Как изменяются свойства химических элементов периодах. А2. Периодический закон, Периодическая система Д.И. Менделеева. Изменение свойств элементов в пределах группы

Периодичность свойств химических элементов

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.

Z — порядковый номер, равен числу протонов; R — радиус атома; ЭО — электроотрицательность; Вал е- -количество валентных электронов; Ок. св. — окислительные свойства; Вос. св. — востановительные свойства; Эн. ур. — энергитические уровни; Ме — металические свойства; НеМе — неметаллические свойства; ВСО — высшая степень окисления

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости

Здесь собраны задачи к разделу Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов

Задача 1. Как изменяются свойства гидроксидов элементов в периодах и группах с увеличением порядкового номера? Почему?

Решение. Металлы могут образовывать и основные, и кислотные, и амфотерные гидроксиды. При этом с увеличением степени окисления металла (при движении слева направо в основной характер его оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный усиливается.

Например

Сила оснований слева направо уменьшается, а сверху вниз растет, так же как металлические свойства растут сверху вниз.

Например , Cs (цезий) более активный металл, чем К (калий), так как у Cs валентный электрон находится дальше от ядра, чем у К (калия) и Cs легче отдает электрон (так как притяжение ядра ослабевает).

Если один элемент может иметь разные степени окисления, то с увеличением степени окисления элемента сила основания уменьшается, больше проявляется кислотный характер образуемого соединения, например

Cr +2 (OH) 2 Cr +3 (OH) 3 ≡H 3 CrO 3 H 2 CrO 4

основание амфотерный гидроксид кислота

основной характер ослабляется, кислотный характер усиливается

Неметаллы не образуют основные и амфотерные оксиды. Практически все оксиды неметаллов являются кислотными.

Например , Na 2 O – основной оксид, NaOH – основание

SO 3 – кислотный оксид, H 2 SO 4 – кислота

Al 2 O 3 – амфотерный оксид, может образовывать, как основание (Al(OH) 3), так и кислоту HAlO 2 или H 3 AlO 3 .

Задача 2. Какова современная формулировка Периодического закона? В чем причина периодической зависимости свойств элементов и образуемых ими соединений от заряда ядра атомов?

Решение. : Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома, или порядкового номера элемента.

Свойства элементов , в первую очередь, определяются структурой внешнего электронного слоя их атомов. Поэтому элементы одной подгруппы имеют сходные свойства.

При увеличении порядкового номера (заряда ядра) в атомах элементов последовательно увеличивается общее число электронов, а число электронов на внешнем электронном слое изменяется периодически, что приводит к периодическому изменению свойств химических элементов.

Деление элементов на периоды обусловлено числом энергетических уровней: в одном периоде объединены элементы, имеющие одинаковое число энергетических уровней (электронных слоев), равное номеру периода.

Деление на группы и подгруппы обусловлено порядком заполнения электронами уровней и подуровней: элементы главных подгрупп состоят из s- и p- элементов (т.е. из элементов, у которых заполняется либо s-, либо р- подуровень).

Элементы побочных подгрупп состоят из d- и f- элементов (заполняется d- или f- подуровень).

Многие свойства элемента (радиус атома, электроотрицательность, степень окисления, энергия ионизации, сродство к электрону) связаны со строением электронных оболочек, поэтому вместе с последними обладают периодичностью.

Свойства элементов, в первую очередь, определяются структурой внешнего электронного слоя их атомов. Поэтому элементы одной подгруппы имеют сходные свойства.

Задача 3. Проанализируйте изменения величины зарядов ядер, радиусов. Атомов, электроотрицательностей и степеней окисления 4 периода. Каковы закономерности этих изменений при движении — по группе сверху вниз или по периоду слева направо? Как изменяется в этом направлении металличность элементов и характер их оксидов и гидроксидов?

Решение. Номер периода показывает число электронных слоев, номер внешнего электронного слоя, число энергетических уровней, номер высшего энергетического уровня, значение главного квантового числа для высшего энергетического уровня.

Элементы четвертого периода имеют главное квантовое число n = 4.

