Периодичность свойств химических элементов

Поскольку электронная конфигурация атомов химических элементов изменяется периодически, то соответственно периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением. К таким свойствам относятся: атомные и ионные радиусы (r), энергия ионизации (Е_и) или ионизационный потенциал (I), сродство к электрону (СЭ), электроотрицательность (ЭО).

Химическая активность элемента определяется его способностью терять или приобретать электроны. Количественно это оценивается с помощью энергии ионизации атома и его сродства к электрону.

Первая энергия ионизации- энергия, необходимая для отрыва одного моля наиболее слабо связанных электронов от одного моля невозбужденных атомов какого-либо элемента для процесса Э = Э⁺ +

Энергия ионизации характеризует восстановительную способность элемента. Чем она меньше, тем легче удаляется электрон, тем сильнее восстановительные способности элемента. Энергия ионизации возрастает по периоду.

В одной и той же группе энергия ионизации несколько уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, что обусловлено размером атомов и расстояния внешних подоболочек от ядра.

Сродство к электрону.Энергетический эффект присоединения моля электронов к молю нейтральных атомов называется сродством к электрону. Например:

Э + е = Э^-

Сродство к электрону СЭ количественно выражается в кДж/моль или электрон-Вольтах (эВ). Наибольшее значение сродства к электрону имеют галогены, кислород, сера, наименьшее и даже отрицательные значения её – элементы с электронной конфигурацией s² ( He, Be, Mg, Zn), с полностью или наполовину заполненными p-подоболочками (Ne, Ar, Kr, N, P, As,).

Электроотрицательность ЭО (χ) – условная величина, характеризующая способность атома в химическом соединении притягивать к себе электроны.

По Малликену электроотрицательность определяют как арифметическую сумму энергии ионизации и сродства к электрону, т.е. ЭО = (I + СЭ).

За единицу электроотрицательности принята электроотрицательность лития (ЭО = 536,0 кДж/моль).

Для практической оценки этой способности атома введена условная относительная шкала электроотрицательностей (см. приложение 3). По такой шкале наиболее электроотрицательным элементом является фтор, а наименее электроотрицательным – франций. В периоде с ростом порядкового номера элемента электроотрицательность возрастает, а в группе – убывает.

ПРИМЕР 5.Вычислите относительную электроотрицательность брома, если энергия ионизации брома равна I= 1140,8 кДж/моль, а сродство брома к электрону равно СЭ = 3,54 эВ/атом.

РЕШЕНИЕ

Так как 1 эВ = 1,602 10^-19 Дж, то сродство брома к электрону равно СЭ = 3,54 1,602 10^-19 6,02 10²³ = 341,4 кДж/моль

ЭО = (I + СЭ), значит электроотрицательность брома равна ЭО = 1140,8 + 341,4 = 1482,2 кДж/моль. За единицу электроотрицательности принята электроотрицательность лития (ЭО = 536,0 кДж/моль), следовательно, относительная электроотрицательность брома равна 1482,2/536,0 = 2,8.

Все перечисленные параметры (атомные и ионные радиусы, энергия ионизации, ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицательность) являются периодической функцией заряда ядра. Для элементов главных подгрупп эти параметры изменяются по периоду слева направо в направлении уменьшения радиуса атома и увеличения ионизационного потенциала, сродства к электрону и электроотрицательности, т.е. уменьшения для элементов металлических и усиления неметаллических признаков. В пределах каждой подгруппы сверху вниз радиусы атомов увеличиваются и соответственно уменьшаются ионизационный потенциал, сродство к электрону и электроотрицательность, т.е. усиливаются металлические свойства простых веществ.

Изменение свойств элементов побочных подгрупп по периодам и группам имеет свои особенности. Заполнение d- и особенно f-подуровня экранирует внешний электронный слой от ядра, что приводит к сравнительно небольшому уменьшению радиуса атомов этих элементов и соответственно их свойства меняются не так резко по периоду, как свойства элементов главных подгрупп (см. приложение 4). Все они являются металлами и отрицательных степеней окисления не имеют.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

ЗАДАНИЕ 1

Определите, какой заряд ядра и сколько электронов, протонов, нейтронов в атомах:

1) (а)олова,

2) (б)магния,

3) (в)брома,

4) (г)серебра,

5) (д)цинка,

6) (е)никеля,

7) (ж)меди,

8) (з)железа,

9) (и)марганца,

10) (к)хрома,

11) (л)бария,

12) (м)кобальта

13) (н)йода

14) (о)серебра

15) (п) германия

16) (р) индия

17) (с) молибдена

18) (т)селена

19) (у)свинца

20) (ф)сурьмы

ЗАДАНИЕ 2

Опишите состояние электрона с помощью набора квантовых чисел:

1. (а)5-ый электрон на 4р подуровне

2. (б)2-ый электрон на 3d подуровне

3. (в)9-ый электрон на 4f подуровне

4. (г)1-ый электрон на 6s подуровне

5. (д)8-ой электрон на 5d-подуровне

6. (е)3-ий электрон на 5f подуровне

7. (ж)4-ый электрон на 6p подуровне

8. (з) 6-ой электрон на 4d подуровне

9. (и)2-ой электрон на 1s-подуровне

10. (к)7-ой электрон на 5d подуровне

11. (л)12ый электрон на 4f-подуровне

12. (м)2-ой электрон на 5p подуровне

13. (н)10-ый электрон на 5f-подуровне

14. (о)10-ый электрон на 5d подуровне

15. (п)7-ой электрон на 4d подуровне

16. (р)4-ой электрон на 4р подуровне

17. (с) 2-ой электрон на 5s подуровне

18. (т)3-ий электрон на 3d подуровне

19. (у)1-ый электрон на 6р подуровне

20. (ф)1-ый электрон на 4d подуровне

ЗАДАНИЕ 3

Ø Укажите положение элементов в периодической системе Д.И. Менделеева (порядковый номер, номер периода, номер группы, подгруппа);

Ø напишите электронные конфигурации атомов;

Ø подчеркните валентные электроны;

Ø укажите, к какому электронному семейству относятся данные элементы;

Ø изобразите схематически возможные возбужденные состояния у атома подчеркнутого элемента;

Ø на основании строения электронной оболочки атома подчеркнутого элемента, объясните, какие валентности и степени окисления он может проявить;

Ø напишите для него электронные формулы в низшей и высшей степени окисления:

1. (а)литий, бром, цирконий;

2. (б) магний, олово, кадмий;

3. (в) натрий, свинец, кобальт;

4. (г) кальций, сурьма, марганец;

5. (д) стронций, йод, титан;

6. (е) рубидий, сера, вольфрам;

7. (ж) цезий, алюминий, ванадий;

8. (з) бериллий, таллий, железо;

9. (и) барий, селен, ртуть;

10. (к) франций, фосфор, никель;

11. (л) калий, хлор, цинк.

12. (м) барий, теллур, технеций.

13. (н)радий, кремний, медь

14. (о)натрий, мышьяк, рений

15. (п)калий, индий, молибден

16. (р)кальций, германий, хром

17. (с)рубидий, галлий, тантал

18. (т)бериллий, висмут, ниобий

19. (у) цезий, углерод, рутений

20. (ф) стронций, аргон, платина

ЗАДАНИЕ 4[1]

1. Охарактеризуйте изменение радиусов атомов, энергии ионизации, электроотрицательности в ряду элементов 3-го периода.

2. Укажите взаимосвязь между величиной атомного радиуса и энергией ионизации. Исходя из периодической системы, расставьте следующие элементы в порядке возрастания этих величин: а) Cl, F, I, Br б) Li, F, B, C, Be N, O.

3. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? (используйте приложение 4).

4. Для какого из двух элементов ионизационный потенциал должен быть большей величиной, если электронная структура их атомов выражается следующими формулами:

а) 1s² 2s² 2p⁶3s²3p² и 1s²2s² 2p⁶ 3s²3p⁵

б) 1s²2s²2p⁶3s² 3p⁶4s¹ и 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹

5. Охарактеризуйте изменение радиусов атомов, энергии ионизации, электроотрицательности в ряду элементов главных подгрупп 4-го периода:

6. Укажите взаимосвязь между величиной атомного радиуса и энергией ионизации. Исходя из периодической системы, расставьте следующие элементы в порядке понижения этих величин: а) O, S, Se, Te б) Na, Cl, S, Al, Mg, P, Si.

7. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов главных подгрупп четвертого периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от калия к брому? (используйте приложение 4).

8. Для какого из двух элементов ионизационный потенциал должен быть большей величиной, если электронная структура их атомов выражается следующими формулами:

а) 1s²2s²2p⁶3s² 3p⁶4s² и 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²

б) 1s² 2s² 2p⁶3s²3p³ и 1s²2s² 2p⁶ 3s²3p⁵

9. Охарактеризуйте изменение радиусов атомов, энергии ионизации, электроотрицательности в ряду элементов главных подгрупп 5-го периода:

10. Укажите взаимосвязь между величиной атомного радиуса и энергией ионизации. Исходя из периодической системы, расставьте следующие элементы в порядке повышения этих величин: а) K, Br, Ca, Se, Ge, As, Ga. б) Li, Na, K, Rb, Cs.

11. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов второго периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от лития к фтору? (используйте приложение 4).

12. Для какого из двух элементов ионизационный потенциал должен быть большей величиной, если электронная структура их атомов выражается следующими формулами:

а) 1s²2s²2p⁵ и 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

б) 1s² 2s² 2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²и 1s²2s² 2p⁶ 3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴

Приложение 3.