химические свойства. В группе с увеличением заряда ядра растет количество энергетических уровней (их число равно номеру периода), увеличиваются атомные радиусы, но количество электронов на внешнем энергетическом уровне одинаково. При этом притяжение внешних электронов к ядру ослабевает, энергия ионизации уменьшается. Поэтому в главных подгруппах с увеличением порядкового номера элемента их металлические свойства усиливаются, а неметаллические – ослабевают.

Таким образом, периодическое повторение одинаковых электронных конфигураций внешнего энергетического уровня обуславливает периодическое изменение свойств элементов.

Таблица 3.12 – Некоторые свойства элементов третьего периода

Таблица 3.13 – Некоторые свойства элементов главной подгруппы первой группы

Пример 3.13. Чем объясняется расположение элементов серы и хрома в одной группе периодической системы элементов? Что общего и какие отличия имеются в строении атомов этих элементов?

Решение. Составим электронные формулы атомов для элементов серы и хрома, учитывая промотирование одного электрона с 4s- на 3d-подуровень в атоме Cr:

16S: 1s22s22p63s23p4,          24Cr: 1s22s22p63s23p63d54s1.

Оба элемента имеют по шесть валентных электронов, поэтому находятся в одной группе периодической системы Д. И. Менделеева – в шестой. Но сера, являясь р-элементом и имея на внешнем энергетическом уровне шесть электронов (3s23p4), располагается в главной подгруппе и в свободном состоянии проявляет свойства типичного неметалла. В атомах хрома идет заполнение второго снаружи энергетического уровня (3d5), поэтому он относится к d-элементам и находится в побочной подгруппе. Наличие на внешнем слое в атомах Cr только одного электрона (4s1) объясняет принадлежность к достаточно активным металлам.

Находясь в одной группе, оба элемента проявляют одинаковую высшую валентность VI и образуют кислотные оксиды (SO3 и CrO3), которым в качестве гидроксидов отвечают кислоты H2SO4 и H2CrO4.

Пример 3.14. Сравните электронные структуры валентных электронов для элементов подгруппы VІІА с валентными электронами элемента марганца. Чем объяснить, что типичный неметалл Cl и типичный металл Mn, не являющиеся элементами-аналогами, располагаются в одной группе периодической системы Д. И. Менделеева? Какую высшую валентность проявляют эти элементы и в каких соединениях?

Решение. При химических взаимодействиях важнейшую роль играют валентные электроны. В атомах s- и р-элементов валентными являются s- и р-электроны внешнего слоя, а в атомах d-элементов – в первую очередь s-электроны внешнего слоя и d-электроны второго снаружи энергетического уровня. Электронные формулы элементов VІІА-подгруппы (галогенов) показывают, что эти элементы – электронные аналоги, имеющие одинаковую конфигурацию валентных электронов (ns2np5), в отличие от марганца, для которого электронными аналогами будут элементы со структурой валентных слоев (n–1)d5ns2:

9F: ...2s22p5,  17Cl: ...3s23p5,           35Br: ...4s24p5,           53І: ...5s25p5,

25Mn: ...4s23d5.

Одинаковое количество валентных электронов (семь) предопределяют расположение Cl и Мn в одной группе (VІІ) периодической системы элементов, а разная структура валентных слоев обусловливает принадлежность к разным подгруппам: р-элемента хлора – к главной (VІІА), а d-элемента марганца – к побочной (VІІВ).

Несмотря на то, что хлор является типичным неметаллом, а марганец – типичным металлом, при переходе в высшую степень окисления их атомы приобретают одинаковую электронную конфигурацию ns2np6:

Одинаковое количество валентных электронов в атомах Mn и Cl объясняет и одинаковую величину высшей валентности – VII, характерную для этих элементов. По этой причине элементы Cl и Mn имеют одинаковое количественное соотношение составных частей в высших оксидах (Cl2O7 и Mn2O7), соответствующих им гидроксидах (хлорная HClО4 и марганцевая HMnО4 кислоты) и солях (калий перхлорат КClO4 и калий перманганат КMnO4).

Пример 3.15. У какого элемента: а) магния или кальция; б) калия или меди – сильнее выражены металлические свойства?

