Print bookPrint book

§ 11. Периодичность изменения свойств атомов химических элементов и образуемых ими веществ

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 11. Периодичность изменения свойств атомов химических элементов и образуемых ими веществ
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 10:33 PM

Объяснить и предсказать химические свойства веществ (металлические и неметаллические, окислительно-восстановительные и кислотно-основные) можно, используя сведения о периодическом изменении свойств атомов по мере увеличения заряда их ядра, важнейшие из которых — радиус атома, значения его электроотрицательности и степени окисления. Проанализируем, как эти свойства зависят от электронного строения атомов.

Периодичность изменения радиусов атомов элементов

Рис. 21. Относительные размеры атомов
Рис. 21. Относительные размеры атомов

Радиус атома определяется размером его электронной оболочки. С точки зрения вероятности нахождения электрона в околоядерном пространстве атом не имеет чётких границ. Поэтому радиус атома — это условная величина. За радиус атома будем принимать расстояние от ядра до внешней электронной оболочки, занятой электронами. Как указано в § 9, в сфере с таким радиусом сосредоточено около 90 % электронной плотности.

Сопоставив характер изменения радиусов атомов (рис. 21) с их электронным строением, можно сделать следующие выводы:

  • • в периоде радиусы атомов уменьшаются, так как с ростом заря а ядра электроны сильнее притягиваются к ядру;
  • • в группе радиусы атомов увеличиваются из-за роста числа электронных слоёв;
  • • изменение значений радиусов атомов с ростом заряда ядра носит периодический характер. В пределах каждого периода наибольшим радиусом обладают атомы щелочных металлов, а наименьшим — атомы благородных газов.

Значения радиусов атомов являются важной характеристикой химических элементов, поскольку они определяют связь внешних, валентных, электронов с атомом. Чем меньше радиус, тем сильнее валентные электроны удерживаются в атоме и наоборот.

img

Силы притяжения или отталкивания заряженных частиц определяются законом Кулона: сила взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорциональна произведению модулей их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: begin mathsize 12px style F equals k fraction numerator vertical line q subscript 1 vertical line times vertical line q subscript 2 vertical line over denominator r to the power of italic 2 end fraction italic. end style

Периодичность изменения электроотрицательности атомов

В 1932 году Л. Полинг ввёл в химию понятие электроотрицательности как меры способности данного атома притягивать к себе электроны от химически связанных с ним других атомов.

Рис. 22. Изменение электроотрицательности атомов<br />с ростом заряда их ядер
Рис. 22. Изменение электроотрицательности
атомов с ростом заряда их ядер

Значения электроотрицательности (χ) приводятся в справочниках (рис. 22, табл. 7). Существует несколько шкал и способов определения электроотрицательности. Мы будем использовать шкалу Полинга.

Анализ данных рисунка 22 указывает на периодический характер изменения электроотрицательности с ростом атомного номера элемента: по периоду она увеличивается, по группе — уменьшается. Объяснить это можно тем, что в периоде по мере роста заряда ядра электроны сильнее притягиваются к ядру, в группе с ростом числа электронных слоёв притяжение ослабевает.

К элементам с наибольшей электроотрицательностью относятся F, O, N, Cl. Самым электроотрицательным элементом является фтор (χ = 4,0). Самая низкая электроотрицательность у щелочных металлов.

Периодичность изменения степеней окисления

Напомним, что степень окисления — это условный заряд атома в химическом соединении, вычисленный из предположения, что это соединение состоит из ионов. При определении степени окисления считают, что электроны, участвующие в химической связи, полностью переходят к более электроотрицательному атому. Число присоединённых атомом электронов показывает значение отрицательной степени окисления, число отданных — значение положительной степени окисления.

