СВОЙСТВА АТОМОВ И ИОНОВ

Химическая активность элемента определяется способностью его атомов терять или приобретать электроны.

Энергия, необходимая для удаления 1 моль электронов от 1 моль атомов какого либо элемента, называется первой энергией ионизации I ₁. Отрыву второго, третьего и т. д. электронов соответствует вторая I ₂, третья I ₃ и т. д. энергии ионизации, причем, I ₁ < I ₂ < I ₃. Особенно резкое увеличение энергии ионизации наблюдается при отрыве электронов из заполненного уровня. Энергию ионизации измеряют в кДж/моль или в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6×10^-19 Дж).

Наименьшее напряжение электрического поля, при котором происходит отрыв электрона, называется потенциалом ионизации. Численное значение энергии ионизации в эВ равно потенциалу ионизации в вольтах.

Энергия ионизации характеризует восстановительную способность элемента. Чем меньше значение I ₁, тем более сильным восстановителем является атом.

В периодах с увеличением порядкового номера элемента первая энергия ионизации возрастает, однако, на электронных конфигурациях, заканчивающихся полностью или наполовину сформированными подуровнями, проявляются локальные максимумы значений I ₁. Это связано с тем фактом, что такие электронные конфигурации обладают повышенной энергетической устойчивостью (их сложнее разрушить). Например, во втором периоде при переходе от N⁷: 1 s ²2 s ²2 p ³ к О⁸:1 s ²2 s ²2 p ⁴ порядковый номер увеличивается, а первая энергия ионизации уменьшается от 14,53 эВ у азота до 13,61 эВ у кислорода. В общем случае локальные максимумы значений I ₁ следует ожидать у атомов, чья электронная формула заканчивается … ns ², … np ³, … np ⁶, …(n – 1) d ⁵, …(n – 1) d ¹⁰ и т.д.

В подгруппах с увеличением порядкового номера элемента I несколько снижается, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния внешних оболочек от ядра.

Таким образом, восстановительная способность элементов в группе сверху вниз возрастает, а в периодах слева направо уменьшается.

Окислительная способность атома характеризуется величиной сродства к электрону F – энергией, которая выделяется при присоединении 1 моль электронов к 1 моль атомов. Чем больше значение F, тем сильнее выражены окислительные свойства атома. В группах с увеличением порядкового номера элемента энергия сродства к электрону уменьшается, а в периодах – возрастает, но не монотонно. Локальные максимумы значений F смещены на один элемент влево по сравнению с энергией ионизации атома. Таким образом, наибольшими значениями F обладают элементы VII группы главной подгруппы. У большинства металлов и у благородных газов сродство к электрону невелико или отрицательно.

Для характеристики способности атомов притягивать к себе электроны, введено понятие - электроотрицательность (ЭО). Эта величина имеет условный характер, так как способность атома притягивать электроны зависит от типа соединения и валентного состояния элемента.

По шкале Р. Малликена

ЭО = , эВ (8)

Использование шкалы Малликена затруднено, так как отсутствуют надежные методы определения сродства к электрону.

Более широкое использование получила относительная шкала электроотрицательностей Л. Полинга. По этой шкале абсолютная ЭО атома лития принята равной единице, а ЭО остальных атомов отнесены к значению абсолютной ЭО(Li). Максимальное значение относительной ЭО, которое равно 4, имеет атом фтора (ЭО(F) = 4). В периодах с ростом порядкового номера элемента электроотрицательность возрастает, а в группах, как правило, убывает.

Поскольку движение электрона имеет волновой характер, невозможно установить абсолютные размеры атомов. В химической практике наиболее часто пользуются двумя типами радиусов: орбитальным радиусом и эффективным радиусом.

Под орбитальным радиусом понимают теоретически рассчитанное расстояние от ядра до главного максимума электронной плотности внешней орбитали. В периодах по мере роста заряда ядра орбитальные радиусы атомов уменьшаются, а в группах – увеличиваются, причем в главных подгруппах увеличение происходит в большей мере, чем в побочных.

Эффективные радиусы атомов рассчитывают из экспериментальных данных, как половину расстояния между центрами смежных атомов в кристалле. Такие радиусы затруднительно сравнивать между собой, так как на их значение оказывают влияние различные факторы (структура вещества, характер связи, степень окисления элемента и т.д.).