Электронных слоев – 4.

Четвертый период заканчивается благородным газом. После двух s-элементов (К и Са) следуют 10 элементов (от Sc до Zn), в атомах которых электроны в последнюю очередь заполняют d-подуровень предвнешнего электронного слоя (d-элементы). У Cr и Cu наблюдается проскок электрона. Завершают период p-элементы.

Слева направо заряд ядра растет, так как идет заполнение орбиталей и число электронов и протонов растет.

Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются, так как растет атомное притяжение.

Энергия ионизации увеличивается . Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.

В группах сверху вниз металичность элементов усиливается, а энергия ионизации уменьшается. Причина этого в том, что электроны с низких энергетических уровней отталкивают от ядра электроны с высоких энергетических уровней, поскольку и те и другие имеют отрицательный заряд.

Так как в каждом следующем ряду на один энергетический уровень больше, чем в предыдущем, атомные радиусы увеличиваются (сверху вниз).

Высшая степень окисления и металлов и неметаллов, как правило, равна номеру группы. Низшая степень окисления металлов равна нулю (в простых веществах – металлах). Низшая степень окисления неметаллов равна 8 – номер группы. Например, для брома степень окисления = 7 – 8 = -1.

Кислотными являются почти все оксиды неметаллов, а также оксиды металлов, в которых металл имеет степень окисления +5 и выше (CrO 3 , Mn 2 O 7).

Оксиды и гидроксиды металлов со степенью окисления +3, +4 в большинстве своем, являются амфотерными. И некоторые оксиды металлов со степенью окисления +2 (ZnO, MnO 2).

Неметаллы не образуют основные и амфотерные оксиды.

Основными оксидами и гидроксидами являются оксиды и гидроксиды металлов со степенью окисления +1 (K 2 O), большинство оксидов и гидроксидов металлов со степенью окисления +2 (CaO) и некоторых оксидов металлов со степенью окисления +3.

Задача 4. Составьте формулы оксидов и гидроксидов марганца. Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений? Подчиняются ли эти соединения общей закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов?

Решение. Для марганца характерны степени окисления +2, +4,+7, существуют соединения в которых он проявляет степени окисления +3, +5, +6.

Соединения марганца могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости степени окисления Mn. Если в соединении марганец находится в своей высшей степени окисления, то он будет проявлять окислительные свойства, если в соединении марганец находится в своей низшей степени окисления, то он будет проявлять восстановительные свойства. И окислителем и восстановителем марганец выступает в своих промежуточных степенях окисления.

Свойства оксидов и гидроксидов также зависят от степени окисления Mn, с увеличением которой усиливаются кислотные свойства соединений:

MnO → Mn 2 O 3 → MnO 2 → Mn 2 O 7

основные амфотерный кислотный

Mn(OH) 2 → Mn(OH) 3 → Mn(OH) 4 → HMnO 4

основные амфотерный кислотный

Т.о. оксиды и гидроксиды марганца подчиняются общим закономерностям изменения кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств.

Задача 5. Из оксидов As 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , SO 3 , Al 2 O 3 , V 2 O 5 выберите два оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами. Укажите валентные электроны выбранных элементов.

Решение. , так как растет атомное притяжение. Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.

Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).

В связи с этим, кислотные свойства оксидов увеличиваются в главных подгруппах снизу вверх, в периоде – слева направо. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона делают оксид более кислотным.

Из приведенных оксидов As 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , SO 3 , Al 2 O 3 , V 2 O 5 наиболее выражены кислотные свойства у P 2 O 5 и SO 3. следующее:

P+15 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 3d 0 валентность 3

P * +15 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 валентность 5

S+16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 3d 0 валентность 2

S*+16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 3d 1 валентность 4

S*+16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2 валентность 6

Задача 6. Из оксидов BaO, K 2 O, TiO 2 , CaO, Al 2 O 3 , MgO, ZnO выберите два оксида с наиболее выраженными основными свойствами. Укажите валентные электроны выбранных элементов.

Решение. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат 3 и менее электронов (металлы) имеют оксиды, которые обладают основными свойствами .

Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются , так как растет атомное притяжение. Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии. Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).

В связи с этим, основные свойства оксидов увеличиваются в главных подгруппах сверху вниз , в периоде – справа налево. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона делают оксид более кислотным.

Из приведенных оксидов BaO, K 2 O, TiO 2 , CaO, Al 2 O 3 , MgO, ZnO наиболее выражены основные свойства у, K 2 O и BaO. следующее:

K+19 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 0

Ba+56 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2

Задача 7. Приведите современную формулировку периодического закона. Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, помещены соответственно перед калием, хотя имеют бóльшую атомную массу. Как называются пары таких элементов?

Положение элементов в Периодической таблице не зависит от атомной массы элемента, а зависит от заряда ядра, поэтому Ar+18 помещен перед K+19, Co+27 – перед Ni +28, Te+52 – перед I+53, Th+90 – перед Pa+91 (хотя аргон, кобальт, теллур и торий имеют большую массу, чем калий, никель, йод и протактиний соответственно).

Пары элементов с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым числом нуклонов называют изобарами, например

Категории ,

Все элементы периодической системы делятся на металлы . Атомы металла имеют маленькое количество на внешнем уровне, которые удерживаются притяжением ядра. Положительный заряд ядра равен количеству электронов на внешнем уровне. Связь электронов с ядром достаточно слабая, поэтому они легко отделяются от ядра. Металлические свойства характеризуются способностью атома вещества легко отдавать электроны с внешнего уровня.В Менделеева верхний горизонтальный ряд, обозначенный римскими , показывает количество свободных электронов на внешнем уровне. В с I по III расположены металлы. С увеличением периода (увеличением количества электронов на внешнем уровне) металлические свойства ослабевают, а неметаллические свойства усиливаются.Вертикальные ряды таблицы Менделеева (группы) показывают изменение металлических свойств в зависимости от радиуса атома вещества. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, потому что увеличивается радиус орбиты движения электронов; от этого связь электронов с ядром уменьшается. Электрон на последнем уровне в этом случае очень легко отделяется от ядра, что характеризуется как проявление металлических свойств.Также номер группы указывает на способность атома вещества присоединять атомы другого вещества. Способность присоединять атомы называется валентностью. Присоединение атомов кислорода называется окислением. Окисление является проявлением металлических свойств. По номеру можно определить, сколько атомов кислорода может присоединить атом металла: чем больше атомов присоединяется, тем сильнее металлические свойства. Все металлы обладают схожими свойствами. У всех имеется металлический блеск. Это объясняется отражением любого света электронным газом, который образуется свободными электронами, движущимися между атомами в кристаллической решетке. Наличие свободных подвижных электронов дает свойство электропроводности металлов.

Видео по теме

Совет 2: Почему изменяются свойства элементов в пределах периода

Каждому химическому элементу в Таблице Менделеева отведено строго определенное место. Горизонтальные строки Таблицы называются Периодами, а вертикальные – Группами. Номер периода соответствует номеру валентной оболочки атомов всех элементов, находящихся в этом Периоде. А валентная оболочка постепенно заполняется, от начала к концу Периода. Именно этим объясняется изменение свойств элементов, находящихся в пределах одного Периода.