Анализ высших и низших степеней окисления, значения которых приведены в таблице 7, позволяет сделать следующие выводы:

  • • у атомов металлов наблюдаются только положительные степени окисления, у неметаллов — как отрицательные, так и положительные;
  • • высшая положительная степень окисления атома равна максимальному числу электронов на внешней электронной оболочке атома, поэтому она по каждому периоду возрастает;
  • • низшая отрицательная степень окисления атомов неметаллов определяется числом электронов, которые атом может принять до заполнения внешней электронной оболочки, поэтому она отрицательна и в периоде убывает по абсолютной величине от 4 (элементы IVA-группы) до 1 (элементы VIIA-группы);
  • • атомы в химических соединениях могут быть в промежуточных степенях окисления; чем больше на внешнем электронном слое электронов, тем больше у атома возможных степеней окисления и, следовательно, больше вариантов возможных химических соединений.

Таблица 7. Наиболее характерные степени окисления и электроотрицательность атомов элементов 13-го периодов

Группа IA IIA IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA
Элементы H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar
Электроотрица­тельность 2,2 1,0 1,6 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0,9 1,3 1,6 1,9 2,2 2,6 3,0
Степени окисления +7 +7
+6 +6
+5 +5 +5 +5
+4 +4 +4 +4 +4
+3 +3 +3 +3 +3 +3
+2 +2 +2 +2 +2 +2
+1 +1 +1 +1 +1 +1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
–1 –1 –1 –1 -1
–2 –2 –2 -2
–3 –3 –3
–4 –4 –4
Формула электронной конфигурации внешнего электронного слоя 1s1 1s2 2s1 2s2 2s22p1 2s22p2 2s22p3 2s22p4 2s22p5 2s22p6 3s1 3s2 3s23p1 3s23p2 3s23p3 3s23p4 3s23p5 3s23p6

Периодичность в изменении свойств простых и сложных веществ

При делении химических элементов на металлы и неметаллы используют критерии, связанные со свойствами образуемых ими простых и сложных веществ (табл. 8).

Таблица 8. Отличительные признаки металлов и неметаллов

Строение и свойства Металлы Неметаллы
Строение и свойства атомов При взаимодействии с неметаллами отдают им свои электроны При взаимодействии с металлами притягивают к себе их электроны
На внешнем электронном слое содержится, как правило, 1–3 электрона На внешнем электронном слое содержится 4–8 электронов, кроме атомов В, He и H
Имеют низкие значения электроотрицательности Имеют высокие значения электроотрицательности
Физические свойства простых веществ Высокая электро- и теплопроводность простых веществ. Электропроводность снижается с ростом температуры Теплоизоляционные свойства простых веществ высокие. Низкая электропроводность
Пластичность простых веществ Хрупкость простых веществ
Общие свойства соединений В водных растворах солей преимущественно существуют в виде катионов В водных растворах солей существуют в составе анионов
Образуют преимущественно основные и амфотерные оксиды Образуют кислотные оксиды
Образуют сильные и слабые основания Образуют сильные и слабые кислоты

Проявление металлических свойств простыми веществами связано со способностью атомов, имеющих низкие значения электроотрицательности, терять электроны. В периодах с уменьшением размеров атомов электроотрицательность растёт, ослабевают металлические и восстановительные свойства простых веществ. Периоды начинаются щелочными металлами, а заканчиваются неметаллами — благородными газами. В группах с увеличением радиуса атома электроотрицательность уменьшается, усиливаются металлические и восстановительные свойства простых веществ, соответственно, неметаллические и окислительные — ослабевают.

Ослабление металлических свойств по периоду выражается ещё и в том, что у оксидов и гидроксидов элементов основные свойства постепенно ослабевают и переходят в амфотерные, а далее нарастают кислотные свойства (табл. 9). Атомы с наиболее высокими значениями электроотрицательности образуют кислоты.