При образовании катиона орбитальный радиус частицы уменьшается по сравнению с размером атома, причем, чем больше заряд катиона, тем меньше радиус. В случае образования аниона орбитальный радиус частицы возрастает тем больше, чем выше отрицательный заряд иона.

Пример 1. Укажите, как изменяются первая энергия ионизации, сродство к электрону и орбитальный радиус в ряду элементов K – Cu – Rb. Какой из перечисленных элементов является более сильным окислителем?

Р е ш е н и е

Калий и медь стоят в одном периоде, поэтому при переходе от K к Cu энергия ионизации и сродство к электрону возрастают, а орбитальный радиус уменьшается.

Калий и рубидий находятся в одной подгруппе, следовательно, при переходе от K к Rb энергия ионизации и сродство к электрону уменьшаются, а орбитальный радиус возрастает.

Пример 2. Определите относительную ЭО атома хлора, если I (Cl) = 1140,8 кДж/моль, F (Cl) = 3,54 эВ, а абсолютная ЭО атома лития составляет 2,55 эВ.

Р е ш е н и е

Найдем абсолютную ЭО атома хлора по формуле (8). Для этого значение энергии ионизации пересчитаем с кДж/моль на эВ по формуле

I (Cl) = ,

где N_A – постоянная Авогадро.

I (Cl) = эВ.

Тогда абсолютная ЭО(Cl) = эВ.

Для определения относительной ЭО хлора поделим абсолютное значение ЭО(Cl) на абсолютное значение ЭО(Li)

ЭО(Cl) = 3,01.

Пример 3. Сравните энергии ионизации у следующих пар атомов: а) …2 s ²2 p ³ и …2 s ²2 p ⁴; б) …3 s ² и …2 s ²2 p ². Ответ мотивируйте.

Р е ш е н и е

а) Элементы …2 s ²2 p ³ и …2 s ²2 p ⁴ располагаются в периодической системе в одном периоде, так как их валентные электроны имеют одинаковые значения главного квантового числа (n = 2). Кроме того, данные элементы стоят в периоде друг за другом (их электронные конфигурации отличаются на один электрон). В периоде с ростом порядкового номера энергия ионизации увеличивается. Однако, I (…2 s ²2 p ³) > I (…2 s ²2 p ⁴), поскольку у электронной конфигурации …2 s ²2 p ³ имеется наполовину заполненный p -подуровень, то есть здесь наблюдается локальный максимум энергии ионизации;

б) Элементы …3 s ² и …2 s ²2 p ² расположены в разных периодах и группах, поэтому их нельзя сравнивать без привлечения вспомогательного элемента. Таким элементом может служить …2 s ², так как с первым он стоит в одной группе (число валентных электронов одинаково и равно 2), а со вторым – в одном периоде. Тогда I (…2 s ²) > I (…3 s ²), потому что с увеличением порядкового номера в группе происходит уменьшение энергии ионизации, а I (…2 s ²2 p ²) > I (…2 s ²), поскольку в периоде энергия ионизации увеличивается. Таким образом, I (…2 s ²2 p ²) > I (…2 s ²) > I (…3 s ²) или иначе I (…2 s ²2 p ²) > I (…3 s ²).

З а д а ч и

1. Значение первых потенциалов ионизации элементов I группы периодической системы элементов соответственно равны (В): Li -5,4; Cs - 3,9; Cu - 7,7; Ag - 9,2. Укажите: а) у элементов какой подгруппы I группы металлические свойства выражены более резко; б) чем объяснить различный ход изменения значений потенциалов ионизации в подгруппах.

2. Рассчитайте энергию ионизации алюминия (кДж/моль), соответствующую отрыву третьего электрона, если потенциал ионизации алюминия равен 28,44 В.

3. Вычислите относительную электроотрицательность углерода, если первый ионизационный потенциал углерода равен 11,26 В, а его сродство к электрону 1,12 эВ.

4. Исходя из величин потенциалов ионизации, докажите какой из приведенных элементов Li, Na, K, Rb, Cs является более сильным восстановителем.

