Основные свойства по группе. Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам. Закономерности изменения свойств элементов и их соединений по периодам и группам

Лекция: Закономерности изменения свойств элементов и их соединений по периодам и группам

Русский ученый Д. И. Менделеев успешно работал во многих областях науки. Однако наибольшую известность ему принесло уникальное открытие периодического закона химических элементов в 1869 г. Изначально, он звучал таким образом: «Свойства всех элементов, а вследствие и качества образуемых ими простых, а также сложных веществ, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

В настоящее время формулировка закона иная. Дело в том, что во времена открытия закона ученые не имели представления о строении атома, а за атомный вес принимался вес химического элемента. Впоследствии активного изучения атома и получения новых сведений о его строении, был выведен закон, имеющий актуальность в наши дни: «Свойства атомов хим. элементов и образованных ими простых веществ в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов».

Закон так же выражен графически. Наглядно его изображает таблица:

Периодическая таблица Д.И. Менделеева

На данном уроке мы научимся извлекать из неё важную и нужную для постижения науки информацию. В ней вы видите строки. Это периоды . Всего их семь. Вспомните из предыдущего урока, что номер каждого периода демонстрирует количество энергетических уровней, на которых размещаются электроны атома химического элемента. Например, натрий (Na) и магний (Mg) находятся в третьем периоде, значит их электроны размещены на трех энергетических уровнях. Все периоды, за исключением 1 – го берут начало со щелочного металла, и завершаются благородным газом.

Электронная конфигурация:

щелочного металла - ns 1 ,

благородного газа -ns 2 p 6 , за исключением гелия (Не) - 1s 2 .

Где n - является номером периода.

Еще мы видим в таблице вертикальные столбцы – это группы . В одних таблицах вы можете увидеть 18 групп, нумерованных арабскими цифрами. Такая форма таблица называется длинной, она появилась после обнаружения отличий d-элементов от s- и p-элементов. Но традиционной, созданной Менделеевым является короткая форма, где элементы сгруппированы в 8 групп, нумерованных римскими цифрами:

Итак, какую информацию нам дают номера групп? Из номера мы узнаем число электронов, образующих химические связи. Они называются валентными . 8 групп подразделены на две подгруппы: главная и побочная.

В главную входят электроны s- и p-подуровней. Это подгруппы IА, IIА, IIIА, IVА, VА, VIА, VIIА и VIIIА. Например, аллюминий (Al) – элемент главной подгруппы III группы имеет … 3s 2 3p 1 валентных электрона.

Элементы, располагающиеся в побочных подгруппах, содержат электроны d - подуровня. Побочными являются группы IБ, IIБ, IIIБ, IVБ, VБ, VIБ, VIIБ и VIIIБ. Например, марганец (Mn) – элемент главной подгруппы VII группы имеет …3d 5 4s 2 валентных электрона.

В короткой таблице s- элементы обозначены красным, p-элементы желтым, d-элементы синим и f-элементы белым цветами.

• Какую еще информацию мы можем извлечь из таблицы? Вы видите, что каждому элементу присвоен порядковый номер. Тоже не случайно. Судя по номеру элемента, мы можем судить о количестве электронов в атоме данного элемента. К примеру, кальций (Ca) находится под номером 20, значит электронов в его атоме 20.

Еще из таблицы можно сделать и такой вывод, чем выше порядковый номер элемента, тем меньше радиус атома. Почему? Дело в том, что при увеличении общего количества электронов, происходит уменьшение радиуса атома. Чем больше электронов, тем выше энергия их связи с ядром. Например, ядро атома фосфора (Р) намного сильнее удерживает электроны своего внешнего уровня, чем ядро атома натрия (Na), имеющего один электрон на внешнем уровне. И если атомы фосфора и натрия вступят в реакцию, фосфор отберет этот электрон у натрия, потому что фосфор более электроотрицательный. Этот процесс называется электроотрицательностью. Запомните, при движении вправо по одному ряду элементов таблицы их электроотрицательность возрастает, а внутри одной подгруппы она уменьшается. О данном свойстве элементов мы подробнее скажем на следующих уроках.

Запомните:

• увеличение ядерного заряда и уменьшение атомного радиуса;
• увеличение числа внешних электронов;
• увеличение ионизации и электроотрицательности;
• возрастание неметаллических окислительных свойств и убывание металлических восстановительных свойств;
• возрастание кислотности и ослабевание основности гидроксидов и оксидов.

• увеличение ядерного заряда и увеличение атомного радиуса;
• уменьшение ионизации и электроотрицательности;
• убывание неметаллических окислительных свойств и возрастание металлических восстановительных свойств;
• возрастание основности и ослабевание кислотности гидроксидов и оксидов.

Ионизация - это процесс превращения атомов в ионы (положительно заряженные катионы или отрицательно заряженные анионы) во время химической реакции.

Электроотрицательность - это способность атома к притягиванию электрона другого атома во время химических реакций.

