Свойства элементов и их соединений определяются : 1 - зарядов ядер атомов, 2 - атомными радиусами.
Малые периоды . Рассмотрим изменение некоторых свойств элементов и их соединений на примере II периода (см. табл. 3). Во втором периоде с увеличением положительного заряда ядер атомов происходит последовательное увеличение числа электронов на внешнем уровне, который наиболее удален от ядра атома и поэтому легко деформируется, что приводит к быстрому уменьшению радиуса атомов. Этим объясняется быстрое ослабление металлических и восстановительных свойств элементов, усиление неметаллических и окислительных свойств, нарастание кислотных свойств оксидов и гидроксидов и уменьшение основных свойств. Завершается период благородным газом (Ne). В третьем периоде свойства элементов и их соединений изменяются так же, как и во втором, так как у атомов элементов данного периода повторяются электронные структуры атомов элементов второго периода (3s- и 3p-подуровни)
Большие периоды (IV, V ). В четных рядах больших периодов (IV, V), начиная с третьего элемента происходит последовательное увеличение числа электронов на предпоследнем уровне, а структура внешнего уровня остается неизменной. Предпоследний уровень расположен ближе к ядру атома и поэтому деформируется в меньшей степени. Это приводит к более медленному уменьшению радиуса атомов. Например:
Следствием медленного изменения радиуса атомов и одинакового числа электронов на внешнем уровне является и медленное убывание металлических и восстановительных свойств элементов и их соединений. Так, в четном ряду IV периода K - Mn - активные металлы Fe - Ni - металлы средней активности (сравните с элементами II периода, где третий элемент - бор - уже неметалл).
А начиная с III группы нечетного ряда свойства элементов и их соединений изменяются также, как в малых периодах, т. к. начинает застраиваться внешний уровень. Таким образом, структура энергетического уровня является определяющей в свойствах элементов и их соединений. Завершается каждый рассматриваемый период также благородным газом.
Рассмотрев изменение некоторых свойств элементов и их соединений в периодах, можно сделать следующие выводы:
1. Каждый период начинается щелочным металлом, а заканчивается благородным газом.
2. Свойства элементов и их соединений периодически повторяются потому, что периодически повторяются строения энергетических уровней, В этом физический смысл периодического закона.
В главных подгруппах увеличивается число энергетических уровней, это приводит к возрастанию атомных радиусов. Поэтому в главных подгруппах (сверху вниз) уменьшается электроотрицательность, возрастают мегалитические и восстановительные свойства элементов, а неметаллические и окислительные - убывают, основные свойства оксидов и гидроксидов увеличиваются, а кислотные - уменьшаются. Для примера рассмотрим главную подгруппу II группы.
Таким образом, свойства элемента и его соединений являются промежуточными между двух соседних с ним элементов по периоду и подгруппе.
По координатам (номер периода и номер группы) элемента в периодической системе Д. И. Менделеева можно определить электронную структуру его атома, а, следовательно, предвидеть его главные свойства.
1. число электронных уровней в атоме определяет № периода , в котором находится соответствующий элемент.
2. Суммарное число электронов , находящихся в s- и p-орбиталях внешнего уровня (для элементов главных подгрупп) и в d-орбиталях предвнешнего и s-орбиталях внешнего уровня (для элементов побочных подгрупп; исключения :
определяет № группы .
3. f-элементы располагаются либо в побочной подгруппе III группы (короткопериодный вариант), либо между IIА- и IIIВ-группами (длиннопериодный вариант) - лантаноиды (№ 57-70), актиноиды (№ 89-102).
4. Атомы элементов разных периодов, но одной подгруппы имеют одинаковое строение внешних и предвнешних электронных уровней и, следовательно, обладают близкими химическими свойствами.
5. максимальное окислительное число элемента совпадает с номером группы, в которой элемент находится. Характер образуемых элементом оксидов и гидроксидов зависит от окислительного числа элементов в них. Оксиды и гидроксиды, в которых элемент находится в степени окисления:
Чем больше степень окисления кислотообразующего элемента, тем ярче выражены кислотные свойства оксидов и гидроксидов.