Таблица 9. Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов элементов третьего периода

Параметры сравнения Группа
I II III IV V VI VII
Высшая степень окисления +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
Высший оксид и его свойства Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7
Основные оксиды Амфотерный оксид Кислотные оксиды
Гидроксид и его свойства NaOH Mg(OH)2 Al(OH)3 H2SiO3 H3PO4 H2SO4 HClO4
Основания Амфотерный гидроксид Очень слабая кислота Слабая кислота Сильная кислота Очень сильная кислота
Водородные соединения (гидриды) NaH MgH2 AlH3 SiH4 PH3 H2S HCl
Нелетучие водородные соединения металлов Летучие водородные соединения неметаллов

При одинаковом значении степеней окисления атомов основные свойства гидроксидов (и оксидов) возрастают с увеличением размера атомов и уменьшением их электроотрицательности, так как ослабевает взаимодействие катионов металлов с гидроксид-ионами. Поэтому сила оснований возрастает по группам периодической системы.

В группах с увеличением радиусов атомов элементов кислотные свойства оксидов и гидроксидов постепенно ослабевают (табл. 10).

Следует отметить, что водородные соединения металлов — твёрдые вещества, а неметаллов — как правило, газообразные вещества.

Таблица 10. Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов некоторых элементов IIA-группы

Период Группа IIA
Элемент Высший оксид и его свойства Гидроксид и его свойства
2 Be ВеО — амфотерный оксид Be(OH)2 — амфотерный гидроксид
3 Mg MgO — основный оксид Mg(OH)2 — основание
4 Ca CaO — основный оксид Ca(OH)2 — сильное основание
5 Sr SrO — основный оксид Sr(OH)2 — сильное основание

*Зависимость свойств оксидов и гидроксидов от значения степени окисления элемента в соединении

Степень окисления атомов, образующих оксиды и гидроксиды, влияет на характер свойств этих веществ.

Например, в ряду оксидов Li with plus 1 on top subscript 2 straight O space minus space Be with plus 2 on top straight O space minus stack space straight B with plus 3 on top subscript 2 straight O subscript 3 minus straight C with plus 4 on top straight O subscript 2 space minus straight N with plus 5 on top subscript 2 straight O subscript 5 по мере увеличения степени окисления атомов элемента происходит ослабление основных и нарастание кислотных свойств. Так, у Li2O выражены основные свойства, у BeO — уже амфотерные, у остальных оксидов — кислотные, причём сила кислотных свойств нарастает с увеличением степени окисления в ряду straight B with plus 3 on top subscript 2 straight O subscript 3 minus straight C with plus 4 on top straight O subscript 2 minus straight N with plus 5 on top subscript 2 straight O subscript 5.

Аналогичная закономерность наблюдается и для соответствующих этим оксидам гидроксидов: LiOH — сильное основание; Be(OH)2 — амфотерный гидроксид; Н3ВО3 (или B(OH)3) и H2CO3 — слабые кислоты; HNO3 — сильная кислота.

Оксиды Li with plus 1 on top subscript 2 straight O Be with plus 2 on top straight O stack straight B subscript 2 with plus 3 on top straight O subscript 3 straight C with plus 4 on top straight O subscript 2 straight N with plus 5 on top subscript 2 straight O subscript 5
Гидроксиды LiOH Be left parenthesis OH right parenthesis subscript 2 straight B left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 straight H subscript 2 CO subscript 3 HNO subscript 3
Растёт степень окисления, уменьшается радиус атома элемента
img
Нарастают кислотные свойства
img
Ослабевают основные свойства

Усиление кислотных свойств оксидов и гидроксидов с увеличением значения степени окисления элемента в соединении наблюдается и для отдельных элементов. Так, изменение свойств в ряду кислородсодержащих кислот хлора можно выразить следующей схемой:

straight H Cl with plus 1 on top straight O straight H Cl with plus 3 on top straight O subscript 2 straight H Cl with plus 5 on top straight O subscript 3 straight H Cl with plus 7 on top straight O subscript 4
Растёт степень окисления атома хлора
img
Усиливаются кислотные свойства, повышается устойчивость соединений
img
Усиливается окислительная способность

Таким образом, c увеличением значения степени окисления хлора устойчивость его гидроксидов (кислот) растёт, а их окислительная способность уменьшается. Наиболее сильным окислителем является хлорноватистая кислота (HClO), а наименее сильным — хлорная кислота (HClO4).