Решение. а) Элементы Mg и Ca находятся в одной подгруппе (ІІА), имеют одинаковую конфигурацию внешнего энергетического уровня (ns2), но их размещение в разных периодах свидетельствует о разноь количестве энергетических уровней: в атомах магния их три, а в атомах кальция – четыре. Следовательно, атомный радиус у кальция больше, чем у магния, и валентные электроны слабее притягиваются к ядру, поэтому Са является более активным металлом по сравнению с Mg.

б) Как видно из электронных формул, калий (4s1) и медь (4s13d10) – это элементы ІV периода, I группы, но калий размещается в главной подгруппе, а медь – в побочной. Оба элемента имеют по одному электрону на внешнем энергетическом уровне, однако в атоме Cu имеется полностью заполненный предвнешний 3d-подуровень. Увеличение количества электронов способствует уменьшению атомного радиуса благодаря более сильному притяжению к ядру. А это влечет за собой заметное уменьшение энергии ионизации, поэтому металлические свойства у калия сильнее, чем у меди.

Пример 3.16. У какого элемента – хлора или йода – сильнее выражены неметаллические свойства?

Решение. Хлор и йод – это элементы VIIА-подгруппы, полные электронные аналоги, однако хлор, находясь в ІІІ периоде, имеет три энергетических уровня, а йод (V период) – пять. По этой причине атомный радиус у хлора значительно меньше, чем у йода (а сродство к электрону, наоборот, больше у Cl), и поэтому неметаллические свойства у хлора выражены сильнее, чем у йода.

Пример 3.17. Составьте формулы и укажите химический характер оксидов для CrII, CrIII, CrVI и отвечающих им гидроксидов.

Решение. Для двухвалентного хрома (CrII) формула оксида имеет вид CrO, для CrIII – Cr2O3, для CrVI – Cr2O7. Химический характер оксидов и отвечающих им гидроксидов зависит от валентности элемента: по мере повышения валентности основные свойства ослабевают, появляются амфотерные, а затем кислотные, которые постепенно усиливаются. Значит, оксид CrO проявляет основный характер, ему соответствует основание Cr(OH)2. Оксид Cr2O3 амфотерен и соответствующее ему основание Cr(OH)3 тоже амфотерное. Оксид Cr2O7 проявляет кислотные свойства, значит, соответствующий ему гидроксид является кислотой и имеет формулу H2CrO4, или H2Cr2O7.

Ключевые слова и термины

Русский	Украинский	Английский	Французский	Арабский
энергия ионизации	енергія іонізації	ionization energy	energie ionisation	???? ??????
сродство к электрону	спорідненість до електрона	electron affinity	affinit??lectronique	????? ?? ?????????
электро-отрицательность	електро-негативність	electronegativity	electronegativ?	?????????

Контрольные вопросы

Какие энергетические уровни называются завершенными?

Атомы каких элементов имеют завершенные энергетические уровни?

Что такое энергия ионизации?

Что такое сродство к электрону?

Что такое электроотрицательность?

Как изменяются свойства элементов: а) в главных подгруппах; б) в периодах?

Почему свойства элементов изменяются периодически?

Задания для самостоятельной работы

Какими элементами начинаются и заканчиваются II-VI периоды периодической системы:

а) щелочными и инертными; в) неметаллическими и галогеными; б) щелочными и галогеными; г) щелочноземельными и инертными?

Как изменяются некоторые характеристики атома при увеличении порядкового номера элемента в главной подгруппе периодической системы:

а) увеличивается количество электронов на внешнем энергетическом уровне; б) уменьшается радиус атома; в) увеличивается радиус атома; г) уменьшается количество электронов на внешнем энергетическом уровне?

Дайте характеристику элемента по положению в периодической системе и строению атома для: а) Na; б) P; в) Fe; г) Ca; д) C. Используйте план:

1) положение элемента в периодической системе (№ периода, №  группы, главная или побочная подгруппа); 2) строение атома (заряд ядра атома, количество протонов и нейтронов в ядре и электронов в электронной оболочке); 3) электронное строение атома (количество энергетических уровней в атоме, количество электронов на внешнем энергетическом уровне; завершен ли он?); 4) характеристика элемента как простого вещества.

Образец ответа

1) Na находится в третьем периоде, первой группе, главной подгруппе.

2) Заряд ядра Na равен 11, количество электронов равно количеству протонов 11, количество нейтронов 23 – 11 = 12.

3) Электронная формула Na: . В атоме три энергетических уровня, на внешнем энергетическом уровне один электрон, внешний энергетический уровень не завершен.

4) Na – типичный металл.