Следовательно: оксиды и гидроксиды элементов I-III групп преимущественно амфотерные. Оксиды и гидроксиды элементов IV-VII групп преимущественно кислотные (при максимальной степени окисления). Оксиды и гидроксиды тех же элементов, но с низшей степенью окисления могут быть разного характера.
6. Соединения элементов с водородом могут быть подразделены на 3 большие группы:
а) солеподобные гидриды активных металлов (LiH - , CaH - и др.);
б) ковалентные водородные соединения р-элементов (B 2 H 6 , CH 4 , NH 3 , H 2 O, HF и др.);
в) металлоподобные фазы, образуемые d- и f-элементами; последние обычно являются нестехиометрическими соединениями и часто трудно решить, относить ли их к индивидуальным соединениям или твердым растворам.
Водородные соединения элементов IV группы (СН 4 -метан, SiН 4 - силан) не взаимодействуют с кислотами и основаниями, практически не растворяются в воде.
Водородные соединения элементов V группы (NН 3 -аммиак) при растворении в воде образуют основания.
Водородные соединения элементов VI и VII групп (Н 2 S, НF) при растворении в воде образуют кислоты.
7. элементы второго периода, в атомах которых заполняется 2-й электронный слой, сильно отличаются от всех других элементов. Это объясняется тем, что энергия электронов во втором слое значительно ниже энергии электронов в последующих слоях, и тем, что во втором слое не может находиться более восьми электронов.
8. d-элементы одного периода меньше отличаются друг от друга, чем элементы главных подгрупп, у которых застраиваются внешние электронные слои.
9. различия в свойствах лантаноидов, в атомах которых застраивается f-оболочка, принадлежащая к третьему с наружи слою, являются незначительными.
Каждый период (за исключением первого) начинается типичным металлом и заканчивается благородным газом, которому предшествует типичный неметалл.
Изменение свойств элементов в пределах периода:
1) ослабление металлических свойств;
2) уменьшение радиуса атома;
3) усиление окислительных свойств;
4) возрастает энергия ионизации;
5) увеличивается сродство к электрону;
6) увеличивается электроотрицательность;
7) нарастают кислотные свойства оксидов и гидроксидов;
8) начиная с IV группы (для р-элементов) увеличивается устойчивость водородных соединений и усиливаются их кислотные свойства.
Изменение свойств элементов в пределах группы:
1) возрастают металлические свойства;
2) увеличивается радиус атома;
3) усиление восстановительных свойств;
4) уменьшается энергия ионизации;
5) уменьшается сродство к электрону;
6) уменьшается электроотрицательность;
7) нарастают основные свойства оксидов и гидроксидов;
8) начиная с IV группы (для р-элементов) уменьшается устойчивость водородных соединений, усиливаются их кислотные и окислительные свойства.
ВАЛЕНТНОСТЬ - способность атомов элементов образовывать химические связи. Количественно валентность определяется числом не спаренных электронов.
В 1852 г. английский химик Эдуард Франкленд ввел понятие о соединительной силе. Это свойство атомов позже стали называть валентностью.
валентность равна 2 , т. к. есть 2 не спаренных электрона.
СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ - условный заряд атома, который вычисляют исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов.
В отличие от валентности степень окисления имеет знак.
Положительная степень окисления равна числу оттянутых (отданных) электронов от данного атома. Атом может отдавать все не спаренные электроны.
Отрицательная степень окисления равна числу притянутых (присоединенных) электронов к данному атому; ее проявляют только неметаллы. Атомы неметаллов присоединяют такое количество электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьми электронной конфигурации внешнего уровня.
Например: N -3 ; S -2 ; Cl - ; C -4 .
Одним из важнейших законов природы является периодический закон, открытый в 1869 г. Менделеевым, который он сформулировал так: "Свойства простых веществ, также формы и свойства соединений находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов".
С развитием квантовой химии периодический закон получил строгое теоретическое обоснование, а с ним и новую формулировку: "Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов".