5. Какой из s-элементов подгруппы II-A является более сильным восстановителем по отношению к хлору? Ответ мотивируйте.

6. Относительная электроотрицательность йода равна 2,5 а его ионизационный потенциал 10,45 В. Определите сродство йода к электрону (кДж/моль).

7. Сравните энергии ионизации у следующих пар атомов: бор и углерод, кремний и фосфор, кальций и цинк.

8. Определите электроотрицательность атома лития в кДж/моль, если ЭО атома фтора равна 10,2 эВ, а относительные ЭО атомов лития и фтора соответственно равны 1 и 4.

9. Для какого из двух атомов энергия ионизации больше: …6s²6p³ или …6s²6p⁴? Ответ объясните.

10. Для какого из двух элементов энергия ионизации меньше: …3p⁶4s¹ или …3s²3p⁶? Ответ мотивируйте.

11. Сравните значения атомных радиусов элементов: Ca и Zn, Ca и Sr. Ответ объясните.

12. Для атома алюминия значения последовательных энергий ионизации составляют (эВ): I ₁ = 6,0; I ₂ = 18,8; I ₃ = 28,4; I ₄ = 120,0. Объясните, чем вызван резкий скачок при переходе от I ₃ к I ₄.

13. Сравните энергии ионизации и электроотрицательности у следующих пар атомов: а) …4d⁴5s¹ и …4d⁶5s¹; б) …5s²5p³ и …5s²5p⁴. Ответ объясните.

14. Сравните радиусы частиц: Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺. Ответ объясните.

15. Укажите, как изменяется энергия ионизации и атомный радиус при переходе от серы к фосфору.

16. Для какого из атомов энергия ионизации больше и почему: …4d⁴5s² или …4d⁵5s²?

17. Для какого из элементов энергия ионизации больше: … 3s²3p⁶4s¹ или …3s²3p⁶4s²? Ответ объясните. Сравните значения энергии сродства к электрону для этих элементов.

18. Сравните атомные радиусы элементов: галлия и иттрия; фосфора и ванадия. Ответ объясните.

19. Сравните энергию сродства к электрону у атомов третьего периода. Ответ объясните.

20. Для какой электронной конфигурации радиус атома больше: …6s²6p⁴ или …6s²6p⁵? Ответ мотивируйте.

21. Объясните ход изменения значения энергии ионизации у элементов:

22. Исходя из величин потенциалов ионизации, докажите какой из приведенных элементов Be, Ca, Mg, Sr, Ba является более сильным восстановителем.

23. Сравните атомные радиусы элементов: скандия и иттрия; фосфора и серы. Ответ объясните.

24. Для какой электронной конфигурации радиус атома меньше: …5s²5p⁵ или …6s²6p⁵? Ответ мотивируйте.

25. Сравните радиусы атомов и значения электроотрицательностей у следующих пар атомов: а) стронций и кадмий; б) гафний и тантал. Ответ объясните.

26. Укажите, как изменяется энергия ионизации и атомный радиус при переходе от мышьяка к селену и почему.

27. Расположите в порядке уменьшения энергии сродства к электрону элементы: Ca, Mg, Zn. Ответ объясните.

28. Исходя из величин потенциалов ионизации, докажите какой из приведенных элементов Р, Na или Ti является более сильным восстановителем.

29. Для какой электронной конфигурации радиус атома больше: …3s²3p⁶ или …3s²3p⁵? Ответ мотивируйте.

30. Укажите, как изменяется энергия ионизации и атомный радиус при переходе от брома к селену и почему.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

По мере роста заряда ядра происходит закономерная периодическая повторяемость электронных структур валентных подуровней элементов, и как следствие, повторяемость их свойств. Современная формулировка периодического закона гласит:

свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Графическим изображением периодического закона является таблица периодической системы элементов Д.И. Менделеева, в которой элементы располагаются в порядке возрастания заряда ядер их атомов и подразделяются на естественные совокупности – периоды и группы.

Период представляет собой горизонтальный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев. Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня и показывает общее число электронных оболочек атома. Каждый период (исключая первый) начинается типичным металлом и заканчивается благородным газом, которому предшествует неметалл. Таким образом, в периоде с увеличением заряда ядра атомов свойства элементов постепенно изменяются от металлических к типично неметаллическим, что связано с увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне.