Окисление - процесс передачи электрона атома восстановителя (донора электрона) атому окислителя (акцептору электрона) и увеличение степени окисления атома вещества.

• при высокой электроотрицательности элемента, он сильнее притягивает к себе электроны и его атомы приобретают отрицательную степень окисления (к примеру, фтор всегда имеет степень окисления - 1);
• при низкой электроотрицательности, элемент отдает электроны и приобретает положительную степень окисления (все металлы имеют +степень, к примеру, калий +1, кальций +2, алюминий +3);
• атомы простых веществ, состоящих из одного элемента у атомов с высокими и свободные атому имеют нулевую степень.

В современной науке таблицу Д. И. Менделеева называют периодической системой химических элементов, т. к. общие закономерности в изменении свойств атомов, простых и сложных веществ, образованных химическими элементами, повторяются в этой системе через определенные интервалы - периоды. Таким образом, все существующие в мире химические элементы подчиняются единому, объективно действующему в природе периодическому закону, графическим отображением которого является периодическая система элементов. Этот закон и система носят имя великого русского химика Д. И. Менделеева.

Периоды - это ряды элементов, расположенные горизонтально, с одинаковым максимальным значением главного квантового числа валентных электронов. Номер периода соответствует числу энергетических уровней в атоме элемента. Периоды состоят из определенного количества элементов: первый - из 2 , второй и третий - из 8 , четвертый и пятый - из 18, шестой период включает 32 элемента. Это зависит от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Седьмой период является незавершенным. Все периоды (исключение составляет первый) начинаются щелочным металлом (s-элементом), а заканчиваются благородным газом. Когда начинает заполняться новый энергетический уровень, начинается новый период. В периоде с увеличением порядкового номера химического элемента слева направо металлические свойства простых веществ уменьшаются, а неметаллические возрастают.

Металлические свойства - это способность атомов элемента при образовании химической связи отдавать свои электроны, а неметаллические свойства - это способность атомов элемента при образовании химической связи присоединять электроны других атомов. У металлов электронами заполняется внешний s-подуровень, что подтверждает металлические свойства атома. Неметаллические свойства простых веществ проявляются при формировании и заполнении электронами внешнего р-подуровня. Неметаллические свойства атома усиливаются в процессе заполнения электронами р-подуровня (от 1 до 5). Атомы с полностью заполненным внешним электронным слоем (ns 2 np 6) образуют группу благородных газов , которые являются химически инертными.

В малых периодах с ростом положительного заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 - в первом периоде и от 1 до 8 - во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого периода) находится щелочной металл, затем металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические. В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение уровней электронами происходит сложнее , что объясняет и более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда число электронов на внешнем уровне остается постоянным и равно 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются крайне медленно. Лишь в нечетных рядах, когда с ростом заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем уровне (от 1 до 8), свойства элементов начинают изменяться так же, как у типических.

Группы - это вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равных номеру группы. Существует деление на главные и побочные подгруппы. Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов. Валентные электроны этих элементов расположены на внешних ns- и nр-подуровнях. Побочные подгруппы состоят из элементов больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns-подуровне и внутреннем (n — 1) d -подуровне (или (n — 2) f-подуровне). В зависимости от того, какой подуровень (s-, p-, d- или f-) заполняется валентными электронами, элементы разделяются на:

1) s-элементы - элементы главной подгруппы I и II групп;

2) р-элементы - элементы главных подгрупп Ш-VII групп;

3) d -элементы - элементы побочных подгрупп;

4) f-элементы - лантаноиды, актиноиды.

Сверху вниз в главных подгруппах металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Элементы главных и побочных групп отличаются по свойствам. Номер группы показывает высшую валентность элемента. Исключение составляют кислород, фтор, элементы подгруппы меди и восьмой группы . Общими для элементов главных и побочных подгрупп являются формулы высших оксидов (и их гидратов). У высших оксидов и их гидратов элементов I-III групп (исключение составляет бор) преобладают основные свойства, с IV по VIII - кислотные. Для элементов главных подгрупп формулы водородных соединений общие. Элементы I-III групп образуют твердые вещества - гидриды, так как степень окисления водорода -1 . Элементы IV-VII групп - газообразные. Водородные соединения элементов главных подгрупп IV группы (ЭН 4) - нейтральны, V группы (ЭН3) являются основаниями, VI и VII групп (Н 2 Э и НЭ) - кислотами.

Радиусы атомов, их периодические изменения в системе химических элементов

Радиус атома с увеличением зарядов ядер атомов в периоде уменьшается , т. к. притяжение ядром электронных оболочек усиливается. Происходит своеобразное их «сжатие». От лития к неону заряд ядра постепенно увели-чивается (от 3 до 10), что обуславливает возрастание сил притяжения электронов к ядру, размеры атомов уменьшаются. Поэтому в начале периода расположены элементы с небольшим числом электронов на внешнем электронном слое и большим радиусом атома. Электроны, находящиеся дальше от ядра, легко от него отрываются, что характерно для элементов-металлов.

