§ 11. Перыядычнасць змянення ўласцівасцей атамаў хімічных элементаў і рэчываў, якія імі ўтвораны

Патлумачыць і прадказаць хімічныя ўласцівасці рэчываў (металічныя і неметалічныя, акісляльна-аднаўленчыя і кіслотна-асноўныя) можна, выкарыстоўваючы звесткі аб перыядычным змяненні ўласцівасцей атамаў па меры павелічэння зараду іх ядра, найважнейшыя з якіх — радыус атама, значэнні электраадмоўнасці і ступені акіслення. Прааналізуем, як гэтыя ўласцівасці залежаць ад электроннай будовы атамаў.

Перыядычнасць змянення радыусаў атамаў элементаў

Радыус атама вызначаецца памерам яго электроннай абалонкі. З пункту гледжання верагоднасці знаходжання электрона ў каляядзернай прасторы атам не мае выразных межаў. Таму радыус атама — гэта ўмоўная велічыня. За радыус атама і перыядычны закон атама будзем прымаць адлегласць ад ядра да знешняй электроннай абалонкі, занятай электронамі. Як указана ў § 9, у сферы з такім радыусам засяроджана каля 90 % электроннай шчыльнасці.

Супаставіўшы характар змянення радыусаў атамаў (мал. 21) з іх электроннай будовай, можна зрабіць наступныя вывады:

• • у перыядзе радыусы атамаў памяншаюцца, бо з ростам зараду ядра электроны мацней прыцягваюцца да ядра;
• • у групе радыусы атамаў павялічваюцца з-за росту ліку электронных слаёў;
• • змяненне значэнняў радыусаў атамаў з ростам зараду ядра носіць перыядычны характар. У межах кожнага перыяду найбольшым радыусам валодаюць атамы шчолачных металаў, а найменшым — атамы высакародных газаў.

Значэнні радыусаў атамаў з’яўляюцца важнай характарыстыкай хімічных элементаў, паколькі яны вызначаюць сувязь знешніх, валентных, электронаў з атамам. Чым меншы радыус, тым мацней валентныя электроны ўтрымліваюцца ў атаме і наадварот.

Сілы прыцягнення або адштурхоўвання зараджаных часціц вызначаюцца законам Кулона: сіла ўзаемадзеяння двух зараджаных цел прама прапарцыйная здабытку модуляў іх зарадаў і адваротна прапарцыйная квадрату адлегласці паміж імі:

Перыядычнасць змянення электраадмоўнасці атамаў

У 1932 годзе Л. Полінг увёў у хімію паняцце электраадмоўнасці як меры здольнасці дадзенага атама прыцягваць да сябе электроны ад хімічна звязаных з ім іншых атамаў.

Значэнні электраадмоўнасці (χ) прыводзяцца ў даведніках (мал. 22, табл. 7). Існуе некалькі шкал і спосабаў вызначэння электраадмоўнасці. Мы будзем выкарыстоўваць шкалу Полінга.

Аналіз даных малюнка 22 указвае на перыядычны характар змянення электраадмоўнасці з ростам атамнага нумара элемента: па перыядзе яна павялічваецца, па групе — памяншаецца. Тлумачыцца гэта тым, што ў перыядзе па меры росту зараду ядра электроны мацней прыцягваюцца да ядра, у групе з ростам ліку электронных слаёў прыцягненне аслабляецца.

Да элементаў з найбольшай электраадмоўнасцю адносяцца F, O, N, Cl. Самым электраадмоўным элементам з’яўляецца фтор (χ = 4,0). Самая нізкая электраадмоўнасць у шчолачных металаў.

Табліца 7. Найбольш характэрныя ступені акіслення і электраадмоўнасці атамаў элементаў 1–3-га перыядаў

Перыядычнасць змянення ступеней акіслення

Нагадаем, што ступень акіслення — гэта ўмоўны зарад атама ў хімічным злучэнні, вылічаны з меркавання, што гэтае злучэнне складаецца з іонаў. Пры вызначэнні ступені акіслення лічаць, што электроны, якія ўдзельнічаюць у хімічнай сувязі, цалкам пераходзяць да больш электраадмоўнага атама. Лік далучаных атамам электронаў паказвае значэнне адмоўнай ступені акіслення, лік аддадзеных — значэнне дадатнай ступені акіслення.