Первые три периода содержат только s - и p -элементы и называются малыми. Четвертый и последующие периоды кроме s - и p -элементов содержат также d - и f -элементы и называются большими. У атомов s - и p -элементов свойства соседних атомов изменяются отчетливо, поскольку у них идет формирование электронами внешнего слоя. Для d - и в особенности для f -элементов одного и того же периода отличия в свойствах проявляется менее четко, так как у них происходит заполнение электронами внутренних энергетических уровней, тогда как конфигурация внешнего слоя практически не изменятся.

Элементы периодической системы подразделяют на восемь групп. Положение элемента в группе определяется общим числом его валентных электронов. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. В главных подгруппах находятся только s - и p -элементы, побочные подгруппы содержат d -элементы. В соответствии с особенностями электронных структур f -элементов их относят к III побочной подгруппе. В коротком (восьмиклеточном) варианте периодической системы Д.И. Менделеева 4 f -элементы шестого периода и 5 f -элементы седьмого периода вынесены за рамки таблицы как семейства лантаноидов и актиноидов соответственно.

Элементы-аналоги, то есть элементы, расположенные в одной подгруппе, имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня при разных значениях главного квантового числа n и поэтому проявляют сходные химические свойства. В подгруппах с увеличением порядкового номера происходит усиление металлических свойств элементов и ослабление неметаллических свойств.

Пример 1. Дайте общую характеристику элемента с порядковым номером 33. Укажите его основные химические свойства.

Р е ш е н и е

Это элемент As – мышьяк. Его полная электронная формула

³³As: 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 p ³

Находится в 4-ом периоде (n = 4 - застраивается четвертый энергетический уровень), в V группе главной подгруппы (имеет 5 валентных электронов …4 s ²4 p ³, которые располагаются на внешнем слое). Мышьяк относится к семейству p -элементов.

Наличие пяти электронов на внешнем слое атома указывает на то, что мышьяк – неметалл. Однако он также обладает слабо выраженными металлическими свойствами, поскольку в группе сверху вниз происходит ослабление неметаллических свойств.

Высшая степень окисления мышьяка +5, так как он имеет пять валентных электронов. Низшая степень окисления равна –3, так как до электронного октета ему недостает трех электронов.

Пример 2. Объясните, почему селен и хром, находясь в одном и том же периоде и в одной группе, обладают разными свойствами.

Р е ш е н и е

Селен и хром – это элементы шестого периода VI группы. Селен относится к семейству p -элементов и находится в главной подгруппе, тогда как хром – d- элемент, стоящий в побочной подгруппе.

Атом селена имеет на внешнем слое шесть электронов (…4 s ²4 p ⁴), а атом хрома – один электрон (….3 d ⁵4 s ¹). Следовательно, у селена сильнее выражены неметаллические свойства, а у хрома – металлические.

З а д а ч и

1. Какое строение электронных слоев у элементов подгруппы скандия при степени их окисления +3? Как изменяются основные свойства гидроксидов этих металлов по подгруппе сверху вниз? Почему?

2. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2,+3,+4,+6,+7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).

3. У какого из р -элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов?

4. Какими химическими свойствами должен обладать элемент с порядковым номером 34? С каким элементом в периодической системе он должен быть наиболее сходен? Дайте обоснованный ответ.

5. Напишите уравнения реакций между: а) селеновой кислотой и гидроксидом стронция; б) хлорной кислотой и карбонатом лития; в) гидроксидом галлия и хромовой кислотой.

6. У какого из элементов I группы, у калия или цезия сильнее выражены металлические свойства? Почему? Какой из них образует более сильный гидроксид? Как можно получить этот гидроксид?

7. У какого из элементов VII группы, у хлора или йода сильнее выражены неметаллические свойства? Почему? Какой из них образует более сильную кислоту? Исходя из максимальной валентности элемента по кислороду, напишите формулы этих кислот.

8. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.

9. С учетом положения элементов в периодической системе поясните, какой их двух гидроксидов является более сильным основанием: Mg (OH)₂ или Ba(OH)₂; Ca(OH)₂ или Fe(OH)₂.

10. Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).