Такая же закономерность — усиление кислотных свойств гидроксида (и, соответственно, ослабление его основных свойств) — с ростом степени окисления элемента характерна не только для хлора, но и для других элементов. Наиболее ярко эта закономерность прослеживается в оксидах и гидроксидах хрома и марганца, что мы специально рассмотрим в § 49.1.

  • С увеличением заряда атомных ядер происходит периодическое изменение:
  • • свойств атомов (радиусов, электроотрицательности, степеней окисления);
  • • свойств образуемых элементами простых веществ (металлических и неметаллических, окислительных и восстановительных);
  • • свойств сложных веществ (окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств оксидов, гидроксидов, а также водородных соединений).

Вопросы, задания, задачи

1. Расположите в порядке возрастания атомных радиусов элементы: Cl, N, Si, He, Li, Al. Дайте объяснение.

2. Объясните, почему атомный радиус при переходе:

  • а) от алюминия к кремнию уменьшается;
  • б) от неона к натрию резко возрастает.

3. Используя закономерности в изменении атомных радиусов, объясните изменение электроотрицательности атомов в ряду элементов:

  • а) F, Cl, Br, I;
  • б) S, P, Si.

4. Вам известно, что сходство свойств элементов одной и той же группы объясняется одинаковым числом валентных электронов. Укажите, чем обусловлено различие свойств элементов одной группы.

5. Укажите максимальные и минимальные степени окисления атомов: Ca, Cl, K, Na, Mg, Si, P.

6. Нарисуйте в тетради и заполните таблицу «Изменение свойств атомов и их соединений по периодам и группам».

Свойства Характер изменения при движении в таблице
По периоду rightwards double arrow По группе downwards double arrow
Заряд ядра атома
Число электронных слоёв в атоме
Число электронов на внешнем слое атома
Радиус атома
Электроотрицательность
Способность притягивать электроны
Способность отдавать электроны
Металлические свойства простых веществ
Неметаллические свойства простых веществ
Основные свойства оксидов и гидроксидов элементов
Кислотные свойства оксидов и гидроксидов

7. Из предложенного перечня характеристик выберите те, которые линейно (а не периодически) изменяются с ростом заряда ядра атома: электроотрицательность, число протонов, радиус атома, масса атома, общее число электронов, число электронов на внешнем слое, степень окисления.

8. Для азота характерны следующие степени окисления: +5, +4, +3, +2, +1, 0,  –1, –2, –3. Какие свойства — окислительные или восстановительные — выражены у азота в каждой из этих степеней окисления?

9. Исходя из положения элементов N, P, С, Al, S в периодической системе, сравните кислотные свойства:

  • а) HNO3 и H3PO4;
  • б) Al(OH)3 и H3PO4;
  • в) H3PO4 и H2SO4.

10. Массы двух водородных соединений равны. Сравните численно их объёмы при н. у., если известно, что оба соединения газообразны и образованы элементами с конфигурацией [Ne]3s23p5 и [He]2s22p3.

*Самоконтроль

1. Состав высших оксидов выражается общей формулой ЭО3 для элементов:

  • а) С;
  • б) S;
  • в) Se;
  • г) Cr.

2. Электроотрицательность элементов возрастает в рядах:

  • а) С, F, Cl;
  • б) S, Cl, F;
  • в) S, O, F;
  • г) C, O, N.

3. Осно́вные свойства веществ сначала возрастают, а затем убывают в рядах:

  • а) MgO, BeO, Li2O;
  • б) Al(ОН)3, Mg(ОН)2, Be(ОН)2;
  • в) ZnO, K2O, CuO;
  • г) LiОН, NaОН, Mg(OН)2.

4. Металлические свойства у первого простого вещества выражены сильнее, чем у второго, в паре:

  • а) Са и K;
  • б) Ва и Ra;
  • в) Li и Ве;
  • г) Fe и Ca.

5. Кислотные свойства наиболее сильно выражены у гидроксида:

  • а) Н2СО3;
  • б) Н2SiО3;
  • в) Al(ОН)3;
  • г) НСlО4.