Аналіз найвышэйшых і найніжэйшых ступеняў акіслення, значэнні якіх прыведзены ў табліцы 7, дазваляе зрабіць наступныя вывыды:

• • у атамаў металаў назіраюцца толькі дадатныя ступені акіслення, у неметалаў — як адмоўныя, так і дадатныя;
• • найвышэйшая дадатная ступень акіслення атама роўная максімальнаму ліку электронаў на знешняй электроннай абалонцы атама, таму яна па кожным перыядзе ўзрастае;
• • найніжэйшая адмоўная ступень акіслення атамаў неметалаў вызначаецца лікам электронаў, якія атам можа прыняць да запаўнення знешняй электроннай абалонкі, таму яна адмоўная і ў перыядзе памяншаецца па абсалютнай велічыні ад 4 (элементы IVA-групы) да 1 (элементы VIIA-групы);
• • атамы ў хімічных злучэннях могуць быць у прамежкавых ступенях акіслення; чым больш на знешнім электронным слоі электронаў, тым больш у атама магчымых ступеней акіслення і, такім чынам, больш варыянтаў магчымых хімічных злучэнняў.

Перыядычнасць у змяненні ўласцівасцей простых і складаных рэчываў

Пры дзяленні хімічных элементаў на металы і неметалы выкарыстоўваюць крытэрыі, звязаныя з уласцівасцямі простых і складаных рэчываў, якія імі ўтвараюцца (табл. 8).

Табліца 8. Адметныя прыкметы металаў і неметалаў

Праяўленне металічных уласцівасцей простымі рэчывамі звязана са здольнасцю атамаў, якія маюць нізкія значэнні электраадмоўнасці, губляць электроны. У перыядах з памяншэннем памераў атамаў электраадмоўнасць расце, слабеюць металічныя і аднаўленчыя ўласцівасці простых рэчываў. Перыяды пачынаюцца шчолачнымі металамі, а заканчваюцца неметаламі — высакароднымі газамі. У групах з павелічэннем радыусу атама электраадмоўнасць памяншаецца, узмацняюцца металічныя і аднаўленчыя ўласцівасці простых рэчываў, адпаведна, неметалічныя і акісляльныя — слабеюць.

Паслабленне металічных уласцівасцей па перыядзе выяўляецца яшчэ і ў тым, што ў аксідаў і гідраксідаў элементаў асноўныя ўласцівасці паступова слабеюць і пераходзяць у амфатэрныя, а далей нарастаюць кіслотныя ўласцівасці (табл. 9). Атамы з найбольш высокімі значэннямі электраадмоўнасці ўтвараюць кіслоты.

Табліца 9. Кіслотна-асноўныя ўласцівасці аксідаў і гідраксідаў элементаў трэцяга перыяду

Пры аднолькавым значэнні ступеней акіслення атамаў асноўныя ўласцівасці гідраксідаў (і аксідаў) узрастаюць з павелічэннем памеру атамаў і памяншэннем іх электраадмоўнасці, бо аслабляецца ўзаемадзеянне катыёнаў металаў з гідраксід-іонамі. Таму сіла асноў узрастае па групах перыядычнай сістэмы.

У групах з павелічэннем радыусаў атамаў элементаў кіслотныя ўласцівасці аксідаў і гідраксідаў паступова слабеюць (табл. 10).

Табліца 10. Кіслотна-асноўныя ўласцівасці аксідаў і гідраксідаў некаторых элементаў IIA-групы

Варта адзначыць, што вадародныя злучэнні металаў — цвёрдыя рэчывы, а неметалаў — як правіла, газападобныя рэчывы.

*Залежнасць уласцівасцей аксідаў і гідраксідаў ад значэння ступені акіслення элемента ў злучэнні

Ступень акіслення атамаў, якія ўтвараюць аксіды і гідраксіды, уплывае на характар уласцівасцей гэтых рэчываў.

Напрыклад, у радзе аксідаў з павелічэннем ступені акіслення атамаў элемента адбываецца паслабленне асноўных і нарастанне кіслотных уласцівасцей. Так, у Li₂O выражаны асноўныя ўласцівасці, у BeO — ужо амфатэрныя, у астатніх аксідаў — кіслотныя, прычым сіла кіслотных уласцівасцей нарастае з павелічэннем ступені акіслення ў радзе .

Аналагічная заканамернасць назіраецца і для адпаведных гэтым аксідам гідраксідаў: LiOH — моцная аснова; Be(OH)₂ — амфатэрны гідраксід; Н₃ВО₃ або B(OH)₃ і H₂CO₃ — слабыя кіслоты; HNO₃ — моцная кіслата.