До Менделеева многие пытались систематизировать элементы, наиболее близко подошел Майер (Германия). В 1864 г. в своей книге он привел таблицу, в которой элементы были также расположены в порядке возрастания их атомных масс, но в эту таблицу Майер поместил всего 27 элементов, меньше половины, известных в то время. Заслуга Менделеева, что в его таблице нашлось место не только всем известным элементам, но были оставлены пустые места для еще не открытых элементов (экабор – Sc, экаалюминий – Ga, экасилиций – Ge).
С точки зрения электронного строения атома:
Периодом называют горизонтальную последовательность элементов, начинающуюся со щелочного металла и заканчивающуюся благородным газом с тем же максимальным значением главного квантового числа, равного номеру периода.
Число элементов в периоде определяется емкостью подуровней.
Группой элементов называют вертикальную совокупность элементов, обладающую однотипной электронной конфигурацией и определенным химическим сходством. Номер группы (за исключением I, II, VIII побочных подгрупп) равен сумме валентных электронов.
Кроме деления по периодам (определяемое главным квантовым числом) существует деление на семейства , определяемое орбитальным квантовым числом. Если у элемента заполняется s-подуровень, то s-семейство или s-элемент; p-подуровень – p‑элемент; d-подуровень – d-элемент; f-подуровень – f-элемент.
В короткопериодной форме периодической системы 8 групп, каждая из которых делится на главную и побочную подгруппы. I и II главные подгруппы заполняются s-элементами; III‑VIII главные подгруппы – р-элементами. d-элементы находятся в побочных подгруппах. f-элементы вынесены в отдельные группы.
Таким образом, каждый элемент в периодической системе элементов занимает строго определенное место, которое отмечается порядковым номером и связано со строением электронных оболочек атома.
1.2.1. Закономерности изменения свойств элементов и их соединений по периодам и группам
Экспериментальными исследованиями была установлена зависимость химических и физических свойств элементов от их положения в периодической системе.
Энергией ионизации называется энергия, которую надо затратить для отрыва и удаления электрона от атома, иона или молекулы. Она выражается в Дж или эВ (1эВ=1,6 . 10 -19 Дж).
Энергия ионизации является мерой восстановительной способности атома. Чем ниже значение энергии ионизации, тем выше восстановительная способность атома. Атомы, теряя электрон, превращаются в положительно заряженные ионы.
Сродство к электрону называется энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому, молекуле или радикалу.
Энергия сродства к электрону атомов закономерно изменяется в соответствии с характером электронных структур атомов элементов. В периодах слева направо сродство к электрону и окислительные свойства элементов возрастают. В группах сверху вниз сродство к электрону, как правило, уменьшается.
Галогены отличаются самым высоким сродством к электрону, т.к. присоединяя один электрон к нейтральному атому, она приобретает законченную электронную конфигурацию благородного газа.
Характеристика о том, какой из атомов легче отдает или присоединяет электрон, называется электроотрицательностью которая равна полусумме энергии ионизации и сродства к электрону.
Электроотрицательность возрастает в направлении слева направо для элементов каждого периода и уменьшается в направлении сверху вниз для элементов одной и той же группы ПС.
Атомные и ионные радиусы
Атомы и ионы не имеют строго определенных границ вследствие волновой природы электронов. Поэтому определяют условные радиусы атомов и ионов, связанных друг с другом химической связью в кристаллах.
Радиусы атомов металлов в периодах с ростом порядкового номера элементов уменьшаются , т.к. при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а, следовательно, и притяжение им электронов.
В пределах каждой группы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз , т.к. возрастает число энергетических уровней. Радиусы ионов также находятся в периодической зависимости от порядкового номера элемента.
Пример. Как изменяются размеры атомов внутри периода, при переходе от одного периода к другому и в пределах одной группы? Какие элементы имеют минимальное и максимальное значения размера атома?
Внутри периода (слева направо) размеры атомов уменьшаются, т.к. увеличивается заряд ядра и электроны сильнее притягиваются к ядру. В главных подгруппах размеры атомов увеличиваются, т.к. увеличивается число электронных слоев. В побочных подгруппах такие изменения меньше заметны, за счет d -сжатия, а при переходе из V в VI период происходит даже уменьшение уменьшение размеров атомов за счет f -сжатия.