В одной и той же группе с увеличением номера периода атомные радиусы возрастают , т. к. увеличение заряда атома оказывает противоположный эффект. С точки зрения теории строения атомов принадлежность элементов к металлам или неметаллам определяется способностью их атомов отдавать или присоединять электроны. Атомы металлов сравнительно легко отдают электроны и не могут их присоединять для достраивания своего внешнего электронного слоя.

Д. И. Менделеев в 1869 г. сформулировал периодический закон, который звучит так: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс элементов. Систематизируя химические элементы на основе их относительных атомных масс, Менделеев уделял большое внимание также свойствам элементов и образованных ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы - группы. В соответствии с современными представлениями о строении атома, основой классификации химических элементов являются заряды их атомных ядер, и современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер. Периодичность в изменении свойств элементов объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней их атомов. Именно число энергетических уровней, общее число расположенных на них электронов и число электронов на внешнем уровне отражают принятую в периодической системе символику.

a) Закономерности, связанные с металлическими и неметаллическими свойствами элементов.

• При перемещении СПРАВА НАЛЕВО вдоль ПЕРИОДА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства р-элементов УСИЛИВАЮТСЯ . В обратном направлении — возрастают неметаллические. Это объясняется тем, что правее находятся элементы, электронные оболочки которых ближе к октету. Элементы в правой части периода менее склонны отдавать свои электроны для образования металлической связи и вообще в химических реакциях.
• Например, углерод — более выраженный неметалл, чем его сосед по периоду бор, а азот обладает еще более яркими неметаллическими свойствами, чем углерод. Слева направо в периоде также увеличивается и заряд ядра. Следовательно, увеличивается притяжение к ядру валентных электронов и затрудняется их отдача. Наоборот, s-элементы в левой части таблицы имеют мало электронов на внешней оболочке и меньший заряд ядра, что способствует образованию именно металлической связи. За понятным исключением водорода и гелия (их оболочки близки к завершению или завершены!), все s-элементы являются металлами; p-элементы могут быть как металлами, так и неметаллами, в зависимости от того — в левой или правой части таблицы они находятся.
• У d- и f-элементов, как мы знаем, есть «резервные» электроны из «предпоследних» оболочек, которые усложняют простую картину, характерную для s- и p-элементов. В целом d- и f-элементы гораздо охотнее проявляют металлические свойства.
• Подавляющее число элементов является металлами и только 22 элемента относят к неметаллам : H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te, а также все галогены и инертные газы. Некоторые элементы в связи с тем, что они могут проявлять лишь слабые металлические свойства, относят к полуметаллам. Что такое полуметаллы? Если выбрать из Периодической таблицы p-элементы и записать их в отдельный «блок» (это сделано в “длинной” форме таблицы), то обнаружится закономерность, показанная на Левая нижняя часть блока содержит типичные металлы , правая верхняя — типичные неметаллы . Элементы, занимающие места на границе между металлами и неметаллами, называются полуметаллами .
• Полуметаллы расположены примерно вдоль диагонали, проходящей по p-элементам от левого верхнего к правому нижнему углу Периодической таблицы
• Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной «октетной» ковалентной связи (как в боре), либо они не удерживаются достаточно прочно (как в тeллуре или полонии) из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер. Некоторые полуметаллы (кремний, германий) являются полупроводниками. Полупроводниковые свойства этих элементов объясняются многими сложными причинами, но одна из них — существенно меньшая (хотя и не нулевая) электропроводность, объясняемая слабой металлической связью. Роль полупроводников в электронной технике чрезвычайно важна.
• При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ вдоль групп УСИЛИВАЮТСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства элементов. Это связано с тем, что ниже в группах расположены элементы, имеющие уже довольно много заполненных электронных оболочек. Их внешние оболочки находятся дальше от ядра. Они отделены от ядра более толстой «шубой» из нижних электронных оболочек и электроны внешних уровней удерживаются слабее.

б) Закономерности, связанные с окислительно-восстановительными свойствами. Изменения электроотрицательности элементов.