Аксiды
Гiдраксiды
Расце ступень акіслення, змяншаецца радыус атама элемента
Нарастаюць кіслотныя ўласцівасці
Слабеюць асноўныя ўласцівасці

Узмацненне кіслотных уласцівасцей аксідаў і гідраксідаў з павелічэннем значэння ступені акіслення элемента ў злучэнні назіраецца і для асобных элементаў. Так, змену ўласцівасцей у радзе кіслародзмяшчальных кіслот хлору можна паказаць наступнай схемай:

Расце ступень акіслення атама хлору
Узмацняюцца кіслотныя ўласцівасці, павышаецца ўстойлівасць злучэнняў
Узмацняецца акісляльная здольнасць

Такім чынам, з павелічэннем значэння ступені акіслення хлору ўстойлівасць яго гідраксідаў (кіслот) расце, а іх акісляльная здольнасць памяншаецца. Найбольш моцным акісляльнікам з’яўляецца хларнавацістая кіслата (HClO), а найменш моцным — хлорная кіслата (HClO₄).

Такая самая заканамернасць — узмацненне кіслотных уласцівасцей гідраксіду (і, адпаведна, паслабленне яго асноўных уласцівасцей) — з ростам ступені акіслення элемента характэрная не толькі для хлору, але і для іншых элементаў. Найбольш ярка гэтая заканамернасць прасочваецца ў аксідах і гідраксідах хрому і марганцу, што мы спецыяльна разгледзім у § 49.1.

Пытанні, заданні, задачы

1. Расстаўце ў парадку ўзрастання атамных радыусаў элементы: Cl, N, Si, He, Li, Al. Дайце тлумачэнне.

2. Растлумачце, чаму атамны радыус пры пераходзе:

• а) ад алюмінію да крэмнію памяншаецца;
• б) ад неону да натрыю рэзка павялічваецца.

3. Выкарыстоўваючы заканамернасці ў змяненні атамных радыусаў, растлумачце змяненне электраадмоўнасці атамаў у радзе элементаў:

• а) F, Cl, Br, I;
• б) S, P, Si.

4. Вам вядома, што падабенства ўласцівасцей элементаў адной і той жа групы тлумачыцца аднолькавым лікам валентных электронаў. Пакажыце, чым абумоўлена адрозненне ўласцівасцей элементаў адной групы.

5. Пакажыце максімальныя і мінімальныя ступені акіслення атамаў: Ca, Cl, K, Na, Mg, Si, P.

6. Намалюйце ў сшытку і запоўніце табліцу «Змяненне ўласцівасцей атамаў і іх злучэнняў па перыядах і групах».

Уласцівасці	Характар змяненняў пры руху ў табліцы
	Па перыядзе	Па групе
Зарад ядра атама
Лік электронных слаёў у атаме
Лік электронаў на знешнім слоі атама
Радыус атама
Электраадмоўнасць
Здольнасць прыцягваць электроны
Здольнасць аддаваць электроны
Металічныя ўласцівасці простых рэчываў
Неметалічныя ўласцівасці простых рэчываў
Асноўныя ўласцівасці аксідаў і гідраксідаў элементаў
Кіслотныя ўласцівасці аксідаў і гідраксідаў

7. З прапанаванага пераліку характарыстык выберыце тыя, якія лінейна (а не перыядычна) змяняюцца з ростам зараду ядра атама: электраадмоўнасць, лік пратонаў, радыус атама, маса атама, агульная колькасць электронаў, лік электронаў на знешнім слоі, ступень акіслення.

8. Для азоту характэрны наступныя ступені акіслення: +5, +4, +3, +2, +1, 0, –1, –2, –3. Якія ўласцівасці — акісляльныя або аднаўленчыя — выражаны ў кожнай з гэтых ступеней акіслення азоту?

9. Зыходзячы са становішча элементаў N, P, C, Al, S у перыядычнай сістэме, параўнайце кіслотныя ўласцівасці:

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

10. Масы двух вадародных злучэнняў роўныя. Параўнайце колькасна іх аб’ёмы пры н. у., калі вядома, што абодва злучэнні газападобныя і ўтвораны элементамі з канфігурацыяй [Ne]3s²3p⁵ і [He]2s²2p³.

*Самакантроль

1. Састаў найвышэйшых аксідаў выражаецца агульнай формулай ЭО₃ для элементаў:

• а) С;
• б) S;
• в) Se;
• г) Cr.

2. Электраадмоўнасць элементаў узрастае ў радах:

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

3. Асноўныя ўласцівасці рэчываў спачатку ўзрастаюць, а потым змяншаюцца ў радах:

• 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. Металічныя ўласцівасці ў першага простага рэчыва выражаны мацней, чым у другога, у пары:

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

5. Кіслотныя ўласцівасці найбольш моцна выражаны ў гідраксіду:

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