Согласно этим правилам минимальное значение размера атома имеет гелий , а максимальное – цезий . Франций не имеет долгоживущих изотопов (природный изотоп радиоактивен, период полураспада 21 минута).
Металлы и неметаллы. Деление элементов и простых веществ на металлы и неметаллы в известной степени условно.
По физическим свойствам металлы характеризуются высокой теплопроводностью и электрической проводимостью, отрицательным температурным коэффициентом проводимости, специфическим металлическим блеском, ковкостью, пластичностью и т.п.
По химическим свойствам металлы характеризуются основными свойствами оксидов и гидроксидов и восстановительными свойствами.
Подобные различия в свойствах простых веществ связаны с характером химической связи при их образовании. Металлическая связь в металлах образуется при дефиците валентных электронов, а ковалентная в неметаллах при их достаточном количестве. Исходя из этого, можно провести вертикальную границу между элементами IIIA и IV групп. Слева – элементы с дефицитом валентных электронов, справа – с избытком. Это граница Цинтля.
Пример. Чем отличаются типичные металлы от неметаллов? Почему и как изменяются металлические свойства с увеличением порядкового номера элементов?
В периодической системе элементов в основном находятся металлы, неметаллов немного (всего 22). К металлам относятся все s -элементы. Это связано с наличием у них малого числа валентных электронов (1 или 2), в результате этого дефицита электронов образуется металлическая связь.
Все d - и f -элементы тоже являются металлами. При образовании химических связей в качестве валентных электронов у атомов d -элементов выступают s -электроны внешнего энергетического уровня и часть или все d -электроны предпоследнего уровня, причем d -электроны участвуют в образовании химических связей лишь после того, как будут связаны все внешние s -электроны. Кроме того, легкости удаления s -электронов способствует эффект экранирования заряда ядра. Он состоит в уменьшении воздействия на электрон положительного заряда ядра из-за наличия между рассматриваемым электроном и ядром других электронов (это d - или f -электроны).
У р-элементов происходит конкуренция между увеличением числа валентных электронов (неметаллические свойства) и экранированием заряда ядра (усиливаются металлические свойства). В связи с этим у р-элементов по подгруппе сверху вниз увеличивается устойчивость низших степеней окисления.
По периоду справа налево увеличиваются неметаллические свойства атомов, за счет увеличения заряда ядра атома и трудности отдачи электронов. По подгруппе сверху вниз увеличиваются металлические свойства, т. к. ослабевает связь внешних электронов с ядром.
Свойства соединений подразделяются на кислотно-основные и окислительно-восстановительные. Периодическая система элементов хорошо объясняет эти закономерности. Рассмотрим это на примере гидроксидов.
Если элемент имеет степень окисления маленькую (+1 или +2), например, Na-O-H, то связь Na-O менее прочная, чем O-H и разрыв связи происходит по менее прочной связи.
Na-O-H Na + + OH - . Соединение обладает основными свойствами.
Если степень окисления элемента большая (от +5 до +7), то связь элемент – кислород прочнее, чем связь О-Н и соединение обладает кислотными свойствами. В азотной кислоте степень окисления азота большая (+5).
H + + NO 3 -
Соединения в степени окисления +3 и +4 проявляют амфотерные свойства, т.е. в зависимости от партнера по реакции могут проявлять как кислотные, так и основные свойства. Но есть исключения Zn +2 , Be +2 , Sn +2 , Pb +2 , Ge +2 имеют степень окисления +2, но являются амфотерными соединениями.
По периоду справа налево увеличивается высшая степень окисления, равная номеру группы, поэтому увеличиваются неметаллические и кислотные свойства .
По подгруппе сверху вниз увеличиваются металлические и основные свойства , т.к. увеличивается размер атома и связь с соседним атомом ослабляется.
Таким образом, периодическая система позволяет проанализировать положение простых веществ в связи с особенностями их свойств (металлы, неметаллы).