11. Почему в середине периодической системы появляется группа элементов (лантаноиды), у которых увеличение порядкового номера не вызывает существенного изменения их химических свойств?

12. Какими химическими свойствами обладает искусственно полученный элемент с порядковым номером 87? С какими из элементов периодической системы он наиболее сходен?

13. Атомы, каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂О₅? Какой из них дает газообразное соединение с водородом?

14. Исходя из положения элементов в периодической системе, определить: а) у какого из гидроксидов – Sn(OH)₂ или Pb(OH)₂ - более выражены основные свойства; б) какая из солей гидролизуется в большей степени: станнат натрия или плюмбат натрия; в) какой из оксидов является более сильным окислителем: SnO₂ или PbO₂?

15. Элемент в периодической системе имеет порядковый номер 24. Какие свойства проявляют его оксиды, отвечающие низшей и высшей степеням его окисления? Образует ли этот элемент газообразные соединения с водородом?

16. Укажите, какая из сравниваемых двух кислот является более сильной: а) H₃SO₃ или H₂SO₄; б)H₃PO₄ или H₃VO₄; Ответ поясните.

17. Напишите уравнения реакций между: а) селеновой кислотой и гидроксидом стронция б) хлорной кислотой и карбонатом лития в) гидроксидом галлия и хромовой кислотой. Ответ мотивируйте.

18. Структура внешнего и предвнешнего электронных слоев атома отражается формулой 3s²3p⁶3d⁵4s¹. Назовите элемент. Каковы кислотно-основные свойства его оксидов?

19. Как изменяется сила кислот в ряду H₂SO₄→ H₂SeO₄→H₂TeO₄? Ответ мотивируйте.

20. Исходя из положения молибдена и ниобия в ПС, составьте формулы их высших оксидов и соответствующих кислот. Укажите основность кислот и дайте им название.

21. Какую низшую и высшую степени окисления проявляет кремний и селен. Почему? Приведите примеры соединений данных элементов, где бы они проявляли указанные степени окисления.

22. Структура валентного слоя атомов элементов выражается формулами: …4d⁵5s² и …5s²5p⁵. Определите порядковые номера и назовите элементы. В каких периодах и группах они находятся и почему? Дайте краткую характеристику их химических свойств.

23. Укажите элементы, электронные формулы внешнего слоя которых соответствуют …(n -1)d² n s². Запишите для них формулы высших оксидов и гидрооксидов. Запишите для них структурные схемы.

24. Исходя их положения в ПС, укажите максимальную и минимальную степени окисления элементов: азот и кремний. Приведите примеры соединений с такими степенями окисления.

25. Марганец проявляет следующие положительные степени окисления: 2, 3, 4, 6, 7. Запишите формулы соответствующих оксидов марганца и укажите, как изменяются их кислотно-основные свойства.

26. В каких группах периодической системы находятся элементы, образующие газообразные соединения с водородом? Какие из этих соединений обладают кислотными свойствами?

27. Назовите элемент пятого периода, высший оксид которого Э₂О₇, который образует газообразное соединение с водородом. Запишите его полную электронную формулу. Составьте формулы соединений данного элемента с водородом и кальцием и назовите их.

28. Назовите элемент четвертого периода, высший оксид которого ЭО₂, который не образует с водородом газообразное соединение. Запишите его полную электронную формулу.

29. Назовите элемент четвертого периода, высший оксид которого ЭО, который образует с водородом солеподобное соединение состава ЭН₂.

30. Высший оксид элемента побочной подгруппы имеет состав ЭО₃ и содержит 33 % мас. кислорода. Назовите данный элемент и укажите, к какому семейству он относится.

МНОГОВАРИАНТНАЯ ЗАДАЧА

По одному из вариантов табл.2 ответьте на следующие вопросы:

1. Запишите полную электронную конфигурацию элемента по его порядковому номеру в периодической системе;

2. Укажите квантовые числа валентных электронов для элемента с данным символом;

3. Назовите электронные аналоги элемента;

4. Какова окислительно-восстановительная способность элемента относительно водорода (для ответа следует использовать таблицу относительных электроотрицательностей элементов, приведенную в приложении).

Таблица 2

Таблица исходных данных

ПРИЛОЖЕНИЕ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: