3.6 Зависимость свойств элементов

3.6.  Зависимость свойств элементов от строения их атомов

Теория строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов при увеличении порядкового номера.

Важнейшими свойствами элементов являются металличность (металлические свойства) и неметалличность (неметаллические свойства).

Металличность – это способность атомов элемента отдавать электроны. Количественной характеристикой металличности элемента является энергия ионизации.

Энергия ионизации атома – это количество энергии, которое необходимо для отрыва электрона от атома элемента, т.е. для превращения атомов в положительно заряженный ион:

Чем меньше энергия ионизации, тем легче атом отдает электрон, тем сильнее металлические свойства элемента.

Неметалличность – это способность атомов элемента присоединять электроны.

Количественной характеристикой неметалличности элемента является сродство к электрону (Е_ср).

Сродство к электрону – это энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому, т.е.  при превращении атомов в отрицательно заряженный ион: 

Чем больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон, тем сильнее неметаллические свойства элемента. Универсальной  характеристикой металличности и неметалличности элементов является электроотрицательность элемента (ЭО).

Электроотрицательность элемента характеризует способность его атомов притягивать к себе электроны, которые участвуют в образовании химических связей с другими атомами в молекуле.

Чем больше металличность, тем меньше ЭО.

Чем больше неметалличность, тем больше ЭО.

При определении значений относительной электроотрицательности различных элементов за единицу принята ЭО лития.

Рассмотрим, как изменяются некоторые характеристики элементов в малых периодах слева направо:

Ø Заряд ядер атомов увеличивается.

Ø Число электронных слоев атомов не изменяется.

Ø Число электронов на внешнем слое атомов увеличивается от 1 до 8.

Ø Радиус атомов уменьшается.

Ø Прочность связи электронов внешнего слоя с ядром увеличивается.

Ø Энергия ионизации увеличивается.

Ø Сродство к электрону увеличивается.

Ø Электроотрицательность увеличивается.

Ø Металличность элементов уменьшается.

Ø Неметалличность элементов увеличивается.

В больших периодах с увеличением заряда ядер электронное строение атомов изменяется сложнее, чем в малых периодах. Поэтому и изменение свойств элементов в больших периодах более сложное.

Рассмотрим это изменение свойств на примере четвертого периода. Он начинается, как и малые периоды, двумя s-элементами – К и Са, в атомах которых на внешнем слое находится соответственно 1 и 2 электрона. Эти элементы имеют наибольшие радиусы атомов среди всех элементов IV периода, поэтому электроны внешнего слоя слабо связаны с атомами, и эти элементы являются типичными металлами. Эти элементы имеют самые низкие в IV периоде значения ЭО.

Рассмотрим, как изменяются некоторые характеристики элементов в главных подгруппах сверху вниз:

Ø Число электронных слоев атомов увеличивается.

Ø Число электронов на внешнем слое атомов одинаково.

Ø Радиус атомов увеличивается.

Ø Прочность связи электронов внешнего слоя с ядром уменьшается.

Ø Энергия ионизации уменьшается.

Ø Сродство к электрону уменьшается.

Ø Электроотрицательность уменьшается.

Ø Металличность элементов увеличивается.

Ø Неметалличность элементов уменьшается.

В малых периодах закономерно изменяется высшая валентность элементов: во втором периоде от I у Li до  V у  N; в третьем периоде от  I у Na до  VII  у Cl. В большом четвертом периоде высшая валентность увеличивается от I у K  до  VII у Mn; у следующих элементов она понижается до II у  Zn, а потом снова увеличивается от III у  Ga  до  VII у  Br.

Периодическое изменение высшей валентности объясняется периодическим изменением числа валентных электронов в атомах.

Валентные электроны – это электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей.

В атомах s- и  p-элементов валентными являются, как правило, все электроны внешнего слоя.

В атомах d-элементов валентными являются электроны внешнего слоя, а также все или некоторые d-электроны предвнешнего слоя.

Число валентных электронов для большинства элементов равно номеру группы.

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Расположите в порядке усиления металлических свойств, следующие элементы: As, Sb, N, P, Bi. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.

Решение:

N < P < As < Sb < Bi → металлические свойства возрастают так как:
На внешнем энергетическом уровне у всех элементов по 5 электронов, но от N до Bi возрастают радиусы атомов. 
Чем больше радиус атома, тем слабее притяжение внешних электронов к ядру, тем сильнее проявляются металлические свойства (способность отдавать электроны).

_____________________________________________________________

2.     Расположите в порядке усиления неметаллических свойств, следующие элементы: Si, Al, P, S, Cl, Mg, Na.
Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.

Решение:

Na < Mg < Al < Si < P < S < Cl → неметаллические свойства возрастают так как:
Число энергетических уровней постоянно. 
Увеличивается число электронов на внешнем уровне, и увеличивается заряд ядра. (от 11 у Na до 17 у Cl )
Следовательно притяжение электронов к ядру увеличивается, и радиус, немного уменьшается.

Из-за усиления притяжения электронов к ядру металлические свойства (способность отдавать электроны) уменьшается, а неметаллические свойства увеличиваются.

_____________________________________________________________

3.     Напишите формулы оксидов бора, бериллия и лития и расположите их в порядке возрастания основных свойств. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Каков их химический характер?

Решение:

B₂O₃ < BeO < Li₂O  → основные свойства возрастают.

H₃BO₃  - борная кислота, характер кислотный. 
Be(OH)₂ - гидроксид бериллия, характер амфотерный. 
LiOH - гидроксид лития, характер основный.

_____________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.     Электронная конфигурация элемента 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Назовите атомный (порядковый) номер и группу, в которую входит этот элемент.

2.     Приведены электронные формулы внешних электронных оболочек элементов: а) 2s² 2p⁵, б) 3s² 3p⁴, в) 3d¹ 4s². Составьте полные электронные формулы и определите порядковые номера элементов. Какие это элементы?

3.      В каком периоде Периодической таблицы находится элемент с полностью или частично заселенными орбиталями 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s?

4.     По положению в Периодической таблице определите: а) что лучший окислитель - сера или фосфор? б) У селена или у мышьяка лучше выражены металлические свойства?

5.     По положению элементов в периодической системе определите, какой элемент имеет большую ЭО; больший радиус атома:

Объясните ответ.

6.     Какой элемент имеет самую большую ЭО. Почему?

7.     Напишите символы всех металлов третьего периода, если первым неметаллом в этом периоде является кремний.

8.     Напишите символы всех неметаллов главной подгруппы V группы, если известно, что в этой подгруппе два элемента являются металлами.

9.     Атомы каких элементов – металлов или неметаллов – имеют обычно большее число электронов на внешнем электронном слое.

10.                                                  Напишите символы всех элементов, атомы которых содержат пять валентных электронов. Напишите формулы высших оксидов этих элементов.

1.     Химические свойства какого элемента наиболее похожи на свойства элемента кремния:
а) фосфора	б) алюминия
в) углерода	г) свинца
2.     Какой из элементов IV-ого периода  обладает наиболее выраженными металлическими свойствами:
а) калий	б) цинк
в) кальций	г) германий
3.     Укажите символ элемента с наименее выраженными металлическими свойствами:
а) Mg	б) Ca
в) Be	г) Ba
4.     Какие свойства атомов элементов уменьшаются при движении слева направо по периоду:
а) радиус атома	б) все ответы верны
в) число энергетических уровней в атоме	г) неметаллические
5.     Какие свойства атомов элементов возрастают с увеличением атомного номера элемента в V-ой группе главной подгруппе:
а) металлические	б) все ответы верны
в) неметаллические	г) число электронов на внешнем энергетическом уровне
6.     У какого из элементов VI группы неметаллические свойства выражены наиболее сильно:
а) хрома	б) теллура
в) кислорода	г) серы
7.     Какие утверждения справедливы для последовательности элементов Si – P – Cl:
а) все ответы верны	б) справа налево неметаллические свойства уменьшаются
в) число энергетических уровней в атоме остается постоянным	г) число электронов на внешнем энергетическом уровне возрастает
8.     Чем различаются между собой атомы расположенных в одном и том же периоде элементов Ca  и  Sc:
а) все ответы верны	б) радиусом
в) числом валентных электронов	г) формулой высшего оксида
9.     Что одинаково для атомов расположенных в одной и той же группе элементов S и Сr:
а) радиус	б) число энергетических уровней
в) степень окисления	г) формула высшего оксида
10.                        В ряду элементов Be – Mg – Ca:
а) металлические свойства слева направо возрастают	б) в таком же порядке растет радиус атома
в) растет число энергетических уровней в атоме	г) все ответы верны

Ответы:

1	в
2	а
3	в
4	а
5	а
6	в
7	а
8	а
9	г
10	г