Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер

Периодическая система химических элементов - это классификация химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым на основе открытого им в 1869 г. периодического закона.

Д. И. Менделеев

Согласно современной формулировке этого закона, в непрерывном ряду элементов, расположенных в порядке возрастания величины положительного заряда ядер их атомов, периодически повторяются элементы со сходными свойствами.

Периодическая система химических элементов, представленная в виде таблицы, состоит из периодов, рядов и групп.

В начале каждого периода (за исключением первого) находится элементе ярко выраженными металлическими свойствами (щелочной металл).

Условные обозначения к цветной таблице: 1 - химический знак элемента; 2 - название; 3 - атомная масса (атомный вес); 4 - порядковый номер; 5 - распределение электронов по слоям.

По мере возрастания порядкового номера элемента, равного величине положительного заряда ядра его атома, постепенно ослабевают металлические и нарастают неметаллические свойства. Предпоследним элементом в каждом периоде является элемент с ярко выраженными неметаллическими свойствами (), а последним - инертный газ. В I периоде находятся 2 элемента, во II и III - по 8 элементов, в IV и V - по 18, в VI - 32 и в VII (не завершенном периоде) - 17 элементов.

Первые три периода называют малыми периодами, каждый из них состоит из одного горизонтального ряда; остальные - большими периодами, каждый из которых (исключая VII период) состоит из двух горизонтальных рядов - четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов находятся только металлы. Свойства элементов в этих рядах с возрастанием порядкового номера изменяются слабо. Свойства элементов в нечетных рядах больших периодов меняются. В VI периоде за лантаном следуют 14 элементов, весьма сходных по химическим свойствам. Эти элементы, называемые лантаноидами, приведены отдельно под основной таблицей. Аналогично представлены в таблице и актиноиды - элементы, следующие за актинием.

В таблице имеется девять вертикальных групп. Номер группы, за редким исключением, равен высшей положительной валентности элементов данной группы. Каждая группа, исключая нулевую и восьмую, подразделяется на подгруппы. - главную (расположена правее) и побочную. В главных подгруппах с увеличением порядкового номера усиливаются металлические и ослабевают неметаллические свойства элементов.

Таким образом, химические и ряд физических свойств элементов определяются местом, которое занимает данный элемент в периодической системе.

Биогенные элементы, т. е. элементы, входящие в состав организмов и выполняющие в нем определенную биологическую роль, занимают верхнюю часть таблицы Менделеева. В голубой цвет окрашены клетки, занимаемые элементами, составляющими основную массу (более 99%) живого вещества, в розовый цвет - клетки, занимаемые микроэлементами (см.).

Периодическая система химических элементов является крупнейшим достижением современного естествознания и ярким выражением наиболее общих диалектических законов природы.

См. также , Атомный вес.

Периодическая система химических элементов - естественная классификация химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым на основе открытого им в 1869 г. периодического закона.

В первоначальной формулировке периодический закон Д. И. Менделеева утверждал: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. В дальнейшем с развитием учения о строении атома было показано, что более точной характеристикой каждого элемента является не атомный вес (см.), а величина положительного заряда ядра атома элемента, равная порядковому (атомному) номеру этого элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Число положительных зарядов ядра атома равно числу электронов, окружающих ядро атома, поскольку атомы в целом электронейтральны. В свете этих данных периодический закон формулируется так: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядер их атомов. Это значит, что в непрерывном ряду элементов, расположенных в порядке возрастания положительных зарядов ядер их атомов, будут периодически повторяться элементы со сходными свойствами.

Табличная форма периодической системы химических элементов представлена в ее современном виде. Она состоит из периодов, рядов и групп. Период представляет последовательный горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания положительного заряда ядер их атомов.

В начале каждого периода (за исключением первого) находится элемент с ярко выраженными металлическими свойствами (щелочной металл). Затем по мере увеличения порядкового номера постепенно ослабевают металлические и нарастают неметаллические свойства элементов. Предпоследним элементом в каждом периоде является элемент с ярко выраженными неметаллическими свойствами (галоген), а последним - инертный газ. I период состоит из двух элементов, роль щелочного металла и галогена здесь одновременно выполняет водород. II и III периоды включают по 8 элементов, названных Менделеевым типическими. IV и V периоды насчитывают по 18 элементов, VI-32. VII период еще не завершен и пополняется искусственно создаваемыми элементами; в настоящее время в этом периоде насчитывается 17 элементов. I, II и III периоды называют малыми, каждый из них состоит из одного горизонтального ряда, IV-VII- большими: они (за исключением VII) включают два горизонтальных ряда - четный (верхний) и нечетный (нижний). В четных рядах больших периодов находятся только металлы, и изменение свойств элементов в ряду слева направо выражено слабо.

В нечетных рядах больших периодов свойства элементов в ряду изменяются так же, как свойства типических элементов. В четном ряду VI периода после лантана следует 14 элементов [называемых лантанидами (см.), лантаноидами, редкоземельными элементами], сходных по химическим свойствам с лантаном и между собой. Перечень их приводится отдельно под таблицей.

Отдельно выписаны и приведены под таблицей элементы, следующие за актинием- актиниды (актиноиды).

В периодической системе химических элементов по вертикалям расположено девять групп. Номер группы равен высшей положительной валентности (см.) элементов этой группы. Исключение составляют фтор (бывает только отрицательно одновалентным) и бром (не бывает семивалентным); кроме того, медь, серебро, золото могут проявлять валентность больше +1 (Cu-1 и 2, Ag и Au-1 и 3), а из элементов VIII группы валентностью +8 обладают только осмий и рутений. Каждая группа, за исключением восьмой и нулевой, делится на две подгруппы: главную (расположена правее) и побочную. В главные подгруппы входят типические элементы и элементы больших периодов, в побочные - только элементы больших периодов и притом металлы.