• Перечисленные выше причины объясняют, почему СЛЕВА НАПРАВО УСИЛИВАЮТСЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ свойства, а при движении СВЕРХУ ВНИЗ — ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ свойства элементов.
• Последняя закономерность распространяется даже на такие необычные элементы, как инертные газы. У «тяжелых» благородных газов криптона и ксенона, которые находятся в нижней части группы, удается «отобрать» электроны и получить их соединения с сильными окислителями (фтором и кислородом), а для «легких» гелия, неона и аргона это осуществить не удается.
• В правом верхнем углу таблицы находится самый активный неметалл-окислитель фтор (F), а в левом нижнем углу — самый активный металл-восстановитель цезий (Cs). Элемент франций (Fr) должен быть еще более активным восстановителем, но его химические свойства изучать крайне трудно из-за быстрого радиоактивного распада.
• По той же причине, что и окислительные свойства элементов, их ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ ВОЗРАСТАЕТ тоже СЛЕВА НАПРАВО , достигая максимума у галогенов. Не последнюю роль в этом играет степень завершенности валентной оболочки, ее близость к октету.
• При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ по группам ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ УМЕНЬШАЕТСЯ . Это связано с возрастанием числа электронных оболочек, на последней из которых электроны притягиваются к ядру все слабее и слабее.
• в) Закономерности, связанные с размерами атомов.
• Размеры атомов (АТОМНЫЕ РАДИУСЫ) при перемещении СЛЕВА НАПРАВО вдоль периода УМЕНЬШАЮТСЯ . Электроны все сильнее притягиваются к ядру по мере возрастания заряда ядра. Даже увеличение числа электронов на внешней оболочке (например, у фтора по сравнению с кислородом) не приводит к увеличению размеров атома. Наоборот, размеры атома фтора меньше, чем атома кислорода.
• При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ АТОМНЫЕ РАДИУСЫ элементов РАСТУТ , потому что заполнено больше электронных оболочек.

г) Закономерности, связанные с валентностью элементов.

• Элементы одной и той же ПОДГРУППЫ имеют аналогичную конфигурацию внешних электронных оболочек и, следовательно, одинаковую валентность в соединениях с другими элементами.
• s-Элементы имеют валентности, совпадающие с номером их группы.
• p-Элементы имеют наибольшую возможную для них валентность, равную номеру группы. Кроме того, они могут иметь валентность, равную разности между числом 8 (октет) и номером их группы (число электронов на внешней оболочке).
• d-Элементы обнаруживают много разных валентностей, которые нельзя точно предсказать по номеру группы.
• Не только элементы, но и многие их соединения — оксиды, гидриды, соединения с галогенами — обнаруживают периодичность. Для каждой ГРУППЫ элементов можно записать формулы соединений, которые периодически «повторяются» (то есть могут быть записаны в виде обобщенной формулы).

Итак, подытожим закономерности изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:

Изменение некоторых характеристик элементов в периодах слева направо:

• радиус атомов уменьшается;
• электроотрицательность элементов увеличивается;
• количество валентных электронов увеличивается от 1 до 8 (равно номеру группы);
• высшая степень окисления увеличивается (равна номеру группы);
• число электронных слоев атомов не изменяется;
• металлические свойства уменьшается;
• неметаллические свойства элементов увеличивается.

Изменение некоторых характеристик элементов в группе сверху вниз:

• заряд ядер атомов увеличивается;
• радиус атомов увеличивается;
• число энергетических уровней (электронных слоев) атомов увеличивается (равно номеру периода);
• число электронов на внешнем слое атомов одинаково (равно номеру группы);
• прочность связи электронов внешнего слоя с ядром уменьшается;
• электроотрицательность уменьшается;
• металличность элементов увеличивается;
• неметалличность элементов уменьшается.

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости

Периодический закон изменения свойств химических элементов был открыт в 1869 году великим русским ученым Д.И. Менделеевым и в первоначальной формулировке звучал следующим образом:

«… свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Атомным весом в те времена называли атомную массу химического элемента. Следует отметить, что в то время не было ничего известно о реальном строении атома и господствовала идея о его неделимости, в связи с чем Д.И. Менделеев сформулировал свой закон периодичного изменения свойств химических элементов и образованных ими соединений исходя из массы атомов. Позже после установления строения атома закон был сформулирован в следующей формулировке актуальной и в настоящий момент.

Свойства атомов химических элементов и образованных ими простых веществ находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.

Графическим изображением периодического закона Д.И. Менделеева можно считать периодическую таблицу химических элементов, впервые построенную самим великим химиком, но несколько усовершенствованную и доработанную последующими исследователями. Фактически используемый в настоящее время вариант таблицы Д.И. Менделеева отражает современные представления и конкретные знания о строении атомов разных химических элементов.

Рассмотрим более детально современный вариант периодической системы химических элементов:

В таблице Д.И. Менделеева можно видеть строки, называемые периодами; всего их насчитывается семь. Фактически номер периода отражает число энергетических уровней, на которых расположены электроны в атоме химического элемента. Например, такие элементы, как фосфор, сера и хлор, обозначаемые символами P, S, и Cl, находятся в третьем периоде. Это говорит о том, что электроны в этих атомах расположены на трех энергетических уровнях или, если говорить более упрощенно, образуют трехслойную электронную оболочку вокруг ядер.

Каждый период таблицы, кроме первого, начинается щелочным металлом и заканчивается благородным (инертным) газом.

Все щелочные металлы имеют электронную конфигурацию внешнего электронного слоя ns1, а благородные газы — ns 2 np 6 , где n – номер периода, в котором находится конкретный элемент. Исключением из благородных газов является гелий (He) с электронной конфигурацией 1s 2 .

Также можно заметить, что помимо периодов таблица делится на вертикальные столбцы — группы, которых насчитывается восемь. Большинство химических элементов имеет равное номеру группы количество валентных электронов. Напомним, что валентными электронами в атоме называются те электроны, которые принимают участие в образовании химических связей.

В свою очередь, каждая группа в таблице делится на две подгруппы – главную и побочную.

Для элементов главных групп количество валентных электронов всегда равно номеру группы. Например, у атома хлора, расположенного в третьем периоде в главной подгруппе VII группы, количество валентных электронов равно семи:

Элементы побочных групп имеют в качестве валентных электроны внешнего уровня или нередко электроны d-подуровня предыдущего уровня. Так, например, хром, находящийся в побочной подгруппе VI группы, имеет шесть валентных электронов – 1 электрон на 4s-подуровне и 5 электронов на 3d-подуровне:

Общее количество электронов в атоме химического элемента равно его порядковому номеру. Другими словами, общее количество электронов в атоме с номером элемента возрастает. Тем не менее, количество валентных электронов в атоме изменяется не монотонно, а периодически – от 1-го у атомов щелочных металлов до 8-ми для благородных газов.

Иными словами, причина периодического изменения каких-либо свойств химических элементов связана с периодическими изменениями в строении электронных оболочек.

При движении вниз по подгруппе атомные радиусы химических элементов возрастают ввиду увеличения количества электронных слоев. Тем не менее, при движении по одному ряду слева направо, то есть с ростом количества электронов для элементов, расположенных в одном ряду, происходит уменьшение радиуса атома. Данный эффект объясняется тем, что при последовательном заполнении одной электронной оболочки атома ее заряд, как и заряд ядра, увеличивается, что приводит к усилению взаимного притяжения электронов, в результате чего электронная оболочка «поджимается» к ядру:

Вместе с тем, внутри одного периода с ростом количества электронов происходит уменьшение радиуса атома, а также возрастает энергия связи каждого электрона внешнего уровня с ядром. Это означает, что, например, ядро атома хлора будет удерживать электроны своего внешнего уровня намного сильнее, чем ядро атома натрия единственный электрон внешнего электронного уровня. Более того, при столкновении атома натрия и хлора хлор «отберет» единственный электрон у атома натрия, то есть электронная оболочка хлора станет такой же, как у благородного газа аргона, а у натрия — такой же, как у благородного газа неона. Способность атома какого-либо химического элемента оттягивать на себя «чужие» электроны при столкновении с атомами другого химического элемента называется электроотрицательностью. Более подробно про электроотрицательность будет рассказано в главе, посвященной химическим связям, но нужно отметить, что, электроотрицательность, как и многие другие параметры химических элементов, также подчиняется периодическому закону Д.И. Менделеева. Внутри одной подгруппы химических элементов электроотрицательность убывает, а при движении по ряду одного периода вправо электроотрицательность возрастает.

Следует усвоить один полезный мнемонический прием, позволяющий восстановить в памяти то, как меняются те или иные свойства химического элемента. Заключается он в следующем. Представим себе циферблат обычных круглых часов. Если его центр поместить в правый нижний угол таблицы Д.И. Менделеева, то свойства химических элементов будут однообразно изменяться при движении по ней вверх и вправо (по часовой стрелке) и противоположно вниз и влево (против часовой стрелки):

Попробуем применить данный прием к размеру атома. Допустим, что вы точно помните, что при движении вниз по подгруппе в таблице Д.И. Менделеева радиус атома увеличивается, поскольку растет число электронных оболочек, но напрочь забыли, как изменяется радиус при движении влево и вправо.

Тогда нужно действовать следующим образом. Поставьте большой палец правой руки в правый нижний угол таблицы. Движение вниз по подгруппе будет совпадать с движением указательного пальца против часовой стрелки, как и движение влево по периоду, то есть радиус атома при движении влево по периоду, как и при движении вниз по подгруппе, увеличивается.

Аналогично и для других свойств химических элементов. Точно зная, как изменяется то или иное свойство элемента при движении вверх-вниз, благодаря данному методу вы сможете восстановить в памяти то, как меняется это же свойство при движении влево или вправо по таблице.

Основная закономерность этого изменения заключается в усилении металлического характера элементов по мере роста Z. Особенно отчетливо эта закономерность проявляется в IIIа-VIIa-подгруппах. Для металлов I А-III А-подгрупп наблюдается рост химической активности. У элементов IVА - VIIА-подгрупп по мере увеличения Z наблюдается ослабление химической активности элементов. У элементов b-подгрупп изменение химической активности более сложно.

Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учеными в 20-х гг. ХХ в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов. Согласно этой теории, по мере роста Z заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах элементов, входящих в периоды периодической системы, происходит в следующей последовательности:

Номера периодов
1 2 3 4 5 6 7
1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p

На основании теории периодической системы можно дать следующее определение периода: период есть совокупность элементов, начинающаяся элементом со значением n. равным номеру периода, и l=0 (s-элементы) и заканчивающаяся элементом с тем же значением n и l = 1 (р-элементы) (см. Атом). Исключение составляет первый период, содержащий только 1s-элементы. Из теории периодической системы следуют и числа элементов в периодах: 2, 8, 8. 18, 18, 32...

На рисунке символы элементов каждого типа (s-, р-, d- и f-элементы) изображены на определенном цветовом фоне: s-элементы - на красном, р-элементы - на оранжевом, d-элементы - на синем, f-элементы - на зеленом. В каждой клетке приведены порядковые номера и атомные массы элементов, а также электронные конфигурации внешних электронных оболочек, которые в основном и определяют химические свойства элементов.

Из теории периодической системы следует, что к а-подгруппам принадлежат элементы с и, равным номеру периода, и l=0 и 1. К b-подгруппам относятся те элементы, в атомах которых происходит достройка оболочек, ранее остававшихся незавершенными. Именно поэтому первый, второй и третий периоды не содержат элементов b-подгрупп.

Структура периодической системы химических элементов тесно связана со строением атомов химических элементов. По мере роста Z периодически повторяются сходные типы конфигурации внешних электронных оболочек. А именно они определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности по-разному проявляются для элементов A-подгрупп (s- и р-элементы), для элементов b-подгрупп (переходные d-элементы) и элементов f-семейств - лантаноидов и актиноидов. Особый случай представляют элементы первого периода - водород и гелий. Для водорода характерна высокая химическая активность, потому что его единственный b-электрон легко отщепляется. В то же время конфигурация гелия (1st) весьма устойчива, что обусловливает его полную химическую бездеятельность.

У элементов А-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек (с n, равным номеру периода); поэтому свойства этих элементов заметно изменяются по мере роста Z. Так, во втором периоде литий (конфигурация 2s) - активный металл, легко теряющий единственный валентный электрон; бериллий (2s~) - также металл, но менее активный вследствие того, что его внешние электроны более прочно связаны с ядром. Далее, бор (2з"р) имеет слабо выраженный металлический характер, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит построение 2р-подоболочки, являются уже неметаллами. Восьмиэлектронная конфигурация внешней электронной оболочки неона (2s~р~) - инертного газа - очень прочна.

Химические свойства элементов второго периода объясняются стремлением их атомов приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (конфигурацию гелия - для элементов от лития до углерода или конфигурацию неона - для элементов от углерода до фтора). Вот почему, например, кислород не может проявлять высшей степени окисления, равной номеру группы: ведь ему легче достичь конфигурации неона путем приобретения дополнительных электронов. Такой же характер изменения свойств проявляется у элементов третьего периода и у s- и р-элементов всех последующих периодов. В то же время ослабление прочности связи внешних электронов с ядром в А-подгруппах по мере роста Z проявляется в свойствах соответствующих элементов. Так, для s-элементов отмечается заметный рост химической активности по мере роста Z, а для р-элементов - нарастание металлических свойств.

В атомах переходных d-элементов достраиваются не завершенные ранее оболочки со значением главного квантового числа и, на единицу меньшим номера периода. За отдельными исключениями, конфигурация внешних электронных оболочек атомов переходных элементов - ns . Поэтому все d-элементы являются металлами, и именно поэтому изменения свойств 1-элементов по мере роста Z не так резки, как мы это видели у s и р-элементов. В высших степенях окисления d-элементы проявляют определенное сходство с р-элементами соответствующих групп периодической системы.

Особенности свойств элементов триад (VIII b-подгруппа) объясняются тем, что d-подоболочки близки к завершению. Вот почему железо, кобальт, никель и платиновые металлы, как правило, не склонны давать соединения высших степеней окисления. Исключение составляют лишь рутений и осмий, дающие оксиды RuO4 и OsO4. У элементов I- и II B-подгрупп d-подоболочка фактически оказывается завершенной. Поэтому они проявляют степени окисления, равные номеру группы.

В атомах лантаноидов и актиноидов (все они металлы) происходит достройка ранее не завершенных электронных оболочек со значением главного квантового числа и на две единицы меньше номера периода. В атомах этих элементов конфигурация внешней электронной оболочки (ns2) сохраняется неизменной. В то же время f-электроны фактически не оказывают влияния на химические свойства. Вот почему лантаноиды так сходны.

У актиноидов дело обстоит гораздо сложнее. В интервале зарядов ядер Z = 90 - 95 электроны бd и 5/ могут принимать участие в химических взаимодействиях. А отсюда следует, что актиноиды проявляют гораздо более широкий диапазон степеней окисления. Например, для нептуния, плутония и америция известны соединения, где эти элементы выступают в семи валентном состоянии. Только у элементов, начиная с кюрия (Z = = 96), становится устойчивым трехвалентное состояние. Таким образом, свойства актиноидов значительно отличаются от свойств лантаноидов, и оба семейства поэтому нельзя считать подобными.

Семейство актиноидов заканчивается элементом с Z = 103 (лоуренсий). Оценка химических свойств курчатовия (Z = 104) и нильсбория (Z = 105) показывает, что эти элементы должны быть аналогами соответственно гафния и тантала. Поэтому ученые полагают, что после семейства актиноидов в атомах начинается систематическое заполнение 6d-подоболочки.

Конечное число элементов, которое охватывает периодическая система, неизвестно. Проблема ее верхней границы - это, пожалуй, основная загадка периодической системы. Наиболее тяжелый элемент, который удалось обнаружить в природе,- это плутоний (Z = = 94). Достигнутый предел искусственного ядерного синтеза - элемент с порядковым номером 107. Остается открытым вопрос: удастся ли получить элементы с большими порядковыми номерами, какие и сколько? На него нельзя пока ответить сколь-либо определенно.

Одним из важнейших законов природы является периодический закон, открытый в 1869 г. Менделеевым, который он сформулировал так: "Свойства простых веществ, также формы и свойства соединений находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов".

С развитием квантовой химии периодический закон получил строгое теоретическое обоснование, а с ним и новую формулировку: "Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов".

До Менделеева многие пытались систематизировать элементы, наиболее близко подошел Майер (Германия). В 1864 г. в своей книге он привел таблицу, в которой элементы были также расположены в порядке возрастания их атомных масс, но в эту таблицу Майер поместил всего 27 элементов, меньше половины, известных в то время. Заслуга Менделеева, что в его таблице нашлось место не только всем известным элементам, но были оставлены пустые места для еще не открытых элементов (экабор – Sc, экаалюминий – Ga, экасилиций – Ge).

С точки зрения электронного строения атома:

Периодом называют горизонтальную последовательность элементов, начинающуюся со щелочного металла и заканчивающуюся благородным газом с тем же максимальным значением главного квантового числа, равного номеру периода.

Число элементов в периоде определяется емкостью подуровней.

Группой элементов называют вертикальную совокупность элементов, обладающую однотипной электронной конфигурацией и определенным химическим сходством. Номер группы (за исключением I, II, VIII побочных подгрупп) равен сумме валентных электронов.

Кроме деления по периодам (определяемое главным квантовым числом) существует деление на семейства , определяемое орбитальным квантовым числом. Если у элемента заполняется s-подуровень, то s-семейство или s-элемент; p-подуровень – p‑элемент; d-подуровень – d-элемент; f-подуровень – f-элемент.

В короткопериодной форме периодической системы 8 групп, каждая из которых делится на главную и побочную подгруппы. I и II главные подгруппы заполняются s-элементами; III‑VIII главные подгруппы – р-элементами. d-элементы находятся в побочных подгруппах. f-элементы вынесены в отдельные группы.

Таким образом, каждый элемент в периодической системе элементов занимает строго определенное место, которое отмечается порядковым номером и связано со строением электронных оболочек атома.

1.2.1. Закономерности изменения свойств элементов и их соединений по периодам и группам

Экспериментальными исследованиями была установлена зависимость химических и физических свойств элементов от их положения в периодической системе.

Энергией ионизации называется энергия, которую надо затратить для отрыва и удаления электрона от атома, иона или молекулы. Она выражается в Дж или эВ (1эВ=1,6 . 10 -19 Дж).

Энергия ионизации является мерой восстановительной способности атома. Чем ниже значение энергии ионизации, тем выше восстановительная способность атома. Атомы, теряя электрон, превращаются в положительно заряженные ионы.

Сродство к электрону называется энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому, молекуле или радикалу.

Энергия сродства к электрону атомов закономерно изменяется в соответствии с характером электронных структур атомов элементов. В периодах слева направо сродство к электрону и окислительные свойства элементов возрастают. В группах сверху вниз сродство к электрону, как правило, уменьшается.

Галогены отличаются самым высоким сродством к электрону, т.к. присоединяя один электрон к нейтральному атому, она приобретает законченную электронную конфигурацию благородного газа.

Характеристика о том, какой из атомов легче отдает или присоединяет электрон, называется электроотрицательностью которая равна полусумме энергии ионизации и сродства к электрону.

Электроотрицательность возрастает в направлении слева направо для элементов каждого периода и уменьшается в направлении сверху вниз для элементов одной и той же группы ПС.

Атомные и ионные радиусы

Атомы и ионы не имеют строго определенных границ вследствие волновой природы электронов. Поэтому определяют условные радиусы атомов и ионов, связанных друг с другом химической связью в кристаллах.

Радиусы атомов металлов в периодах с ростом порядкового номера элементов уменьшаются , т.к. при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а, следовательно, и притяжение им электронов.

В пределах каждой группы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз , т.к. возрастает число энергетических уровней. Радиусы ионов также находятся в периодической зависимости от порядкового номера элемента.

Пример. Как изменяются размеры атомов внутри периода, при переходе от одного периода к другому и в пределах одной группы? Какие элементы имеют минимальное и максимальное значения размера атома?

Внутри периода (слева направо) размеры атомов уменьшаются, т.к. увеличивается заряд ядра и электроны сильнее притягиваются к ядру. В главных подгруппах размеры атомов увеличиваются, т.к. увеличивается число электронных слоев. В побочных подгруппах такие изменения меньше заметны, за счет d -сжатия, а при переходе из V в VI период происходит даже уменьшение уменьшение размеров атомов за счет f -сжатия.

Согласно этим правилам минимальное значение размера атома имеет гелий , а максимальное – цезий . Франций не имеет долгоживущих изотопов (природный изотоп радиоактивен, период полураспада 21 минута).

Металлы и неметаллы. Деление элементов и простых веществ на металлы и неметаллы в известной степени условно.

По физическим свойствам металлы характеризуются высокой теплопроводностью и электрической проводимостью, отрицательным температурным коэффициентом проводимости, специфическим металлическим блеском, ковкостью, пластичностью и т.п.

По химическим свойствам металлы характеризуются основными свойствами оксидов и гидроксидов и восстановительными свойствами.

Подобные различия в свойствах простых веществ связаны с характером химической связи при их образовании. Металлическая связь в металлах образуется при дефиците валентных электронов, а ковалентная в неметаллах при их достаточном количестве. Исходя из этого, можно провести вертикальную границу между элементами IIIA и IV групп. Слева – элементы с дефицитом валентных электронов, справа – с избытком. Это граница Цинтля.

Пример. Чем отличаются типичные металлы от неметаллов? Почему и как изменяются металлические свойства с увеличением порядкового номера элементов?

В периодической системе элементов в основном находятся металлы, неметаллов немного (всего 22). К металлам относятся все s -элементы. Это связано с наличием у них малого числа валентных электронов (1 или 2), в результате этого дефицита электронов образуется металлическая связь.

Все d - и f -элементы тоже являются металлами. При образовании химических связей в качестве валентных электронов у атомов d -элементов выступают s -электроны внешнего энергетического уровня и часть или все d -электроны предпоследнего уровня, причем d -электроны участвуют в образовании химических связей лишь после того, как будут связаны все внешние s -электроны. Кроме того, легкости удаления s -электронов способствует эффект экранирования заряда ядра. Он состоит в уменьшении воздействия на электрон положительного заряда ядра из-за наличия между рассматриваемым электроном и ядром других электронов (это d - или f -электроны).

У р-элементов происходит конкуренция между увеличением числа валентных электронов (неметаллические свойства) и экранированием заряда ядра (усиливаются металлические свойства). В связи с этим у р-элементов по подгруппе сверху вниз увеличивается устойчивость низших степеней окисления.

По периоду справа налево увеличиваются неметаллические свойства атомов, за счет увеличения заряда ядра атома и трудности отдачи электронов. По подгруппе сверху вниз увеличиваются металлические свойства, т. к. ослабевает связь внешних электронов с ядром.

Свойства соединений подразделяются на кислотно-основные и окислительно-восстановительные. Периодическая система элементов хорошо объясняет эти закономерности. Рассмотрим это на примере гидроксидов.

Если элемент имеет степень окисления маленькую (+1 или +2), например, Na-O-H, то связь Na-O менее прочная, чем O-H и разрыв связи происходит по менее прочной связи.

Na-O-H  Na + + OH - . Соединение обладает основными свойствами.

Если степень окисления элемента большая (от +5 до +7), то связь элемент – кислород прочнее, чем связь О-Н и соединение обладает кислотными свойствами. В азотной кислоте степень окисления азота большая (+5).

 H + + NO 3 -

Соединения в степени окисления +3 и +4 проявляют амфотерные свойства, т.е. в зависимости от партнера по реакции могут проявлять как кислотные, так и основные свойства. Но есть исключения Zn +2 , Be +2 , Sn +2 , Pb +2 , Ge +2 имеют степень окисления +2, но являются амфотерными соединениями.

По периоду справа налево увеличивается высшая степень окисления, равная номеру группы, поэтому увеличиваются неметаллические и кислотные свойства .

По подгруппе сверху вниз увеличиваются металлические и основные свойства , т.к. увеличивается размер атома и связь с соседним атомом ослабляется.

Таким образом, периодическая система позволяет проанализировать положение простых веществ в связи с особенностями их свойств (металлы, неметаллы).

Периодический закон Менделеева дает возможность определять и свойства простых веществ в химических соединениях. Впервые предсказание свойств было осуществлено самим Менделеевым. Он рассчитал свойства и тех элементов, которые еще не были открыты.