Причина периодического повторения свойств химических элементов. Периодическая система элементов
Периодичность - это повторяемость свойств химических и некоторых физических свойств у простых веществ и их соединений при изменении порядкового номера элементов. Она связана, в первую очередь, с повторяемостью электронного строения атомов по мере увеличения порядкового номера (а, следовательно, заряда ядра и числа электронов в атоме).
Химическая периодичность проявляется в аналогии химического поведения, однотипности химических реакций. При этом число валентных электронов, характерные степени окисления, формулы соединений могут быть разными. Периодически повторяются не только сходные черты, но и существенные различия химических свойств элементов по мере роста их порядкового номера.
Некоторые физико-химические свойства атомов (потенциал ионизации, атомный радиус), простых и сложных веществ могут быть не только качественно, но и количественно представлены в виде зависимостей от порядкового номера элемента, причем для них периодически проявляются четко выраженные максимумы и минимумы.
Вертикальная периодичность
Вертикальная периодичность заключается в повторяемости свойств простых веществ и соединений в вертикальных столбцах Периодической системы. Это основной вид периодичности, в соответствии с которым все элементы объединены в группы. Элементы одной группы имеет однотипные электронные конфигурации. Химия элементов и их соединений обычно рассматривается на основе этого вида периодичности.
Вертикальная периодичность обнаруживается и в некоторых физических свойствах атомов, например, в энергиях ионизации E i (кДж/моль):
| IA-группа | IIA-группа | VIIIA-группа |
| Li 520 | Be 900 | Ne 2080 |
| Na 490 | Mg 740 | Ar 1520 |
| K 420 | Ca 590 | Kr 1350 |
Горизонтальная периодичность
Горизонтальная периодичность заключается в появлении максимальных и минимальных значений свойств простых веществ и соединений в пределах каждого периода. Она особенно заметна для элементов VIIIБ-группы и лантаноидов (например, лантаноиды с четными порядковыми номерами более распространены, чем с нечетными).
В таких физических свойствах, как энергия ионизации и сродство к электрону, также проявляется горизонтальная периодичность, связанная с периодическим изменением числа электронов на последних энергетических подуровнях:
| Элемент | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne |
| E i | 520 | 900 | 801 | 1086 | 1402 | 1314 | 1680 | 2080 |
| A e | −60 | 0 | −27 | −122 | +7 | −141 | −328 | 0 |
| Электронная формула (валентные электроны) | 2s 1 | 2s 2 | 2s 2 2p 1 | 2s 2 2p 2 | 2s 2 2p 3 | 2s 2 2p 4 | 2s 2 2p 5 | 2s 2 2p 6 |
| Число неспаренных электронов | 1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 2 | 1 | 0 |
Диагональная периодичность
Диагональная периодичность - повторяемость свойств простых веществ и соединений по диагоналям Периодической системы. Она связана с возрастание неметаллических свойств в периодах слева направо и в группах снизу вверх. Поэтому литий похож на магний, бериллий на алюминий, бор на кремний, углерод на фосфор. Так, литий и магний образуют много алкильных и арильных соединений, которые часто используют в органической химии. Бериллий и алюминий имеют сходные значения окислительно-восстановительных потенциалов. Бор и кремний образуют летучие, весьма реакционноспособные молекулярные гидриды.
Диагональную периодичность не следует понимать как абсолютное сходства атомных, молекулярных, термодинамических и других свойств. Та, в своих соединениях атом лития имеет степень окисления (+I), а атом магния - (+II). Однако свойства ионов Li + и Mg 2+ очень близки, проявляясь, в частности, в малой растворимости карбонатов и ортофосфатов.
В результате объединения вертикальной, горизонтальной и диагональной периодичности появляется так называемая звездная периодичность. Так, свойства германия напоминают свойства окружающих его галлия, кремния, мышьяка и олова. На основании таких "геохимических звезд" можно предсказать присутствие элемента в минералах и рудах.
Вторичная периодичность
Многие свойства элементов в группах изменяются не монотонно, а периодически, особенно для элементов IIIA-VIIA-групп. Такое явление носит название вторичной периодичности. Так, германий по своим свойствам больше похож на углерод, чем на кремний. Известно, что силан реагирует с гидроксид-ионами в водном растворе с выделением водорода, а метан и герман не взаимодействуют даже с избытком гидроксид-ионов.
Подобные аномалии в химическом поведении элементов наблюдаются и в других группах. Так, например, для элементов 4-го периода, находящихся в VA-VIIA-группах, (As, Se, Br) характерна малая устойчивость соединений в высшей степени окисления. В то время как для фосфора и сурьмы известны пентафториды, пентахлориды и пентаиодиды, в случае мышьяка до сих получен только пентафторид. Гексафторид селена менее устойчив, чем соответствующие фториды серы и теллура. В группе галогенов хлор(VII) и иод(VII) образуют устойчивые кислородсодержание анионы, тогда как пербромат-ион, синтезированный лишь в 1968 г., является очень сильным окислителем.
Вторичная периодичность связана, в частности, с относительной инертностью валентных s -электронов за счет так называемого "проникновения к ядру", поскольку увеличение электронной плотности вблизи ядра при одном и том же главном квантовом числе уменьшается в последовательности ns > np > nd > nf .
Поэтому элементы, которые в Периодической системе стоят непосредственно после элементов со впервые заполненным p -, d - или f -подуровнем, характеризуются понижением устойчивости их соединений в высшей степени окисления. Это натрий и магний (идут после элементов с впервые заполненным р-подуровнем), р -элементы 4-го периода от галлия до криптона (заполнен d -подуровень), а также послелантаноидные элементы от гафния до радона.
Периодическое изменение атомных радиусов
Согласно представлениям квантовой механики, атомы не имеют четких границ, однако вероятность найти электрон, связанный с данным ядром, на определенном расстоянии от этого ядра быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому атому приписывают некоторый радиус, полагая, что в сфере этого радиуса заключена бóльшая часть электронной плотности (более 90%).
Радиусы атомов элементов находятся в периодической зависимости от их порядкового номера.
В периодах по мере увеличения заряда ядра радиусы атомов, в общем, уменьшаются, что связано с усилением притяжения внешних электронов к ядру. Наибольшее уменьшение атомных радиусов наблюдается у элементов малых периодов. В группах элементов радиусы атомов, в общем, увеличиваются, так как растет число электронных слоев. Таким образом, в изменении атомных радиусов элементов просматриваются разные виды периодичности: вертикальная, горизонтальная и диагональная.
Небольшие размеры атомов элементов второго периода приводят к устойчивости кратных связей, образованных при дополнительном перекрывании р -орбиталей, ориентированных перпендикулярно межъядерной оси. Так, диоксид углерода − газообразные мономер, молекула которого содержит две двойные связи, а диоксид кремния − кристаллический полимер со связями Si−O. При комнатной температуре азот существует в виде устойчивых молекул N 2 , в которых атомы азота соединены прочной тройной связью. Белый фосфор состоит из молекул Р 4 , а черный фосфор представляет собой полимер.
По-видимому, для элементов третьего периода образование нескольких одинарных связей выгоднее формирования одной кратной связи. Вследствие дополнительного перекрывания р -орбиталей для углерода и азота характерны анионы СО 3 2− и NO 3 − (форма треугольника), а для кремния и фосфора более устойчивы тетраэдрические анионы SiO 4 4− и PO 4 3− .
Значение Периодического закона
Периодический закон сыграл огромную роль в развитии химии и других естественных наук. Была открыта взаимная связь между всеми элементами, их физическими и химическими свойствами. Это поставило перед естествознанием научно-философскую проблемы огромной важности: эта взаимная связь должно получить объяснение. После открытия Периодического закона стало ясно, что атомы всех элементов должны быть построены по единому принципу, а их строение должно отображать периодичность свойств элементов. Таким образом, периодический закон стал важным звеном в эволюции атомно-молекулярного учения, оказав значительное влияние на разработку теории строения атома. Он также способствовал формулировке современного понятия "химический элемент" и уточнению представлений о простых и сложных веществах.
Используя Периодический закон, Д.И. Менделеев стал первым исследователем, сумевшим решить проблемы прогнозирования в химии. Это проявилось уже через несколько лет после создания Периодической системы элементов, когда были открыты предсказанные Менделеевым новые химические элементы. Периодический закон помог также уточнить многие особенности химического поведения уже открытых элементов. Успехи атомной физики, включая ядерную энергетику и синтез искусственных элементов, стали возможными лишь благодаря Периодическому закону. В свою очередь, они расширили и углубили сущность закона Менделеева, расширили пределы Периодической системы элементов.
Периодический закон является универсальным законом. Он относится к числу таких общих научных закономерностей, которые реально существуют в природе и поэтому в процессе эволюции наших знаний никогда не потеряют своего значения. Установлено, что периодичности подчиняются не только электронное строение атома, но и тонкая структура атомных ядер, что говорит о периодическом характере свойств в мире элементарных частиц.
Со временем роль Периодического закона не уменьшается. Он стал важнейшей основой неорганической химией. Он используется, например, при синтезе веществ с заранее заданными свойствами, создании новых материалов, подборе эффективных катализаторов.
Неоценимо значение Периодического закона в преподавании общей и неорганической химии. Его открытие было связано с созданием учебника по химии, когда Менделеев пытался предельно четко изложить сведения об известных на тот момент 63 химических элементах. Сейчас число элементов увеличилось почти вдвое, и Периодический закон позволяет выявлять сходство и закономерности свойств различных химических элементов с использованием их положения в Периодической системе.
Cтраница 1
Периодическое повторение свойств элементов с увеличением атомного номера становится особенно наглядным, если расположить элементы в виде таблицы, называемой периодической таблицей или периодической системой элементов. Было предложено и используется несколько форм периодической таблицы.
Периодическое повторение свойств элементов с увеличением атомного номера можно наглядно показать, если расположить элементы в таблицу, называемую периодической таблицей, или периодической системой, элементов. Было предложено и находит применение много различных форм периодической системы.
Принцип периодического повторения свойств элементов не мог допустить существования только одного, изолированно стоящего элемента аргона; такого рода простых веществ должно быть несколько или ни одного. Однако Рамзай твердо стоял на позициях периодического закона, и это, а также развитие лабораторной техники в конце прошлого века предопределили быстрое открытие остальных членов группы инертных газов.
Чем объясняется периодическое повторение свойств элементов в периодической системе.
Чем объясняется периодическое повторение свойств элементов.
Принимая, что периодическое повторение свойств элементов обусловлено не только их массою (атомным весом), но и характером движения самих атомов как целых частиц (скоростью и направлением их движения), Флавицкий строит свою гипотезу на следующей основе: периодичность элементов объясняется не тем, что повторяется тип внутреннего Строения атомов, а тем, что периодически меняется характер движения атомов как целых частиц.
Таким образом, причиной периодического повторения свойств элементов является периодическое повторение электронных конфигураций их атомов.
Исследование электронной структуры атомов позволило доказать, что причиной периодического повторения свойств элементов с возрастанием порядкового номера является периодическое повторение процесса постройки новых электронных оболочек. К одной группе периодической системы всегда принадлежат те элементы, у атомов которых в наружных оболочках находится одинаковое число электронов. Так, атомы всех инертных газов, кроме гелия, содержат по 8 электронов в наружной оболочке и Труднее всех ионизируются, между тем как атомы щелочных металлов содержат по одному электрону в наружной оболочке и обладают наиболее низким ионизационным потенциалом. Щелочные металлы только с одним электроном во внешней оболочке могут легко его терять, переходя в устойчивую форму положительного иона с электронной конфигурацией, подобной ближайшему инертному газу с меньшим порядковым номером. Такие элементы, как фтор, хлор и др., по числу внешних электронов приближающиеся к конфигурации инертных газов, наоборот стремятся приобрести электроны и воспроизвести эту электронную конфигурацию, переходя в соответствующий отрицательный ион.
Следующие за третьим периоды таблицы Д. И. Менделеева являются более длинными. Однако периодическое повторение свойств элементов сохраняется. Оно приобретает более сложный характер, обусловленный возрастающим многообразием физических и химических особенностей элементов по мере увеличения их атомных масс. Рассмотрение строения атомов первых периодов подтверждает, что ограниченность числа мест для электронов в каждой оболочке (запрет Паули), окружающей ядро, является причиной периодического повторения свойств элементов. Эта периодичность - великий закон природы, открытый Д. И. Менделеевым в конце прошлого века, в наше время стал одной из основ развития не только химии, но и физики.
Значения / j постепенно увеличиваются с возрастанием Z до тех пор, Пока Z не достигает значения, характерного для благородного газа, а затем при переходе к следующему элементу падает примерно на одну четвертую значения для благородного газа. Периодичность изменения другого свойства - плотности элементов в твердом состоянии-показана на рис. 5.13. Такое периодическое повторение свойств элементов с увеличением порядкового номера становится особенно наглядным, если элементы расположить в виде таблицы, называемой периодической таблицейялж периодической системой элементов. Было предложено и находит применение много разных форм периодической системы.
Одновременно с Ньюлендсом к открытию периодического закона приближался во Франции де Шанкуртуа. Но в отличие от чувственного музыкально-звукового образа, послужившего для Ньюлендса аналогией с частично выявленной им закономерностью химических элементов, французский натуралист использовал абстрактно-геометрический образ: он сравнивал периодическое повторение свойств элементов, расположенных по величине их атомных весов, с наматыванием спиральной линии (vis tellurique) а боковую поверхность цилиндра.
Представление о величине заряда ядра как об определяющем свойстве атома легло в основу современной формулировки периодического закона Д. И. Менделеева: свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений этих элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов. Она позволила объяснить причину периодического повторения свойств элементов, которая заключается в периодическом повторении строения электронных конфигураций атомов.
Только после выяснения структуры атома стали понятны причины периодического повторения свойств элементов.
Периодичность в изменении свойств элементов. Периодический закон Д.И. Менделеева
Периодическую систему химических элементов создал в 1869 году наш великий соотечественник Дмитрий Иванович Менделеев.
В отличие от своих предшественников, Менделеев сравнивал не только сходные, но главным образом несходные между собой элементы и их группы (например, щелочные металлы и галогены), располагая их на основе главной (известной к тому времени) характеристики элемента - атомного веса.
Формулировка закона в то время была такова:
Свойства химических элементов, а также свойства и формы их соединений находятся в периодической зависимости от их атомных весов.
Позже Менделеев использовал введенную им более фундаментальную, чем атомный вес, характеристику элементов, а именно их порядковый номер, который определяется положительным зарядом ядра, т.е. числом протонов в ядре атома. Были установлены закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах.
Для описания и систематизации химических элементов необходимо знать их характеристики: порядковый номер (заряд ядра его атомов) и относительную атомную массу.
Из них заряд ядра атомов является общей, неизменной при химических реакциях главной характеристикой для определения элемента.
Для описания элементов, кроме перечисленных выше количественных характеристик, нужны и другие, в том числе качественные характеристики элемента. Таковыми являются электронное строение и свойства его атомов.
Особое значение имеют электроны, расположенные на внешнем электронном слое, валентные электроны. У элементов-металлов их обычно 1 - 2, реже 3, у неметаллов - 4 и больше. У элементов больших периодов побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешнего, но и предвнешнего слоя. От валентных электронов зависит реакционная способность атомов к образованию химических связей с другими атомами, к образованию химических соединений.
Химическое соединение - это химически индивидуальное вещество, состоящее из химически связанных атомов одного в простом или нескольких в сложном веществе элементов, имеющее определённый состав.
Простые и сложные вещества - это формы реального существования элементов в природе. Характер элементов влияет на свойства образованных ими веществ, и наоборот, зная свойства веществ, можно судить о характере элемента.
Дмитрий Иванович Менделеев придавал большое значение знанию форм и свойств типичных кислородных и водородных соединений элемента для его характеристики. Под формой соединений он понимал сходство в составе типичных для группы элементов их соединений, выраженное общими формулами. Так, элементы главной подгруппы VI группы периодической системы имеют следующие формы кислородных и водородных соединений: RO3, H2R.
Например: оксид серы и сероводород.
Типичные металлические элементы образуют основные оксиды и гидроксиды, проявляя в этих формах соединений низкие значения валентности. У неметаллических элементов высшие кислородные соединения (оксиды и гидроксиды) имеют кислотный характер. Эти элементы образуют газообразные водородные соединения. Многие элементы проявляют промежуточные свойства.
