Какие свойства атомов элементов
Каждый элемент имеет свое строго уникальное строение, в соответствии с которым он и занимает свое постоянное, четко определенное место в периодической системе.
При рассмотрении периодической таблицы элементов, зная химические и физические свойства каждого элемента, можно сделать выводы о закономерностях изменения этих свойств.
Повторение свойств элементов
С увеличением атомной массы происходит периодическое повторение свойств элементов.
Так, одиннадцатый элемент ряда – натрий – имеет общие свойства с третьим химическим элементом – литием. В рамках ряда от лития до фтора металлические свойства соединений постепенно уменьшаются и при этом возрастают неметаллические свойства. И действительно, после активного щелочного металлического элемента лития четвертым размещен тоже металлический элемент бериллий, но уже с амфотерными свойствами соединений. Пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый элементы – неметаллические. Активность простых веществ и соединений этих элементов с увеличением порядкового номера возрастает и достигает максимума у фтора.
Причиной периодической повторяемости свойств химических элементов и образованных ими соединений является образование у элементов одинакового строения внешнего энергетического уровня (для элементов главных подгрупп) и предпоследнего энергетического уровня (для элементов побочных подгрупп).
Закономерности изменений свойств
Таким образом, рассмотрев свойства каждого из соединений и их изменения в группах и периодах можно составить определенные закономерности.
В рамках одного периода с увеличением порядковых номеров элементов (при движении вниз по периоду) прослеживаются закономерные изменения, характерные для всей таблицы.
При движении вниз по периоду металлические и основные свойства у простых веществ ослабляются, а неметаллические и кислотные – усиливаются.
Кроме размещения в горизонтальных рядах — периодах, элементы входят в состав вертикальных столбиков — групп. Рассмотренные свойства природных семей щелочных элементов, галогенов и инертных элементов дают возможность сделать вывод, что наиболее активные металлы размещены в группе под номером 1, то есть в начале периодов, а самые активные неметаллы — в группе под номером 7, то есть в конце периодов.
Инертным элементом 18 группы заканчивается каждый период.
Если провести воображаемую линию через элементы алюминий, германий, олово, стибий, свинец, полоний, которая разделит периодическую систему на две не равных части, то верхняя правая часть будет содержать неметаллы, нижняя левая — металлы, а элементы, образующие линию разделения, — это металлы с амфотерными свойствами оксидов и гидроксидов.
Зависимость от строения электронных оболочек атомов
На основе современной теории строения атома ученые объясняют, что характер химических свойств и его изменение в периодах находятся в зависимости от изменения строения электронных оболочек атомов. Чтобы понять, какие различия в строении электронных оболочек вызывают ослабление металлических и усиление неметаллических свойств, сравним электронные формулы атомов пары элементов — алюминия и фосфора.
Как видим, количество энергетических уровней у атомов алюминия и фосфора одинаково — их 3. Однако у каждого из них разное число электронов на внешнем (крайнем) энергетическом уровне, которое с увеличением порядкового номера элемента (13 у алюминия и 15 у фосфора) растет. Делаем вывод, что причиной ослабления металлических и усиления неметаллических свойств элементов одного периода является рост числа электронов на внешнем энергетическом уровне.
Итак, в зависимости от собственно строения атома элемента и, соответственно, в какой части периодической системы размещен этот элемент, его соединения проявляют или основные, или кислотные, или амфотерные химические свойства.
Рассмотренные зависимости еще раз подтверждают универсальный характер периодического закона и доказывают, что он является фундаментальным законом природы.
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 (I).
Энергия ионизации атома — это количество энергии, которое необходимо для отрыва электрона от атома элемента (Э), т. е. для превращения атома в положительно заряженный ион:
Э0 + I = Э+ + ē
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 (Еср). Сродство к электрону — это энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому, т. е. при превращении атома в отрицательно заряженный ион:
Э0 + ē = Э— + Еср
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.
Относительная электроотрицательность элементов I – IV периодов
Рассмотрим, как изменяются некоторые характеристики элементов в малых периодах слева направо:
— Заряд ядер атомов увеличивается.
— Число электронных слоев атомов не изменяется.
— Число электронов на внешнем слое атомов увеличивается от до 8.
— Радиус атомов уменьшается.
— Прочность связи электронов внешнего слоя с ядром увеличивается.
— Энергия ионизации увеличивается.
— Сродство к электрону увеличивается.
— Электроотрицательность увеличивается.
— Металличность элементов уменьшается.
— 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 — K 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.
В атомах следующих десяти элементов (от Sc до Zn) происходит заполнение d-подуровня предвнешнего слоя; на внешнем слое число электронов в атомах всех этих элементов равно 2 или 1 (Cr, Сu). Радиусы атомов d-элементов мало различаются между собой. Поэтому d-элементы похожи по своим свойствам — все они являются металлами (но менее активными, чем K и Са, которые имеют меньшие заряды ядер и большие радиусы атомов). ЭО всех d-элементов IV периода изменяется в небольшом интервале от 1,3 до 1,9.
В атомах последних шести элементов IV периода (от Gа до Kr) заполняется р-подуровень внешнего слоя, поэтому количество электронов на внешнем слое увеличивается от 3 до 8. Радиусы атомов этих элементов уменьшаются слева направо. Уменьшение радиуса атомов и увеличение числа электронов на внешнем слое являются причиной уменьшения металличности и увеличения неметалличности элементов слева направо. ЭО этих элементов изменяется от 1,6 у Gа до 2,8 y Br.
Рассмотрим, как изменяются некоторые характеристики элементов в главных подгруппах сверху вниз:
В малых периодах закономерно изменяется высшая валентностъ элементов: во втором периоде от I у Li до V у N; в третьем периоде от у Na до VII у Cl. В большом четвертом периоде высшая валентность увеличивается от I у K до VII у Мn; у следующих элементов она понижается до II у Zn, а потом снова увеличивается от III у Gа до VII у Вr.
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 р-элементов валентными являются, как правило, все электроны внешнего слоя.
В атомах d-валентными являются электроны внешнего слоя (2 или 1), а также все или некоторые d-электроны предвнешнего слоя.
Число валентных электронов для большинства элементов равно номеру группы.
Значение периодического закона и периодической системы элементов Д. И. Менделеева
Ученые разных стран — У. Одлинг и Дж. Ньюлендс (Англия), Ж. Дюма и А. Шанкуртуа (Франция), И. Деберёйнер и Л. Мёйер (Германия) и другие пытались классифицировать химические элементы. Они установили существование групп, похожих по свойствам элементов, но не обнаружили взаимосвязь всех химических элементов. Эту взаимосвязь открыл великий русский ученый Д. И. Менделеев и выразил ее в периодическом законе. На основе периодического закона Д. И. Менделеев предсказал существование двенадцати элементов, которые в то время еще не были открыты и определил их положение в периодической системе. Свойства трех из этих элементов он подробно описал и условно назвал их «экабором», «экаалюминием» и «экасилицием», так как считал, что эти элементы должны быть похожи по свойствам на бор, алюминий и кремний. Через несколько лет (еще при жизни Менделеева) эти элементы были открыты и получили названия — галлий Gа, скандий Sc и германий Gе.
Физический смысл периодического закона стал понятен после создания теории строения атома. Но сама эта теория развивалась на основе периодического закона и периодической системы.
Периодический закон — один из основных законов природы и важнейший закон химии. Современный этап развития химической науки начинается с открытия периодического закона. Он помогает ученым создавать новые химические элементы и новые соединения элементов, получать вещества с нужными свойствами. Этот закон играет важную роль в развитии всего естествознания (физики, биологии и других наук).
Периодический закон имеет большое философское значение — он подтвердил наиболее общие законы развития природы.
Состав атома.
Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.
Ядро атома состоит из протонов (p+) и нейтронов (n0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.
Число протонов N(p+) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).
N(p+) = Z
Сумма числа нейтронов N(n0), обозначаемого просто буквой N, и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А.
A = Z + N
Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е-).
Число электронов N(e-) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.
Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.
Форма атома — сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.
Химический элемент — вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).
Изотоп — совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).
Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.
Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э — символ элемента), например: .
Строение электронной оболочки атома
Атомная орбиталь — состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали — . Каждой орбитали соответствует электронное облако.
Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s, p, d и f.
Электронное облако — часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.
Примечание: иногда понятия «атомная орбиталь» и «электронное облако» не различают, называя и то, и другое «атомной орбиталью».
Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный («энергетический») уровень, их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.
Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:
s-подуровень (состоит из одной s-орбитали), условное обозначение — .
p-подуровень (состоит из трех p-орбиталей), условное обозначение — .
d-подуровень (состоит из пяти d-орбиталей), условное обозначение — .
f-подуровень (состоит из семи f-орбиталей), условное обозначение — .
Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.
При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s, 3p, 5d означает s-подуровень второго уровня, p-подуровень третьего уровня, d-подуровень пятого уровня.
Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n. Общее число орбиталей на одном уровне равно n2. Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n2.
Обозначения: — свободная орбиталь (без электронов), — орбиталь с неспаренным электроном, — орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).
Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):
1. Принцип наименьшей энергии — электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.
2. Принцип Паули — на одной орбитали не может быть больше двух электронов.
3. Правило Хунда — в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.
Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n2.
Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p …
Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:
Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев («электронная схема»).
Примеры электронного строения атомов:
Валентные электроны — электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны — 4s2, они же и валентные; у атома Fe внешние электроны — 4s2, но у него есть 3d6, следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция — 4s2, а атома железа — 4s23d6.
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)
Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.
Периодическая система — графическое выражение периодического закона.
Естественный ряд химических элементов — ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.
Таблица химических элементов строится путем «разрезания» естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.
В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).
Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.
У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.
Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).
В короткопериодной таблице — восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице — шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB — побочной подгруппе седьмой группы: остальные — аналогично.
Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.
В периодах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается число внешних электронов,
- уменьшается радиус атомов,
- увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
- увеличивается электроотрицательность,
- усиливаются окислительные свойства простых веществ («неметалличность»),
- ослабевают восстановительные свойства простых веществ («металличность»),
- ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
- возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.
В группах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
- уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
- уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
- ослабевают окислительные свойства простых веществ («неметалличность»; только в А-группах),
- усиливаются восстановительные свойства простых веществ («металличность»; только в А-группах),
- возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).
Кратко о строении атома
Все вещества, а именно они являются предметом изучения химии, состоят из атомов. Все известные виды атомов, иначе называемые химическими элементами, представлены в периодической системе Д. И. Менделеева. Атом имеет сложное строение. Он состоит из ядра и электронных оболочек. Ядро составляют два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны.
Число протонов в ядре определяет его заряд, который равен порядковому номеру элемента.
Например, элемент хлор имеет порядковый номер 17, значит, его ядро состоит из 17 протонов.
Атом электронейтрален, значит, число электронов в нем равно числу протонов.
В природе могут существовать и заряженные атомы — ионы. Они образуются из нейтральных атомов при потере или присоединении электронов. Электроны в атоме различаются по энергии, то есть находятся на разных энергетических уровнях.
Число уровней равно номеру периода, в котором находится элемент.
Число электронов на внешнем уровне (их называют валентными) — номеру группы.
Например, в атоме хлора электроны находятся на трех энергетических уровнях, причем на внешнем их число равно 7. Наиболее устойчивы атомы или ионы, внешний уровень которых заполнен полностью (например, инертные газы).
В ходе химических превращений атом может отдать только внешние электроны. Поэтому высшая положительная степень окисления элемента совпадает с номером группы. Она, как правило, реализуется в соединениях элемента с кислородом — оксидах и гидроксидах. Так, высшая степень окисления хлора равна +7, что соответствует высшему оксиду $mathrm{Cl_2O_7}$ и высшей кислородсодержащей кислоте $mathrm{HClO_4}$. А вот низшая (наименьшая отрицательная степень окисления) проявляется в соединениях неметаллов с водородом. Для нахождения ее абсолютного значения надо из 8 вычесть номер группы, в которой находится элемент. Например, для хлора она равна –1 и реализуется в хлороводороде HCl.
Характеристика элемента
Что характеризует химический элемент? Прежде всего, его порядковый номер, то есть число протонов в ядре. Химический элемент обладает определенным радиусом атома, электроотрицательностью, которая численно характеризует способность атома притягивать к себе электроны, то есть окислительные свойства элемента.
Для удобства характеристики элемента по ПС можно использовать следующий алгоритм (на примере углерода):
Порядковый номер элемента (№) определяет его заряд ядра (зарядное число Z), а следовательно, количество протонов N$p^+$(обозначение протона — $p_1^+$) и общее количество электронов N$bar{e}$ (обозначение электрона — $bar{e}$) в ядре. Для углерода порядковый номер равен 6, следовательно, ядро атома углерода состоит из 6 протонов и 6 электронов. Схематически это рассуждение можно записать следующим образом: № $(C) = 6 Rightarrow Z = 6; hspace{2pt}Nbar{e}=6$
Атомная масса элемента, или массовое число изотопа (A), равна сумме масс протонов и нейтронов (обозначение нейтрона — $n_1^0$) в ядре, следовательно, по разности можно вычислить количество нейтронов N. Для углерода атомная масса равна 12 а.е.м., следовательно, количество нейтронов в атоме углерода равно 6. Схематическая запись: $A(C) =12 hspace{2pt} textrm{а.е.м.} Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.
Номер периода, в котором находится элемент в ПС, численно равен главному (радиальному) квантовому числу n и определяет число энергетических уровней в атоме. Иногда встречается другое обозначение главного квантового числа — $n_r$ (по Зоммерфельду). Углерод находится во втором периоде ПС, следовательно, имеет два энергетических уровня, главное квантовое число равно 2. Схематическая запись: № пер. = 2 => n = 2.
Номер группы, в которой расположен элемент в ПС, соответствует числу электронов на внешнем энергетическом уровне. Углерод расположен в IV группе главной подгруппы, следовательно, на внешнем энергетическом уровне у него 4 электрона. Схематическая запись: № гр. = IV => N$bar{e}_textrm{валентных}$ = 4.