Рассмотрите пример изменения свойств элементов третьего Периода. Он состоит (в порядке , слева направо) из натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, . Первый элемент – Na (натрий). Чрезвычайно активный щелочной металл. Чем же объясняются его ярко выраженные металлические свойства и, особенно, чрезвычайная активность? Тем, что на его внешней (валентной) оболочке всего один электрон. Вступая в реакцию с другими элементами, натрий легко отдает его, положительно заряженным ионом с внешней оболочкой.Второй элемент – Mg (магний). Также весьма активный металл, хоть и существенно уступающий по этому показателю натрию. На его внешней оболочке – два электрона. Их он также сравнительно легко отдает, приобретая устойчивую электронную конфигурацию. Третий элемент – Al (алюминий). Имеет три электрона на внешней оболочке. Это тоже довольно активный металл, хотя в обычных условиях его поверхность быстро покрывается окисной пленкой, которая препятствует вступлению алюминия в реакции. Однако в ряде соединений алюминий проявляет не только металлические, то и кислотные свойства, то есть фактически является амфотерным элементом. Четвертый элемент – Si (кремний). Имеет четыре электрона на внешней оболочке. Это уже неметалл, малоактивный при обычных условиях (из-за образования окисной пленки на поверхности). Пятый элемент – фосфор. Ярко выраженный неметалл. Легко можно понять, что, имея пять электронов на внешней оболочке, ему гораздо легче «принимать» чужие электроны, нежели отдавать свои.Шестой элемент – сера. Имея шесть электронов на внешнем уровне, она проявляет еще более ярко выраженные неметаллические свойства, нежели фосфор. Седьмой элемент – хлор. Один из самых активных неметаллов. Чрезвычайно сильный окислитель. Принимая один-единственный чужой электрон, он достраивает свою внешнюю оболочку до устойчивого состояния. И, наконец, замыкает Период инертный газ аргон. У него полностью заполненный внешний электронный уровень. Поэтому, как легко понять, ему нет необходимости ни отдавать электроны, ни принимать их.

Видео по теме

Источники:

как и почему изменяются свойства химических элементов

Совет 3: Почему в периодической системе изменяются металлические свойства

Характерное свойство элементов-металлов – способность отдавать свои электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне. Таким образом, металлы достигают устойчивого состояния (получая полностью заполненный предыдущий электронный уровень). Элементы-неметаллы же, напротив, стремятся не отдать свои электроны, а принять чужие, чтобы заполнить свой внешний уровень до устойчивого состояния.

Если вы посмотрите в Таблицу Менделеева, то увидите, что металлические свойства элементов, находящихся в одном Периоде, ослабевают слева направо. И причиной тому именно количество внешних (валентных) электронов у каждого элемента. Чем больше их, тем слабее выражены металлические свойства. Все Периоды (кроме самого первого) начинаются со щелочного металла и заканчиваются инертным газом. Щелочной металл, имеющий всего один электрон, легко расстается с ним, превращаясь в положительно заряженный ион. Инертные же газы и так имеют полностью укомплектованный внешний электронный слой, находятся в самом устойчивом состоянии – зачем им принимать или отдавать электроны? Этим и объясняется их чрезвычайная инертность. Но это изменение, так сказать, по горизонтали. А есть ли изменение по вертикали? Да, есть, и очень хорошо выраженное. Рассмотрите самые «металлические» металлы - щелочные. Это литий, натрий, рубидий, цезий, . Впрочем, самый последний можно не рассматривать, так как франций чрезвычайно мало распространен. Как увеличивается их химическая активность? Сверху вниз. Тепловой эффект реакций увеличивается точно таким же образом. К примеру, на уроках химии часто показывают, как натрий реагирует с водой: кусочек металла буквально «бегает» по поверхности воды, тает с кипением. С калием такой демонстрационный опыт проводить уже рискованно: слишком уж сильное кипение. Рубидий же лучше для таких опытов вовсе не использовать. И не только потому что он гораздо дороже калия, но и из-за того, что реакция протекает чрезвычайно бурно, с воспламенением. Что уж говорить про цезий. Почему, по какой причине? Потому что радиус атомов увеличивается. А чем дальше внешний электрон от ядра, тем легче атом «отдает» его (то есть тем сильнее металлические свойства).

Видео по теме

Совет 4: Почему в периодической системе изменяются неметаллические свойства

Упрощенно любой атом можно представить в виде крохотного, но массивного ядра, вокруг которого по круговым или эллиптическим орбитам вращаются электроны. Химические свойства элемента зависят от внешних «валентных» электронов, принимающих участие в образовании химической связи с другими атомами. Атом может «отдать» свои электроны, а может и «принять» чужие. Во втором случае это означает, что атом проявляет неметаллические свойства, то есть, является неметаллом. Отчего это зависит?

Прежде всего, от количества электронов на внешнем уровне. Ведь наибольшее число электронов, которое может там быть – 8 (как у всех инертных газов, кроме ). Тогда возникает очень устойчивое состояние атома. Соответственно, чем ближе количество валентных электронов к 8, тем легче атому элемента «достроить» свой внешний уровень. То есть, тем сильнее выражены у него неметаллические свойства. Исходя из этого, совершенно очевидно, что у элементов, находящихся в одном Периоде, неметаллические свойства будут возрастать в направлении слева направо. В этом легко можно убедиться, посмотрев в Таблицу Менделеева. Слева, в первой группе, находятся щелочные металлы, во второй - (то есть их металлические свойства уже слабее). В третьей группе – элементы. В четвертой – преобладают неметаллические свойства. Начиная с пятой группы, идут уже ярко выраженные , в шестой группе их неметаллические свойства еще сильнее, а в седьмой группе располагаются , имеющие семь электронов на внешнем уровне. Только ли в горизонтальном порядке меняются неметаллические свойства? Нет, еще и в вертикальном. Характерный пример – те самые галогены. Вблизи правого верхнего угла Таблицы вы видите знаменитый фтор - элемент, обладающий настолько сильной реакционной способностью, что химики неофициально дали ему уважительное прозвище: «Все разгрызающий». Ниже фтора – хлор. Это также очень активный неметалл, но все-таки не столь сильный. Еще ниже – бром. Его реакционная способность существенно ниже, чем у хлора, и тем более фтора. Далее – йод (закономерность та же). Последний элемент – астат. Отчего же неметаллические свойства ослабевают «сверху вниз»? Все дело в радиусе атома. Чем ближе к ядру внешний электронный слой, тем легче «притянуть» чужой электрон. Поэтому чем «правее» и «выше» элемент в Таблице Менделеева, тем более сильный это неметалл.

Видео по теме

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.

3. Периодический закон и периодическая система химических элементов

3.4. Периодическое изменение свойств веществ

Периодически изменяются следующие свойства простых и сложных веществ:

строение простых веществ (вначале немолекулярное, например от Li к C, а затем молекулярное: N 2 - Ne);
температуры плавления и кипения простых веществ: при движении слева направо по периоду t пл и t кип вначале, в целом, возрастают (алмаз - самое тугоплавкое вещество), а затем уменьшаются, что связано с изменением строения простых веществ (см. выше);
металлические и неметаллические свойства простых веществ. По периоду с ростом Z способность атомов отдавать электрон уменьшается (Е и растет), соответственно металлические свойства простых веществ ослабевают (неметаллические - усиливаются, поскольку увеличивается Е ср атомов). Сверху вниз по группам А, напротив, металлические свойства простых веществ усиливаются, а неметаллические - ослабевают;
состав и кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов (табл. 3.1–3.2).

Таблица 3.1

Состав высших оксидов и простейших водородных соединений элементов А-групп

Как видно из табл. 3.1, состав высших оксидов изменяется плавно в соответствии с постепенным возрастанием ковалентности (степени окисления) атома.

С ростом заряда ядра атома в периоде основные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают, а кислотные - усиливаются. Переход от основных оксидов и гидроксидов к кислотным в каждом периоде происходит постепенно, через амфотерные оксиды и гидроксиды. В качестве примера в табл. 3.2 показано изменение свойств оксидов и гидроксидов элементов 3-го периода.

Таблица 3.2

Оксиды и гидроксиды, образованные элементами 3-го периода, и их классификация

В группах А с ростом заряда ядра атома происходит усиление основных свойств оксидов и гидроксидов. Например, для IIA-группы имеем:

1. BeO, Be(OH) 2 - амфотерные (слабые основные и кислотные свойства).

2. MgO, Mg(OH) 2 - слабые, основные свойства.

3. CaO, Ca(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).

4. SrO, Sr(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).

5. BaO, Ba(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).

6. RaO, Ra(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).

Такие же тенденции прослеживаются и для элементов других групп (состав и кислотно-основные свойства бинарных водородных соединений см. в табл. 3.1). В целом с ростом атомного номера по периоду основные свойства водородных соединений ослабевают, а кислотные свойства их растворов усиливаются: гидрид натрия растворяется в воде с образованием щелочи:

NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,

а водные растворы H 2 S и HCl - кислоты, причем более сильной является хлороводородная кислота.

1. В группах А с ростом заряда ядра атома сила бескислородных кислот также возрастает.

2. В водородных соединениях число атомов водорода в молекуле (или формульной единице) сначала возрастает от 1 до 4 (группы IA–IVA), а затем уменьшается от 4 до 1 (группы IVA–VIIA).

3. Летучими (газообразными) при н.у. являются только водородные соединения элементов IVA–VIIA групп (кроме H 2 O и HF)

Описанные тенденции в изменении свойств атомов химических элементов и их соединений суммированы в табл. 3.3

Таблица 3.3

Изменение свойств атомов элементов и их соединений с ростом заряда ядра атома

Свойства	Тенденция изменения
Свойства	в периодах	в группах А
Радиус атома	Уменьшается	Растет
Энергия ионизации	Возрастает	Уменьшается
Сродство к электрону	Возрастает	Уменьшается
Восстановительные (металлические) свойства атомов	Ослабевают	Усиливаются
Окислительные (неметаллические) свойства атомов	Усиливаются	Ослабевают
Электроотрицательность	Возрастает	Уменьшается
Максимальная степень окисления	Возрастает	Постоянная
Кислотные свойства оксидов	Усиливаются	Ослабевают
Кислотные свойства гидроксидов	Усиливаются	Ослабевают
Кислотные свойства водородных соединений	Усиливаются	Усиливаются
Металлические свойства простых веществ	Ослабевают	Усиливаются
Неметаллические свойства простых веществ	Усиливаются	Ослабевают

Пример 3.3. Укажите формулу оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами:

Решение. Кислотные свойства оксидов усиливаются слева направо по периоду, а сверху вниз по группе А ослабевают. С учетом этого приходим к выводу, что кислотные свойства наиболее выражены у оксида Cl 2 O 7 .

Ответ : 4).

Пример 3.4. Анион элемента Э 2− имеет электронную конфигурацию атома аргона. Укажите формулу высшего оксида атома элемента:

Решение. Электронная конфигурация атома аргона 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 , следовательно электронная конфигурация атома Э (атом Э содержит на 2 электрона меньше, чем ион Э 2−) – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 , что отвечает атому серы. Элемент сера находится в VIA-группе, формула высшего оксида элементов этой группы ЭО 3 .

Ответ : 1).

Пример 3.5. Укажите символ элемента, атом которого имеет три электронных слоя и образует летучее (н.у.) соединение состава ЭН 2 (H 2 Э):

Решение. Водородные соединения состава ЭН 2 (H 2 Э) образуют атомы элементов IIA- и VIA-групп, однако летучими при н.у. являются соединения элементов VIA-группы, к числу которых относится сера.

Ответ : 3).

Охарактеризованные тенденции в изменении кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов можно понять на основании анализа следующих упрощенных схем строения оксидов и гидроксидов (рис. 3.1).

Из упрощенной схемы реакции

следует, что эффективность взаимодействия оксида с водой с образованием основания возрастает (согласно закону Кулона) с увеличением заряда на ионе Э n + . Величина же этого заряда увеличивается по мере усиления металлических свойств элементов, т.е. справа налево по периоду и сверху вниз по группе. Именно в таком порядке увеличиваются и основные свойства элементов.

Рис. 3.1. Схема строения оксидов (а ) и гидроксидов (б )

Рассмотрим причины, лежащие в основе описанных изменений кислотно-основных свойств гидроксидов.

При возрастании степени окисления элемента +n и уменьшении радиуса иона Э n + (это как раз и наблюдается с ростом заряда ядра атома элемента слева направо по периоду) связь Э–О упрочняется, а связь О–Н ослабевает; более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по кислотному типу.

Сверху вниз по группе радиус Э n + возрастает, а значение n + не изменяется, в результате прочность связи Э–О уменьшается, облегчается ее разрыв и более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по основному типу.