По химическим свойствам элементы каждой подгруппы данной группы значительно отличаются друг от друга и только высшая положительная валентность одинакова для всех элементов данной группы. В главных подгруппах сверху вниз усиливаются металлические свойства элементов и ослабевают неметаллические (так, франций является элементом с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами, а фтор - неметаллическими). Таким образом, место элемента в периодической системе Менделеева (порядковый номер) определяет его свойства, которые представляют собой среднее из свойств соседних элементов по вертикали и горизонтали.

Некоторые группы элементов носят особые названия. Так, элементы главных подгрупп I группы называют щелочными металлами, II группы - щелочноземельными металлами, VII группы - галогенами, элементы, расположенные за ураном,- трансурановыми. Элементы, которые входят в состав организмов, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают явно выраженной биологической ролью, называют биогенными элементами. Все они занимают верхнюю часть таблицы Д. И. Менделеева. Это в первую очередь О, С, Н, N, Са, Р, К, S, Na, Cl, Mg и Fe, составляющие основную массу живого вещества (более 99%). Места, занимаемые этими элементами в периодической системе, окрашены в светло-голубой цвет. Биогенные элементы, которых в организме очень мало (от 10 -3 до 10 -14 %), называют микроэлементами (см.). В клетках периодической системы, окрашенных в желтый цвет, помещены микроэлементы, жизненно важное значение которых для человека доказано.

Согласно теории строения атомов (см. Атом) химические свойства элементов зависят в основном от числа электронов на внешней электронной оболочке. Периодическое изменение свойств элементов с увеличением положительного заряда атомных ядер объясняется периодическим повторением строения наружной электронной оболочки (энергетического уровня) атомов.

В малых периодах с увеличением положительного заряда ядра возрастает число электронов на внешней оболочке от 1 до 2 в I периоде и от 1 до 8 во II и III периодах. Отсюда изменение свойств элементов в периоде от щелочного металла до инертного газа. Внешняя электронная оболочка, содержащая 8 электронов, является завершенной и энергетически устойчивой (элементы нулевой группы химически инертны).

В больших периодах в четных рядах с ростом положительного заряда ядер число электронов на внешней оболочке остается постоянным (1 или 2) и идет заполнение электронами второй снаружи оболочки. Отсюда медленное изменение свойств элементов в четных рядах. В нечетных рядах больших периодов с увеличением заряда ядер идет заполнение электронами внешней оболочки (от 1 до 8) и свойства элементов изменяются так, как и у типических элементов.

Число электронных оболочек в атоме равно номеру периода. Атомы элементов главных подгрупп имеют на внешних оболочках число электронов, равное номеру группы. Атомы элементов побочных подгрупп содержат на внешних оболочках один или два электрона. Этим объясняется различие в свойствах элементов главной и побочной подгрупп. Номер группы указывает возможное число электронов, которые могут участвовать в образовании химических (валентных) связей (см. Молекула), поэтому такие электроны называют валентными. У элементов побочных подгрупп валентными являются не только электроны внешних оболочек, но и предпоследних. Число и строение электронных оболочек указано в прилагаемой периодической системе химических элементов.

Периодический закон Д. И. Менделеева и основанная на нем система имеют исключительно большое значение в науке и практике. Периодический закон и система явились основой для открытия новых химических элементов, точного определения их атомных весов, развития учения о строении атомов, установления геохимических законов распределения элементов в земной коре и развития современных представлений о живом веществе, состав которого и связанные с ним закономерности находятся в соответствии с периодической системой. Биологическая активность элементов и их содержание в организме также во многом определяются местом, которое они занимают в периодической системе Менделеева. Так, с увеличением порядкового номера в ряде групп возрастает токсичность элементов и уменьшается их содержание в организме. Периодический закон является ярким выражением наиболее общих диалектических законов развития природы.

На основе Периодического закона Д.И. Менделеев создал Периодическую систему химических элементов. В связи с открытием закона Мозле современная формулировка периодического закона следующая: свойство элементов, а так же формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Связь периодического закона и периодической системы со строением атомов.

Итак, главной характеристикой атома является не атомная масса, а величина положительного заряда ядра. Это более общая точная характеристика атома, а значит, и элемента. От величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства Элемента и его положение в периодической системе. Таким образом, порядковый номер химического элемента численно совпадает с зарядом ядра его атома. Периодическая система элементов является графическим изображением периодического закона и отражает строение атомов элементов. Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов. Возрастание положительного заряда атомных ядер от 1-до 110 приводит к периодическому повторению у атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. А поскольку от числа электронов на внешнем уровне в основном зависят свойства элементов; то и они периодически повторяются. В этом физический смысл периодического закона. В качестве примера рассмотрим изменение свойств у первых и последних элементов периодов. Каждый период в периодической системе начинается элементами атомы, которых на внешнем уровне имеют один s-электрон (незавершенные внешние уровни) и потому проявляют сходные свойства - легко отдают валентные электроны, что обуславливает их металлический характер.

Основные принципы заполнения Атомных Орбиталей электронами. Принцип Паули, правило Хунда. Принцип Паули : у атомов, имеющих больше одного электрона, не может быть 2х электронов с одинаковыми значениями всех 4х квантовых чисел. Следствие: на каждой АО максимально может находится только два электрона с антипараллельными спинами.

Подуровни p, d и f состоят из нескольких орбиталей, энергия которых одинакова, поэтому эти подуровни называются «вырожденными»: p подуровень вырожден трехкратно, d пятикратно и f семикратно. Для электронов этих подуровней соблюдается правило Хунда.

Правило Хунда : в основном (невозбужденном) состоянии атома на подуровнях np, nd и nf всегда имеется максимальное количество неспаренных электронов (максимальный неспаренный спин).

Правило Хунда. Минимумом энергии обладает конфигурация с максимальным сумм. спином.

Особенности формирования d- и f-подуровней . Принцип минимума энергии: состояние электрона должно отвечать основному принципу – принципу минимума энергии. Энергия задается: Е= n+l. Минимум энергии соответствует максимуму устойчивости. На внешнем уровне не может быть более 8 электронов.

Правило Кличковского : Энергетические подуровни заполняются в порядке увеличения суммы квантовых чисел (n+l). При равных значениях суммы сначала заполняется подуровень

с меньшим n.

Во всех вариантах Периодической системы она состоит из 7 периодов, причем номер периода соответствует главному квантовому числу внешнего энергетического уровня. Во всех вариантах выделены отдельные столбцы s-, p-, d-, f- элементов, т.е. элементов, у которых идет заполнение

соответствующего энергетического подуровня. Эти блоки элементов имеют и сходные химические свойства. Во всех вариантах (а в полудлинном и длинном особенно явно) действует «диагональное правило» - все элементы ниже условной диагонали являются металлами, а

выше – неметаллами, причем справа налево и сверху вниз усиливаются

металлические свойства.

В соответствии с современными представлениями о структуре атомов все элементы подразделяются на 4 группы, исходя из того, какие их орбитали в основном состоянии имеют наибольшую энергию. Таким образом выделяются s -, p -, d -, f- элементы.

Группа периодической системы химических элементов - последовательность атомов по возрастанию заряда ядра, обладающих однотипным электронным строением.

Номер группы определяется количеством электронов на внешней оболочке атома (валентных электронов) и, как правило, соответствует высшей валентности атома.

В короткопериодном варианте периодической системы группы подразделяются на подгруппы - главные (или подгруппы A), начинающиеся с элементов первого и второго периодов, и побочные (подгруппы В), содержащие d-элементы. Подгруппы также имеют названия по элементу с наименьшим зарядом ядра (как правило, по элементу второго периода для главных подгрупп и элементу четвёртого периода для побочных подгрупп). Элементы одной подгруппы обладают сходными химическими свойствами.

С возрастанием заряда ядра у элементов одной группы из-за увеличения числа электронных оболочек увеличиваются атомные радиусы, вследствие чего происходит снижение электроотрицательности, усиление металлических и ослабление неметаллических свойств элементов, усиление восстановительных и ослабление окислительных свойств образуемых ими веществ.

Объем научной информации, с которой оперирует система Д. И. Менделеева и на которую

опирается развитие ее теории, становится все шире и шире. Сами границы периодической системы расширяются и в переносном, и в буквальном смысле слова . Все это, естественно, позволяет более глубоко и всесторонне исследовать лежащие в остове структуры системы закономерности.

Периодичность изменения свойств атомов химических элементов. Радиусы атомов и ионов. Изменение атомных и ионных радиусов по периодам и группам. Эффекты d- и f- сжатия. Ионизационные потенциалы. Изменение величин ионизационных потенциалов по периодам и группам. Сродство к электрону. Понятие об электроотрицательности атомов химических элементов. Изменение величин электроотрицательности атомов элементов по периодам и группам.

Периодичность свойств атомов химических элементов. Свойства элементов, зависящие от строения электронной оболочки атома, изменяются по периодам и группам периодической системы. Поскольку в ряду элементов-аналогов электронные структуры лишь сходны, но не тождественны, то при переходе от одного элемента в группе к другому для них наблюдается не простое повторение свойств, а их более или менее отчетливо выраженное закономерное изменение. Химическая природа элемента обусловлена способностью его атома терять или приобретать электроны. Эта способность количественно оценивается величинами энергий ионизации и сродства к электрону. Энергией ионизации (Eи) называется минимальное количество энергии, необходимое для отрыва и полного удаления электрона из атома в газовой фазе при T = 0 K без передачи освобожденному электрону кинетической энергии с превращением атома в положительно заряженный ион: Э + Eи = Э+ + e-

Энергия ионизации является положительной величиной и имеет наименьшие значения у атомов щелочных металлов и наибольшие у атомов благородных (инертных) газов.

Сродством к электрону (Ee) называется энергия, выделяемая или поглощаемая при присоединении электрона атому в газовой фазе при T = 0

K с превращением атома в отрицательно заряженный ион без передачи частице кинетической энергии: Э + e- = Э- + Ee.

Максимальным сродством к электрону обладают галогены, особенно фтор (Ee = -328 кДж/моль).

Величины Eи и Ee выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электрон-вольтах на атом (эВ). Способность связанного атома смещать к себе электроны химических связей, повышая около себя электронную плотность называется электроотрицательностью. Это понятие в науку введено Л.Полингом. Электроотрицательность обозначается символом ÷ и характеризует стремление данного атома к присоединению электронов при образовании им химической связи. Для количественной оценки ÷ предложено несколько различных методов.

По Р.Маликену электротрицательность атома оценивается полу-суммой энергий ионизации и сродства к электрону свободных атом ÷ = (Ee + Eи)/2

Наибольшее распространение в учебной литературе получила шкала электроотрицательностей, предложенная Л.Полингом, которую и рекомендуется применять. В этой шкале электроотрицательность выражается в относительных величинах. За единицу шкалы Полинга условно принята электроотрицательность атома лития (÷ = 1.0), а обладающий наибольшей способностью притягивать электроны атом фтора имеет ÷= 4.0. Значения электроотрицательностей атомов химических элементов по Полингу приведены в таблице.

В периодах наблюдается общая тенденция роста энергии ионизации и электроотрицательности с ростом заряда ядра атома, в группах эти величины с увеличением порядкового номера элемента убывают. Следует подчеркнуть, что элементу нельзя приписать постоянное значение электроотрицательности, так как оно зависит от многих факторов, в частности от валентного состояния элемента, типа соединения, в которое он входит, числа и вида атомов-соседей.

Атомные и ионные радиусы . Размеры атомов и ионов определяются размерами электронной оболочки. Согласно квантово-механическим представления электронная оболочка не имеет строго определенных границ. Поэтому за радиус свободного атома или иона можно принять теоретически рассчитанное расстояние от ядра до положения главного максимума плотности внешних электронных облаков. Это расстояние называется орбитальным радиусом. На практике обычно используют значения радиусов атомов и ионов, находящихся в соединениях, вычисленные исходя из экспериментальных данных. При этом различают ковалентные и металлические радиусы атомов. Зависимость атомных и ионных радиусов от заряда ядра атома элемента и носит периодический характер. В периодах по мере увеличения атомного номера радиусы имеют тенденцию к уменьшению. Наибольшее уменьшение характерно для элементов малых периодов, поскольку у них заполняется внешний электронный уровень. В больших периодах в семействах d- и f- элементов это изменение менее резкое, так как у них заполнение электронов происходит в предвнешнем слое. В подгруппах радиусы атомов и однотипных ионов в общем увеличиваются.

Основы термохимии. Понятие об энтальпии. Изохорные, изобарные и изотермические процессы. Изменение энтальпии в процессе химической реакции. Тепловой эффект химической реакции. Экзо- и эндотермические реакции. Стандартная энтальпия образования вещества. Закон Гесса. Изменение энтальпии и направление химической реакции.

Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии (обычно в виде теплоты). Химические реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими , а реакции, протекающие с поглощением теплоты, – эндотермическими.

Например:

С + О2 CO2 + Q,

СaCO3 CaO + CO2 – Q.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q).

Тепловой эффект выражается в кДж или ккал

(1 ккал = 4,187 кДж). Для экзотермических реакций Q > 0, для эндотермических Q < 0.

Уравнения химических реакций, в которых записывается тепловой эффект реакции, называют термохимическими уравнениями. Величина Q указывается в правой части уравнения со знаком «+» в случае экзотермической реакции и со знаком «–» в случае эндотермической реакции. В термохимическом уравнении принято указывать агрегатные состояния реагентов и продуктов реакции, т.к. тепловой эффект реакции зависит от агрегатных состояний реагирующих веществ. По термохимическим уравнениям можно проводить различные расчеты, поскольку тепловой эффект реакции относится к мольным количествам исходных веществ и продуктов реакции. Также термохимические уравнения можно записывать с величиной изменения энтальпии (Н).

Энтальпия – термодинамическая функция, определяющая общий запас энергии системы (энергетическое состояние вещества), включая энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления. Q = –H. Размерность энтальпии – Дж/моль.

Например:

С + О2 CO2 – Н,

Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам

Перечислим закономерности изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:

— металлические свойства уменьшаются;

— неметаллические свойства усиливаются;

— степень окисления элементов в высших оксидах возрастает от $+1$ до $+7$ ($+8$ для $Os$ и $Ru$);

— степень окисления элементов в летучих водородных соединениях возрастает от $-4$ до $-1$;

— оксиды от основных через амфотерные сменяются кислотными оксидами;

— гидроксиды от щелочей через амфотерные сменяются кислотами.

Д. И. Менделеев в $1869$ г. сделал вывод — 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 образуемых ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы — группы.

Иногда, в нарушение выявленной им закономерности, Менделеев ставил более тяжелые элементы с меньшими значениями относительных атомных масс. Например, он записал в свою таблицу кобальт перед никелем, теллур перед йодом, а когда были открыты инертные (благородные) газы, — аргон перед калием. Такой порядок расположения Менделеев считал необходимым потому, что иначе эти элементы попали бы в группы несходных с ними по свойствам элементов, в частности щелочной металл калий попал бы в группу инертных газов, а инертный газ аргон — в группу щелочных металлов.

Д. И. Менделеев не мог объяснить эти исключения из общего правила, не мог объяснить и причину причину периодичности свойств элементов и образованных ими веществ. Однако он предвидел, что эта причина кроется в сложном строении атома, внутреннее строение которого в то время не было изучено.

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, т.е. раскрывают физический смысл номера периода, номера группы и порядкового номера элемента.

Строение атома позволяет объяснить и причины изменения металлических и неметаллических свойств элементов в периодах и группах.

Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева обобщают сведения о химических элементах и образованных ими веществах и объясняют периодичность в изменении их свойств и причину сходства свойств элементов одной и той же группы. Эти два важнейших значения Периодического закона и Периодической системы дополняет еще одно, которое заключается в возможности прогнозировать, т.е. предсказывать, описывать свойства и указывать пути открытия новых химических элементов.

Общая характеристика металлов главных подгрупп I±III групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и особенностями строения их атомов

Химические элементы — металлы

Большинство химических элементов относят к металлам — $92$ из $114$ известных элементов.

Все металлы, кроме ртути, в обычном состоянии — твердые вещества и имеют ряд общих свойств.

Металлы — это ковкие, пластичные, тягучие вещества, имеющие металлический блеск и способны проводить тепло и электрический ток.

Атомы элементов-металлов отдают электроны внешнего (а некоторые и предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы.

Это свойство атомов металлов, как вы знаете, определяется тем, что они имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (в основном от $1$ до $3$ на внешнем слое).

Исключение составляют лишь $6$ металлов: атомы германия, олова, свинца на внешнем слое имеют $4$ электрона, атомы сурьмы и висмута — $5$, атомы полония — $6$.

Для атомов металлов характерны небольшие значения электроотрицательности (от $0.7$ до $1.9$) и исключительно восстановительные свойства, т.е. способность отдавать электроны.

Вы уже знаете, что в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева металлы находятся ниже диагонали бор — астат, а также выше ее, в побочных подгруппах. В периодах и главных подгруппах действуют известные вам закономерности в изменении металлических, а значит, восстановительных свойств атомов элементов.

Химические элементы, расположенные вблизи диагонали бор — астат ($Be, Al, Ti, Ge, Nb, Sb$), обладают двойственными свойствами: в одних своих соединениях ведут себя как металлы, в других проявляют свойства неметаллов.

В побочных подгруппах восстановительные свойства металлов с увеличением порядкового номера чаще всего уменьшаются.

Это можно объяснить тем, что на прочность связи валентных электронов с ядром у атомов этих металлов в большей степени влияет величина заряда ядра, а не радиус атома. Величина заряда ядра значительно увеличивается, притяжение электронов к ядру усиливается. Радиус атома при этом хотя и увеличивается, но не столь значительно, как у металлов главных подгрупп.

Простые вещества, образованные химическими элементами — металлами, и сложные металлосодержащие вещества играют важнейшую роль в минеральной и органической «жизни» Земли. Достаточно вспомнить, что атомы (ионы) элементов металлов являются составной частью соединений, определяющих обмен веществ в организме человека, животных. Например, в крови человека найдено $76$ элементов, из них только $14$ не являются металлами. В организме человека некоторые элементы- металлы (кальций, калий, натрий, магний) присутствуют в большом количестве, т.е. являются макроэлементами. А такие металлы, как хром, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден присутствуют в небольших количествах, т.е. это микроэлементы.

Особенности строения металлов главных подгрупп I-III групп.

Щелочные металлы — это металлы главной подгруппы I группы. Их атомы на внешнем энергетическом уровне имеют по одному электрону. Щелочные металлы — сильные восстановители. Их восстановительная способность и химическая активность возрастают с увеличением порядкового номера элемента (т.е. сверху вниз в Периодической таблице). Все они обладают электронной проводимостью. Прочность связи между атомами щелочных металлов уменьшается с увеличением порядкового номера элемента. Также снижаются их температуры плавления и кипения. Щелочные металлы взаимодействуют со многими простыми веществами — окислителями. В реакциях с водой они образуют растворимые в воде основания (щелочи).

Щелочноземельными элементами называются элементы главной подгруппы II группы. Атомы этих элементов содержат на внешнем энергетическом уровне по два электрона. Они являются восстановителями, имеют степень окисления $+2$. В этой главной подгруппе соблюдаются общие закономерности в изменении физических и химических свойств, связанные с увеличением размера атомов по группе сверху вниз, также ослабевает и химическая связь между атомами. С увеличением размера иона ослабевают кислотные и усиливаются основные свойства оксидов и гидроксидов.

Главную подгруппу III группы составляют элементы бор, алюминий, галлий, индий и таллий. Все элементы относятся к $p$-элементам. На внешнем энергетическом уровне они имеют по три $(s^2p^1)$ электрона, чем объясняется сходство свойств. Степень окисления $+3$. Внутри группы с увеличением заряда ядра металлические свойства увеличиваются. Бор — элемент-неметалл, а у алюминия уже металлические свойства. Все элементы образуют оксиды и гидроксиды.

Характеристика переходных элементов ± меди, цинка, хрома, железа по их положению в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и особенностям строения их атомов

Большинство элементов-металлов находится в побочных группах Периодической системы.

В четвертом периоде у атомов калия и кальция появляется четвертый электронный слой, заполняется $4s$-подуровень, так как он имеет меньшую энергию, чем $3d$-подуровень. $K, Ca — s$-элементы, входящие в главные подгруппы. У атомов от $Sc$ до $Zn$ заполняется электронами $3d$-подуровень.

Рассмотрим, какие силы действуют на электрон, который добавляется в атом при возрастании заряда ядра. С одной стороны, притяжение атомным ядром, что заставляет электрон занимать самый нижний свободный энергетический уровень. С другой стороны, отталкивание уже имеющимися электронами. Когда на энергетическом уровне оказывается $8$ электронов (заняты $s-$ и $р-$орбитали), их общее отталкивающее действие так сильно, что следующий электрон попадает вместо расположенной по энергии ниже $d-$орбитали на более высокую $s-$орбиталь следующего уровня. Электронное строение внешних энергетических уровней у калия $...3d^{0}4s^1$, у кальция — $...3d^{0}4s^2$.

Последующее прибавление еще одного электрона у скандия приводит к началу заполнения $3d$-орбитали вместо еще более высоких по энергии $4р$-орбиталей. Это оказывается энергетически выгоднее. Заполнение $3d$-орбитали заканчивается у цинка, имеющего электронное строение $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{10}4s^2$. Следует отметить, что у элементов меди и хрома наблюдается явление «провала » электрона. У атома меди десятый $d$-электрон перемещается на третий $3d$-подуровень.

Электронная формула меди $...3d^{10}4s^1$. У атома хрома на четвертом энергетическом уровне ($s$-орбиталь) должно быть $2$ электрона. Однако один из двух электронов переходит на третий энергетический уровень, на незаполненную $d$-орбиталь, его электронная формула $...3d^{5}4s^1$.

Таким образом, в отличие от элементов главных подгрупп, где происходит постепенное заполнение электронами атомных орбиталей внешнего уровня, у элементов побочных подгрупп заполняются $d$-орбитали предпоследнего энергетического уровня. Отсюда и название: $d$-элементы.

Все простые вещества, образованные элементами подгрупп Периодической системы, являются металлами. Благодаря большему числу атомных орбиталей, чем у элементов-металлов главных подгрупп, атомы $d$-элементов образуют большое число химических связей между собой и потому создают более прочную кристаллическую решетку. Она прочнее и механически, и по отношению к нагреванию. Поэтому металлы побочных подгрупп — самые прочные и тугоплавкие среди всех металлов.

Известно, если атом имеет более трех валентных электронов, то элемент проявляет переменную валентность. Это положение относится к большинству $d$-элементов. Максимальная их валентность, как у элементов главных подгрупп, равна номеру группы (хотя есть и исключения). Элементы с равным числом валентных электронов входят в группу под одним номером $(Fe, Co, Ni)$.

У $d$-элементов изменение свойств их оксидов и гидроксидов в пределах одного периода при движении слева направо, т.е. с увеличением их валентности, происходит от основных свойств через амфотерные к кислотным. Например, хром имеет валентности $+2, +3, +6$; а его оксиды: $CrO$ — основной, $Cr_{2}O_3$ — амфотерный, $CrO_3$ — кислотный.

Общая характеристика неметаллов главных подгрупп IV±VII групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и особенностями строения их атомов

Химические элементы - неметаллы

Самой первой научной классификацией химических элементов было деление их на металлы и неметаллы. Эта классификация не утратила своей значимости и в настоящее время.

Неметаллы —это химические элементы, для атомов которых характерна способность принимать электроны до завершения внешнего слоя благодаря наличию, как правило, на внешнем электронном слое четырех и более электронов и малому радиусу атомов по сравнению с атомами металлов.

Это определение оставляет в стороне элементы VIII группы главной подгруппы — инертные, или благородные, газы, атомы которых имеют завершенный внешний электронный слой. Электронная конфигурация атомов этих элементов такова, что их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам. Они являются теми объектами, которые разделяют элементы на металлы и неметаллы, занимая между ними пограничное положение. Инертные, или благородные, газы («благородство» выражается в инертности) иногда относят к неметаллам, но формально, по физическим признакам. Эти вещества сохраняют газообразное состояние вплоть до очень низких температур. Так, гелий Не переходит в жидкое состояние при $t°= -268,9 °С$.

Инертность в химическом отношении у этих элементов относительна. Для ксенона и криптона известны соединения с фтором и кислородом: $KrF_2, XeF_2, XeF_4$ и др. Несомненно, в образовании этих соединений инертные газы выступали в роли восстановителей.

Из определения неметаллов следует, что для их атомов характерны высокие значения электроотрицательности. Она изменяется в пределах от $2$ до $4$. Неметаллы — это элементы главных подгрупп, преимущественно $р$-элементы, исключение составляет водород — s-элемент.

Все элементы-неметаллы (кроме водорода) занимают в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева верхний правый угол, образуя треугольник, вершиной которого является фтор $F$, а основанием — диагональ $B — At$.

Однако следует особо остановиться на двойственном положении водорода в Периодической системе: в главных подгруппах I и VII групп. Это не случайно. С одной стороны, атом водорода, подобно атомам щелочных металлов, имеет на внешнем (и единственном для него) электронном слое один электрон (электронная конфигурация $1s^1$), который он способен отдавать, проявляя свойства восстановителя.

В большинстве своих соединений водород, как и щелочные металлы, проявляет степень окисления $+1$. Но отдача электрона атомом водорода происходит труднее, чем у атомов щелочных металлов. С другой стороны, атому водорода, как и атомам галогенов, до завершения внешнего электронного слоя недостает одного электрона, поэтому атом водорода может принимать один электрон, проявляя свойства окислителя и характерную для галогена степень окисления — $1$ в гидридах (соединениях с металлами, подобных соединениям металлов с галогенами — галогенидам). Но присоединение одного электрона к атому водорода происходит труднее, чем у галогенов.

Свойства атомов элементов - неметаллов

У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, т.е. способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение электроотрицательности, которая закономерно изменяется в периодах и подгруппах.

Фтор — самый сильный окислитель, его атомы в химических реакциях не способны отдавать электроны, т.е. проявлять восстановительные свойства.

Конфигурация внешнего электронного слоя.

Другие неметаллы могут проявлять восстановительные свойства, хотя и в значительно более слабой степени по сравнению с металлами; в периодах и подгруппах их восстановительная способность изменяется в обратном порядке по сравнению с окислительной.

Химических элементов-неметаллов всего $16$! Совсем немного, если учесть, что известно $114$ элементов. Два элемента-неметалла составляют $76%$ массы земной коры. Это кислород ($49%$) и кремний ($27%$). В атмосфере содержится $0.03%$ массы кислорода в земной коре. Неметаллы составляют $98.5%$ массы растений, $97.6%$ массы тела человека. Неметаллы $C, H, O, N, S, Р$ — органогены, которые образуют важнейшие органические вещества живой клетки: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. В состав воздуха, которым мы дышим, входят простые и сложные вещества, также образованные элементами-неметаллами (кислород $О_2$, азот $N_2$, углекислый газ $СО_2$, водяные пары $Н_2О$ и др.).

Водород — главный элемент Вселенной. Многие космические объекты (газовые облака, звезды, в том числе и Солнце) более чем наполовину состоят из водорода. На Земле его, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, только $0.88%$. Но это по массе, а атомная масса водорода очень мала. Поэтому небольшое содержание его только кажущееся, и из каждых $100$ атомов на Земле $17$ — атомы водорода.

Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон в 1869 году, в основе которого была одна из главнейших характеристик атома – атомная масса. Последующее развитие Периодического закона, а именно, получение большого экспериментальных данных, несколько изменило первоначальную формулировку закона, однако эти изменения не противоречат главному смыслу, заложенному Д.И. Менделеевым. Эти изменения только придали закону и Периодической системе научную обоснованность и подтверждение правильности.

Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева такова: свойства химических элементов, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Структура Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

К настоящему мнению известно большое количество интерпретаций Периодической системы, но наиболее популярная – с короткими (малыми) и длинными (большими) периодами. Горизонтальные ряды называют периодами (в них расположены элементы с последовательным заполнением одинакового энергетического уровня), а вертикальные столбцы – группами (в них расположены элементы, имеющие одинаковое количество валентных электронов – химические аналоги). Так же все элементы можно разделить на блоки по по типу внешней (валентной) орбитали: s-, p-, d-, f-элементы.

Всего в системе (таблице) 7 периодов, причем номер периода (обозначается арабской цифрой) равен числу электронных слоев в атоме элемента, номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня. Каждый период (кроме первого) начинается s-элементом — активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом, перед которым стоит p-элемент — активный неметалл (галоген). Если продвигаться по периоду слева направо, то с ростом заряда ядер атомов химических элементов малых периодов будет возрастать число электронов на внешнем энергетическом уровне, вследствие чего свойства элементов изменяются – от типично металлических (т.к. в начале периода стоит активный щелочной металл), через амфотерные (элемент проявляет свойства и металлов и неметаллов) до неметаллических (активный неметалл – галоген в конце периода), т.е. металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические.

В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее, что объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда ядра число электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянным и равным 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются медленно. При переходе к нечетным рядам, с ростом величины заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне (от 1 до 8), свойства элементов изменяются также, как в малых периодах.

Вертикальные столбцы в Периодической системе – группы элементов со сходным электронным строением и являющимися химическими аналогами. Группы обозначают римскими цифрами от I до VIII. Выделяют главные (А) и побочные (B) подгруппы, первые из которых содержат s- и p-элементы, вторые – d – элементы.

Номер А подгруппы показывает число электронов на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов). Для элементов В-подгрупп нет прямой связи между номером группы и числом электронов на внешнем энергетическом уровне. В А-подгруппах металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические – уменьшаются с возрастанием заряда ядра атома элемента.

Между положением элементов в Периодической системе и строением их атомов существует взаимосвязь:

— атомы всех элементов одного периода имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами;

— атомы всех элементов А подгрупп имею равное число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Периодические свойства элементов

Близость физико-химических и химических свойств атомов обусловлена сходством их электронных конфигураций, причем, главную роль играет распределение электронов по внешней атомной орбитали. Это проявляется в периодическом появлении, по мере увеличения заряда ядра атома, элементов с близкими свойствами. Такие свойства называют периодическими, среди которых наиболее важными являются:

1. Количество электронов на внешней электронной оболочке (заселенность – w ). В малых периодах с ростом заряда ядра w внешней электронной оболочки монотонно увеличивается от 1 до 2 (1 период), от 1 до 8 (2-й и 3-й периоды). В больших периодах на протяжении первых 12 элементов w не превышает 2, а затем до 8.

2. Атомный и ионный радиусы (r), определяемые как средние радиусы атома или иона, находимые из экспериментальных данных по межатомным расстояниям в разных соединениях. По периоду атомный радиус уменьшается (постепенно прибавляющиеся электроны описываются орбиталями с почти равными характеристиками, по группе атомный радиус возрастает, поскольку увеличивается число электронных слоев (рис.1.).

Рис. 1. Периодическое изменение атомного радиуса

Такие же закономерности наблюдаются и для ионного радиуса. Следует заметить, что ионный радиус катиона (положительно заряженный ион) больше атомного радиуса, а тот в свою очередь, больше ионного радиуса аниона (отрицательно заряженный ион).

3. Энергия ионизации (Е и) – количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, т.е. энергия, необходимая для превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион (катион).

Э 0 — → Э + + Е и

Е и измеряется в электронвольтах (эВ) на атом. В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием зарядов ядер атомов элементов. От атомов химических элементов можно последовательно отрывать все электроны, сообщив дискретные значения Е и. При этом Е и 1 < Е и 2 < Е и 3 <….Энергии ионизации отражают дискретность структуры электронных слоев и оболочек атомов химических элементов.

4. Сродство к электрону (Е е) – количество энергии, выделяющееся при присоединении дополнительного электрона к атому, т.е. энергия процесса

Э 0 + → Э —

Е е также выражается в эВ и, как и Е и зависит от радиуса атома, поэтому характер изменения Е е по периодам и группам Периодической системы близок характеру изменения атомного радиуса. Наибольшим сродством к электрону обладают p-элементы VII группы.

5. Восстановительная активность (ВА) – способность атома отдавать электрон другому атому. Количественная мера – Е и. Если Е и увеличивается, то ВА уменьшается и наоборот.

6. Окислительная активность (ОА) – способность атома присоединять электрон от другого атома. Количественная мера Е е. Если Е е увеличивается, то ОА также увеличивается и наоборот.

7. Эффект экранирования – уменьшение воздействия на данный электрон положительного заряда ядра из-за наличия между ним и ядром других электронов. Экранирование растет с увеличением числа электронных слоев в атоме и уменьшает притяжение внешних электронов к ядру. Экранированию противоположен эффект проникновения , обусловленный тем, что электрон может находиться в любой точке атомного пространства. Эффект проникновения увеличивает прочность связи электрона с ядром.

8. Степень окисления (окислительное число) – воображаемый заряд атома элемента в соединении, который определяется из предположения ионного строения вещества. Номер группы Периодической системы указывает высшую положительную степень окисления, которую могут иметь элементы данной группы в своих соединениях. Исключение – металлы подгруппы меди, кислород, фтор, бром, металлы семейства железа и другие элементы VIII группы. С ростом заряда ядра в периоде максимальная положительная степень окисления растет.

9. Электроотрицательность, составы высших водородных и кислородных соединений, термодинамические, электролитические свойства и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки.

В 1869 г. Д. И. Менделеев на основе анализа свойств простых веществ и соединений сформулировал Периодический закон:

Свойства простых тел... и соединений элементов находятся в периодической зависимости от вели­чины атомных масс элементов.

На основе периодического закона была составлена периодическая система элементов. В ней элементы со сходными свойствами оказались объединены в верти­кальные столбцы - группы. В некоторых случаях при размещении элементов в Периодической системе приходилось нарушать последовательность возрастания атомных масс, чтобы соблюда­лась периодичность повторения свойств. Например, пришлось "поменять местами" теллур и йод, а также аргон и калий.

Причина состоит в том, что Менделеев предложил периодической закон в то время, когда не было ничего известно о строении атома.

После того, как в XX веке была предложена планетарная модель атома, периодический закон формулируется следующим образом:

Свойства химических элементов и соединений на­ходятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.

Заряд ядра равен номеру элемента в периодической системе и числу электронов в электронной оболочке атома.

Эта формулировка объяснила "нарушения" Перио­дического закона.

В Периодической системе номер периода равен числу электронных уровней в атоме, номер группы для эле­ментов главных подгрупп равен числу электронов на внешнем уровне.

Причиной периодического изменения свойств химиче­ских элементов является периодическое заполнение электронных оболочек. После заполнения очередной оболочки начинается новый период. Периодическое изменение элементов ярко видно на изменении состава и свойств и свойств оксидов.

Научное значение периодического закона. Периоди­ческий закон позволил систематизировать свойства хи­мических элементов и их соединений. При составлении периодической системы Менделеев предсказал сущест­вование многих еще не открытых элементов, оставив для них свободные ячейки, и предсказал многие свойст­ва неоткрытых элементов, что облегчило их открытие

Билет №2

Строение атомов химических элементов на примере элементов второго периода и IV-A группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности в изменении свойств этих химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ (оксидов, гидроксидов) в зависимости от строения их атомов.

При перемещении слева направо вдоль периода металлические свойства элементов стано­вятся все менее ярко выраженными. При перемещении сверху вниз в пределах одной группы элементы, наоборот, обнаруживают все более ярко выраженные металлические свойства. Элементы, расположенные в средней части коротких периодов (2-й и 3-й периоды), как правило, имеют каркасную ковалентнуто структуру, а элементы из правой части этих периодов существуют в виде простых ковалентных молекул.

Атомные радиусы изменяются следующим образом: уменьшаются при перемещении слева направо вдоль периода; увеличиваются при перемещении сверху вниз вдоль группы. При перемещении слева направо по периоду возрастает электроотрицательность, энергия ионизации и сродство к электрону, которые достигают максимума у галогенов. У благородных же газов электроотрицательность равна 0. Изменение сродства к электрону элементов при перемещении сверху вниз вдоль группы не столь характерны, но при этом уменьшается электроотрицательность элементов.

В элементах второго периода заполняются 2s, а затем 2р-орбитали.

Главная подгруппа IV группы периодической системы химических элементов Д. М. Менделеева содержит углерод С, кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец Pb. Внешний электронный слой этих элементов содержит 4 электрона (конфигурация s 2 p 2). Поэтому элементы подгруппы углерода должны иметь некото­рые черты сходства. В частности, их высшая степень окисления одинакова и равна +4.

А чем обусловлено различие в свойствах элементов подгруппы? Различием энергии ионизации и радиуса их атомов. С увеличением атомного номера свойства элементов закономерно изменяются. Так, углерод и кремний - типичные неметаллы, олово и свинец - металлы. Это проявляется прежде всего в том, что углерод образует простое вещество-неметалл (алмаз), а свинец типичный металл.

Германий занимает промежуточное положение. Согласно строению электронной оболочки атома p-элементы IV группы имеют четные степени окисления: +4, +2, – 4. Фор­мула простейших водородных соединений - ЭН 4 , причем связи Э-Н ковалентны и равноценны вследствие гибридизации s- и р- орбиталей с образованием направленных под тетраэдрическими углами sp 3 -орбиталей.

Ослабление признаков неметаллического элемента означает, что в подгруппе (С-Si-Ge-Sn-Pb) высшая положительная степень окисления +4 становится все менее характерной, а более типичной становится степень окисления +2. Так, если для углеро­да наиболее устойчивы соединения, в которых он имеет степень окисления +4, то для свинца устойчивы соединения, в которых он проявляет степень окисления +2.

А что можно сказать об устойчивости соединений элементов в отрицательной степени окисления -4? По сравнению с неме­таллическими элементами VII-V групп признаки неметалличе­ского элемента р-элементы IV группы проявляют в меньшей степени. Поэтому для элементов подгруппы углерода отрицатель­ная степень окисления нетипична.