Периодический закон Менделеева дает возможность определять и свойства простых веществ в химических соединениях. Впервые предсказание свойств было осуществлено самим Менделеевым. Он рассчитал свойства и тех элементов, которые еще не были открыты.
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.
Элементы, которые находятся в одной подгруппе, являются элементами-аналогами, т.к. они имеют некоторые общие свойства (одинаковую высшую валентность, одинаковые формы оксидов и гидроксидов и др.). Эти общие свойства объясняются строением внешнего электронного слоя.
Подробнее про закономерности изменения свойств элементов по периодам и группам
Кислотно — основные свойства гидроксидов зависят от того, какая из двух связей в цепочке Э −О − Н является менее прочной.
Если менее прочна связь Э−О, то гидроксид проявляет основные
свойства, если О−Н − кислотные.
Чем менее прочны эти связи, тем больше сила соответствующего основания или кислоты. Прочность связей Э−О и О−Н в гидроксиде зависит от распределения электронной плотности в цепочке Э−О− H. На последнюю наиболее сильно влияют степень окисления элемента и ионный радиус. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение его ионного радиуса, вызывают смещение электронной плотности к атому
элемента в цепочке Э ← О ←Н. Это приводит к ослаблению связи О−Н и усилению связи Э−О. Поэтому основные свойства гидроксида ослабевают, а кислотные − усиливаются.
Пояснительная записка Тематический тест « Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам» предназначен для подготовки учащихся к Единому Государственному экзамену по химии. Целевая аудитория - 11 класс. Формулировки тестовых заданий соответствуют демонстрационной версии контрольно-измерительных материалов по химии 2018 года.
Задания составлены по аналогии с тестами, опубликованными в пособии «ЕГЭ. Химия: типовые экзаменационные варианты: 30 вариантов/ под ред. А.А. Кавериной», вышедшем в издательстве «Национальное образование» (Москва, 2017 год)
Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам
| 1) Cl | 2) K | 3) Si | 4) S | 5) O |
- Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одном периоде. Расположите выбранные элементы в порядке уменьшения их электроотрицательности.
Запишите в поле ответа номера выбранных элементов в нужной последовательности.
Ответ:
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одной группе. Расположите выбранные элементы в порядке возрастания кислотных свойств их водородных соединений.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одной группе. Расположите выбранные элементы в порядке уменьшения их металлических свойств.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одном периоде. Расположите выбранные элементы в порядке возрастания кислотных свойств их высших гидроксидов.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одном периоде. Расположите выбранные элементы в порядке увеличения числа внешних электронов в атомах этих элементов.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одном периоде. Расположите выбранные элементы в порядке возрастания радиуса их атомов.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одном периоде. Расположите выбранные элементы в порядке усиления окислительных свойств их атомов.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одной группе. Расположите выбранные элементы в порядке усиления основных свойств образуемых ими оксидов.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три металла. Расположите выбранные элементы в порядке уменьшения восстановительных свойств.
Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находятся в одной группе.
Расположите эти элементы в порядке увеличения силы притяжения валентных электронов.
Ответы
Вопрос 1
Вопрос 2
Вопрос 3
Вопрос № 3 Как изменяются свойства химических элементов в периодах и главных подгруппах? Объясните эти закономерности с точки зрения теории строения том.
Ответ:
I. С возрастанием порядкового номера элемента в периоде уменьшаются металлические свойства элементов и увеличиваются неметаллические, кроме этого, в периодах (малых) валентность элементов в соединениях с кислородом возрастает от 1 до 7, слева направо. Эти явления объясняются строением атомов:
1) С увеличением порядкового номера в периоде постепенно заполняются электронами внешние энергетические уровни, количество электронов на последнем уровне соответствует номеру группы и высшей валентности в соединениях с ки-слородом.
2) С увеличением порядкового номера в периоде увеличивается заряд ядра, что вызывает увеличение сил притяжения электронов к ядру В результате радиусы атомов уменьшаются, поэтому способность атомов отдавать электроны (металлические свойства) постепенно ослабевает и последние элементы периодов являются типичными неметаллами.