Выведем закономерности изменения свойств элементов с увеличением их порядкового номера.
1.Важнейшие количественные характеристики элемента - заряд ядра его атомов и атомная масса - возрастают монотонно.
2.Структуры внешнего электронного слоя изменяются скачкообразно.
3.Периодически повторяются формы и свойства оксидов и гидроксидов элементов.
4.Периодически повышается валентность элементов по кислороду и уменьшается по водороду.
Какова зависимость между характеристиками элемента, меняющимися монотонно и периодически?
Рассмотрим эту связь на примере заряда ядра атомов и их внешних электронов. Для этого построим график. Отметим на горизонтальной линии заряд ядра атома, а на вертикальной - число электронов на внешнем слое атомов элементов.
Число электронов внешнего электронного слоя атомов элементов периодически изменяется при монотонном возрастании величины заряда ядра их атомов.
Открытие периодического закона ознаменовало начало новой эпохи в развитии химии - ее современного этапа. До этого накопленные в науке факты не имели внутренней связи.
Периодический закон раскрыл глубокую связь между элементами, позволил ученым предсказывать свойства еще не открытых элементов и их соединений и целенаправленно осуществлять поиск новых.
Дмитрий Иванович Менделеев не сомневался в достоверности открытого закона, твердо верил в его будущее, в его развитие. Незадолго до смерти он написал: «...периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает».
Периодический закон:
Утвердил глубокую внутреннюю связь между элементами;
Позволил ученым предположить, что все атомы построены по общему плану;
Тем самым создал предпосылку для перехода к новому этапу развития науки, к познанию внутренней структуры атомов - открытие электрона, радиоактивности, разработка теории строения атома и т.д.
Следующим этапом стало раскрытие физической сущности закона на основе теории строения атома.
Вы уже знакомы со строением атомов и знаете, что заряд ядра атома - его главная характеристика. Заряд ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Менделеева.
Ученик Резерфорда английский учёный-физик Генри Мозли установил в 1913 году, что длина волны рентгеновского излучения у каждого элемента своя. Она увеличивается с возрастанием атомной массы. Мозли связал частоту этого излучения с порядковым номером элемента. Закон Мозли подтвердил, что изменение Менделеевым порядковых номеров элементов в периодической системе соответствовало последовательному увеличению зарядов ядер их атомов. Этот вопрос мы уже обсуждали при изучении изотопов.
В связи с новыми открытиями в области строения атома периодический закон принял следующую современную формулировку:
Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.
Почему свойства элементов и их соединений изменяются периодически?
В чем причина периодичности?
Ответ на данный вопрос также позволяет дать теория строения атома:
Величина заряда ядра - главная характеристика элемента, мера его индивидуальности. От этой характеристики элемента зависят все остальные его свойства, она определяет число электронов и их состояние в атоме.
Возрастание зарядов ядер атомов от первого до последнего элемента приводит к периодическому повторению электронных структур атомов и числа электронов на внешнем энергетическом уровне. В этом физический смысл периодического закона и причина периодичности изменения свойств элементов.
Периодическое изменение свойств элементов объясняется периодическим повторением числа электронов на внешнем энергетическом уровне и электронных структур атомов.
Теория строения атома способствовала развитию периодического закона и периодической системы химических элементов, определению их современного содержания. Она дала импульс к изучению внутреннего строения веществ, к открытию и получению новых элементов.
План.
1.Периодический закон Д.И. Менделеева и его общенаучное и философское значение.
2.Периодическая система и порядковый номер элемента как его важнейшая характеристика. Периоды и группы.
3.Изменение свойств элементов в периодической системе.
4.Расположение металлов и неметаллов в периодической системе.
1. Периодический закон (Д.И. Менделеев, 1869)
Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов
Почему свойства элементов периодически повторяются?
С увеличением заряда ядра у элементов периодически повторяется количество и распределение валентных электронов, от которых в большой степени зависят свойства элементов
2. Периодическая система элементов
Это графическое изображение периодического закона. В периодической системе выделяют горизонтальное (период) и вертикальное (группа) направления.
Период
Горизонтальный ряд элементов, у которых заполняются электронами одинаковое число энергетических уровней. Ш период: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar – у атомов данных элементов заполняется 3 энергетических уровня. В периодической системе 7 периодов: 1,2,3 – малые (состоят из одного ряда); 4,5,6,7 – большие (имеют по два ряда); 7-й период – незаконченный.
Группа
Вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое, равное номеру группы, количество валентных электронов, одинаковую максимальную валентность. В системе 8 групп. В зависимости от того, как распределяются валентные электроны у элементов, группа делится на две подгруппы: главную и побочную.
Подгруппа
Вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число и одинаковое распределение валентных электронов, а следовательно и сходные свойства.
Главная подгруппа – группа «А»
Вертикальный ряд элементов, у которых все валентные электроны расположены на последнем уровне. В состав главной подгруппы входят элементы больших и малых периодов.
Побочная подгруппа «В»
Вертикальный ряд элементов, у которых независимо от номера группы, на последнем, уровне находится не более 2-х электронов, остальные валентные электроны расположены на предпоследнем уровне. В состав побочных подгрупп входят элементы только больших периодов
Периодическая система и строение атома
1. Порядковый номер элемента указывает на положительный заряд ядра, число протонов в ядре, число электронов в атоме.
2. Номер периода указывает на число энергетических уровней в атоме.
3. Номера групп для всех элементов, за некоторым исключением, указывают на число валентных электронов, для элементов главных подгрупп – на количество внешних электронов.
3.
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Радиус атома, r
В периоде слева направо радиус атома несколько уменьшается, т.к. при одинаковом количестве энергетических уровней в результате увеличения заряда ядра электроны притягиваются сильнее. В главной подгруппе сверху вниз, с увеличением числа энергетических уровней радиус атома возрастает. В побочной подгруппе он изменяется нелинейно.
Энергия ионизации, ЭИ
Это энергия, необходимая для отрыва электрона от атома. Выражается в электрон-вольтах. В периоде с увеличением заряда ядра, числа, внешних электронов, уменьшением радиуса атома слева направо она возрастает, в главной подгруппе с увеличением радиуса атома сверху вниз убывает.
Энергия сродства к электрону, ЭС
Энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона. В периоде слева направо она возрастает, в главной подгруппе сверху вниз убывает. Выражается в электрон-вольтах.
Электроотрицательность, ЭО
Это способность атома в молекуле притягивать к себе электроны. В периоде слева направо возрастает, в главной подгруппе – сверху вниз убывает. Наибольшее значение электроотрицательности имеет фтор.
Число электронов на внешнем уровне
В периоде слева направо увеличивается от I до 8 (исключение составляет 1-й период, от I до 2). У элементов главных подгрупп равно номеру группы (исключение Н, Не), у элементов побочных подгрупп на внешнем уровне не более 2-х электронов. При образовании химических соединений атомы стремятся к устойчивому состоянию - 8 электронов на внешнем уровне (для первых элементов – 2е). Достигается это путем отдачи или присоединения электронов, в зависимости от того, что атому сделать легче.
4.
МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ
В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Металлы
Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число электронов: 1, 2, 3. При образовании соединений металлы всегда отдают ē и имеют только положительный заряд.
Неметаллы
Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат 4-8 электронов. При образовании соединений неметаллы могут как принимать электроны (возникает заряд отрицательный), так и отдавать электроны (возникает заряд положительный).
Если в периодической системе провести диагональ от бора (Z = 5) до астата (Z = 85), то вниз от диагонали все элементы-металлы, а вверх - неметаллы, за исключением элементов побочных подгрупп. У элементов побочных подгрупп на внешнем уровне не более 2-х ē, они все относятся к металлам.
Четкой границы между металлами и неметаллами нет, более правильно говорить о металличности и неметалличности элемента.
Металличность
Способность атома отдавать электроны. В периоде слева направо с увеличением числа ē да внешнем уровне металличность ослабевает. В главных подгруппах сверху вниз металличность возрастает, т.к. увеличивается радиус атома, прочность связи внешних ē с ядром уменьшается, способность отдавать ē возрастает.
Неметалличность
Способность атома присоединять электроны.
В периоде слева направо с увеличением числа е на внешнем уровне возрастает; в главной подгруппе сверху вниз с увеличением радиуса атома ослабевает.
Таким образом, каждый период за исключением первого, начинается активным металлом (щелочным), заканчивается активным неметаллом (галогеном) и инертным газом. Самый активный металл – франций, самый активный неметалл – фтор.
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Основные понятия:
1. Порядковый номер химического элемента - номер, данный элементу при его нумерации. Показывает общее число электронов в атоме и число протонов в ядре, определяет заряд ядра атома данного химического элемента.
2. Период – химические элементы, расположенные в строчку (периодов всего 7). Период определяет количество энергетических уровней в атоме.
Малые периоды (1 – 3) включают только s - и p - элементы (элементы главных подгрупп) и состоят из одной строчки; большие (4 – 7) включают не только s - и p - элементы (элементы главных подгрупп), но и d - и f - элементы (элементы побочных подгрупп) и состоят из двух строчек.
3. Группы – химические элементы, расположенные в столбик (групп всего 8). Группа определяет количество электронов внешнего уровня для элементов главных подгрупп, а так же число валентных электронов в атоме химического элемента.
Главная подгруппа (А) – включает элементы больших и малых периодов (только s - и p - элементы).
Побочная подгруппа (В) – включает элементы только больших периодов (только d - или f - элементы).
4. Относительная атомная масса (A r ) – показывает, во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 части атома 12 С, это безразмерная величина (для расчётов берут округлённое значение).
5. Изотопы – разновидность атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся друг от друга только своей массой, с одинаковым порядковым номером.
Строение атома
Основные понятия:
1. Электронное облако – это модель квантовой механики, описывающая движение электрона в атоме.
2. Орбиталь (s , p , d , f ) – часть атомного пространства, в котором вероятность нахождения данного электрона наибольшая (~ 90%).
3. Энергетический уровень – это энергетический слой с определённым уровнем энергии находящихся на нём электронов.
Число энергетических уровней в атоме химического элемента равно номеру периода, в котором этот элемент расположен.
4. Максимально возможное число электронов на данном энергетическом уровне определяется по формуле:
N = 2 n 2 , где n – номер периода
5. Распределение орбиталей по уровням представлено схемой:
6. Химический элемент – это вид атомов с определённым зарядом ядра.
7. Состав атома :
|
Частица |
Заряд |
Масса |
||
|
Кл |
условные единицы |
а.е.м. |
||
|
Электрон (ē) |
1.6 ∙ 10 -19 |
9.10 ∙ 10 -28 |
0.00055 |
|
|
Протон (p ) |
1.6 ∙ 10 -19 |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00728 |
|
|
Нейтрон (n ) |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00866 |
||
8. Состав атомного ядра :
·В состав ядра входят элементарные частицы –
протоны (p ) и нейтроны (n ).
·Т.к. практически вся масса атома сосредоточена в ядре, то округлённое значение A r химического элемента равно сумме протонов и нейтронов в ядре.
9. Общее число электронов в электронной оболочке атома равно числу протонов в ядре и порядковому номеру химического элемента.
Порядок заполнения уровней и подуровней электронами
I . Электронные формулы атомов химических элементов составляют в следующем порядке:
· Сначала по номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева определяют общее число электронов в атоме;
· Затем по номеру периода, в котором расположен элемент, определяют число энергетических уровней;
· Уровни разбивают на подуровни и орбитали, и заполняют их электронами в соответствии Принципом наименьшей энергии
· Для удобства электроны можно распределить по энергетическим уровням, воспользовавшись формулой N =2n 2 и с учётом того, что:
1. у элементов главных подгрупп (s -;p -элементы) число электронов на внешнем уровне равно номеру группы.
2. у элементов побочных подгрупп на внешнем уровне обычно два электрона (исключение составляют атомы Cu , Ag , Au , Cr , Nb , Mo , Ru , Rh , у которых на внешнем уровне один электрон, у Pd на внешнем уровне ноль электронов);
3. число электронов на предпоследнем уровне равно общему числу электронов в атоме минус число электронов на всех остальных уровнях.
II . Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяется :
1.Принципом наименьшей энергии
Шкала энергий :
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s…
2. Состояние атома с полностью или наполовину заполненным подуровнем (т. е. когда на каждой орбитали имеется по одному неспаренному электрону) является более устойчивым.
Этим объясняется «провал» электрона. Так, устойчивому состоянию атома хрома соответствует следующее распределение электронов:
Cr : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 , ане 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 4 ,
т. е. происходит «провал» электрона с 4s -подуровня на 3d -подуровень.
III . Семейства химических элементов.
Элементы, в атомах которых происходит заполнение электронами s -подуровня внешнего s -элементами . Это первые 2 элемента каждого периода, составляющие главные подгруппы I иII групп.
Элементы, в атомах которых электронами заполняется p -подуровень внешнего энергетического уровня, называются p -элементами . Это последние 6 элементов каждого периода (за исключением I и VII ), составляющие главные подгруппы III - VIII групп.
Элементы, в которых заполняется d -подуровень второго снаружи уровня, называются d -элементами . Это элементы вставных декад IV , V , VI периодов.
Элементы, в которых заполняется f -подуровень третьего снаружи уровня, называются f -элементами . К f -элементам относятся лантаноиды и актиноиды.
Периодический закон Д. И. Менделеева
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
Современная формулировка периодического закона.
Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости структуры внешней валентной электронной оболочки.
Основные положения
1. В периоде слева направо:
2) Заряд ядра – увеличивается
3) Количество энергоуровней – постоянно
4) Количество электронов на внешнем уровне - увеличивается
5) Радиус атомов – уменьшается
6) Электроотрицательность – увеличивается
Следовательно, внешние электроны удерживаются сильнее, и металлические (восстановительные) свойства ослабевают, а неметаллические (окислительные) усиливаются.
2. В группе, в главной подгруппе сверху вниз:
1) Относительная атомная масса – увеличивается
2) Число электронов на внешнем уровне – постоянно
3) Заряд ядра – увеличивается
4) Количество энергоуровней – увеличивается
5) Радиус атомов - увеличивается
6) Электроотрицательность – уменьшается.
Следовательно, внешние электроны удерживаются слабее, и металлические (восстановительные) свойства элементов усиливаются, неметаллические (окислительные) - ослабевают.
3. Изменение свойств летучих водородных соединений:
1)в группах главных подгруппах с ростом заряда ядра прочность летучих водородных соединений уменьшается, а кислотные свойства их водных растворов усиливаются (основные свойства уменьшаются);
2)в периодах слева направо кислотные свойства летучих водородных соединений в водных растворах усиливаются (основные уменьшаются), а прочность уменьшается;
3)в группах с ростом заряда ядра в главных подгруппах валентность элемента в летучих водородных соединениях не изменяется, в периодах слева направо уменьшается от IV до I .
4. Изменение свойств высших оксидов и соответствующих им гидроксидов (кислородсодержащие кислоты неметаллов и основания металлов):
1) в периодах слева направо свойства высших оксидов и соответствующих им гидроксидов изменяются от основных через амфотерные к кислотным;
2)кислотные свойства высших оксидов и соответствующих им гидроксидов с ростом заряда ядра в периоде усиливаются, основные уменьшаются, прочность уменьшается;
3)в группах главных подгруппах у высших оксидов и соответствующих им гидроксидов с ростом заряда ядра прочность растёт, кислотные свойства уменьшаются, основные усиливаются;
4)в группах с ростом заряда ядра в главных подгруппах валентность элемента в высших оксидах не изменяется, в периодах слева направо увеличивается от I до VIII .
5. Завершенность внешнего уровня – если на внешнем уровне атома 8 электронов (для водорода и гелия 2 электрона)
6. Металлические свойства – способность атома отдавать электроны до завершения внешнего уровня.
7. Неметаллические свойства - способность атома принимать электроны до завершения внешнего уровня.
8. Электроотрицательность – способность атома в молекуле притягивать к себе электроны
9. Семейства элементов:
Щелочные металлы (1 группа «А») – Li , Na , K , Rb , Cs , Fr
Галогены (7 группа «А») – F , Cl , Br , I
Инертные газы (8 группа «А») – He , Ne , Ar , Xe , Rn
Халькогены (6 группа «А») – O , S , Se , Te , Po
Щелочноземельные металлы (2 группа «А») – Ca , Sr , Ba , Ra
10. Радиус атома – расстояние от ядра атома до внешнего уровня
Задания для закрепления:
