Файл: Справочник для подготовки к огэ и егэ. Isbn 9785040930081.pdf

Закономерности
изменения свойств
элементов и их
соединений по периодам
и группам
В группах собраны элементы с по- хожими химическими свойствами, а в периодах химические свойст- ва элементов постепенно изменя- ются. В левой части периодов эле- менты проявляют ярко выраженные восстановительные свойства, они являются металлами (Li, Na, Mg,
Ca). В правой части расположе- ны типичные неметаллы, обладаю- щие окислительными свойствами (O,
F, Cl). Большинство элементов яв- ляются металлами. Только 22 эле- мента относятся к неметаллам: H,
B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te, а также все галогены и инертные газы. В середине периодов распо- лагаются элементы, которые обла- дают как восстановительными, так и окислительными свойствами. Эти окислительные и восстановительные свойства зависят от того, с каким элементом они реагируют.
Атомный и ионный
радиусы
Атомный радиус — радиус ней- трального атома.
Ионные радиусы — радиусы ио- нов (заряженных частиц), в кото- рые превращаются атомы в ре- зультате отдачи или присоединения электронов. Радиусы отрицательных ионов — анионов — больше ради- усов нейтральных атомов. Радиусы положительных ионов — катионов — меньше радиусов нейтральных ато- мов.
Характеристики атомов
элементов
Металлические свойства — это способность атомов элемента отда- вать электроны. Количественной ха- рактеристикой металличности эле- мента является энергия ионизации.
Энергия ионизации — это энер- гия, необходимая для отрыва внеш- него электрона от изолированного атома в газовой фазе. При отрыве электрона от атома образуется со- ответствующий катион. Чем мень- ше энергия ионизации, тем более выражены металлические свойства атомов элемента. Единицей изме- рения энергии ионизации является электронвольт (эВ).
Сродство к электрону — энер- гия, которая выделяется при при- соединении электрона к нейтраль- ному атому. Чем больше сродство к электрону, тем более выражены неметаллические свойства.
Электроотрицательность — это способность атомов химического элемента оттягивать к себе общие электронные пары, участвующие в образовании химической связи.
Чем в большей степени выраже- ны металлические свойства элемен- та, тем меньше его электроотрица- тельность. Чем в большей степени
Периодический закон и Периодическая система... 13

выражены неметаллические свойст- ва элемента, тем больше его элек- троотрицательность. Самый электро- отрицательный элемент — фтор F
(его электроотрицательность по шкале Полинга принята равной 4,0), затем следует кислород О, да- лее — азот N.
Металлы составляют более 75 % элементов Периодической системы.
Это
s-элементы, кроме водорода и гелия, все d- и f-элементы, часть
р-элементов. Несмотря на большое разнообразие, металлы объединены рядом общих физических и химиче- ских свойств.
„
s-Металлы
Элементы IА группы называются
щелочными металлами. Последний элемент группы франций Fr радио- активен, период полураспада его наиболее устойчивого изотопа
223 87
Fr составляет 21,8 мин. Четыре эле- мента IIА группы (Ca, Sr, Ba, Ra)
—
щёлочноземельные металлы.
Сте пени окисления
s-металлов сов- падают с номерами групп и равны
+1, +2 соответственно. s-Металлы проявляют сильные восстановитель- ные свойства, поскольку валентные электроны атомов слабо связаны с ядром и могут быть легко ото- рваны от него.
Изменение свойств s-металлов
Радиусы атомов увеличиваются по группе сверху вниз. Такая законо- мерность характерна для элементов всех главных подгрупп. Величины
энергии ионизации, соответствен- но, уменьшаются, а восстанови-
тельные свойства металлов усили- ваются.
МЕТАЛЛЫ IA–IIIA ГРУППЫ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
14 Теоретические основы химии
Период полураспада — промежуток времени, в течение которого разру- шается половина ядер атомов данного изотопа.
Изотопы — нуклиды, имеющие одинако- вое число протонов, но различающиеся массовыми числами.
Степень окисления — это условный за- ряд атомов химического элемента в со- единении, вычисленный из предположения, что соединение состоит только из ионов.
В основном состоянии у атомов эле- ментов IIA группы нет неспаренных электронов. Они могут появиться толь ко в результате перехода ns
2
ns
1
np
1
, что требует энергетических затрат на возбу- ждение.

„
p-Металлы
Электронная конфигурация
Электронная конфигурация основ- ного состояния р-металлов IIIA группы ns
2
np
1
характеризуется на- личием одного неспаренного элек-
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛОВ IA–IIIA ПОДГРУПП
Металл
Электронная
конфигурация
Атомный
радиус,
нм
Энергия
ионизации,
эВ
t
пл
для
простых
веществ,
о
С
Характерные
степени
окисления
Li
...2s
1 0,155 5,39 180,5
+1
Na
...3s
1 0,189 5,14 97,8
+1
K
...4s
1 0,236 4,34 63,5
+1
Rb
...5s
1 0,248 4,18 39,3
+1
Cs
...6s
1 0,268 3,89 28,5
+1
Be
...2s
2 0,113 9,32 1287
+2
Mg
...3s
2 0,160 7,64 650
+2
Ca
...4s
2 0,197 6,11 842
+2
Sr
...5s
2 0,215 5,69 777
+2
Ba
...6s
2 0,221 5,21 727
+2
Ra
…7s
2 0,235 5,28 696
+2
Al
...3s
2 3p
1 1,43 5,986 660
+3
Ga
...4s
2 4p
1 1,22 5,998 29,8
+3
In
...5s
2 5p
1 1,63 5,786 154
+3
Tl
...6s
2 6p
1 1,71 6,108 304
+1*, +3
*
Здесь и далее выделены наиболее характерные степени окисления.
трона. В возбуждённом состоянии число неспаренных электронов уве- личивается до трёх. В соединени- ях элементы IIIA группы проявляют наиболее характерную степень оки- сления +3.
Периодический закон и Периодическая система... 15

Изменение свойств р-металлов
Радиусы атомов уменьшаются при переходе от алюминия к галлию.
Причиной этого является то, что заполнение
d-оболочки сопрово- ждается последовательным сжатием атомов, в 3d-ряду оно оказывается настолько сильным, что превосходит увеличение радиуса при появлении четвёртого энергетического уровня.
Вследствие этого свойства соеди- нений алюминия +3 во многом схо- жи со свойствами соединений гал- лия +3.
Возрастание энергии ионизации при переходе от индия к таллию явля- ется результатом d- и f-сжатия, что приводит к усилению взаимодейст- вия валентных электронов с ядром атома, и степень окисления +1 ста- новится более стабильной для тал- лия. Это подтверждает общую зако- номерность для р-элементов — вниз по группе усиливается устойчивость соединений в низших степенях оки- сления.
В ряду Al — Ga — In — Tl про- исходит усиление осно
Ќвных свойств соединений и ослабевание кислот- ных. Металлические свойства р-ме- таллов IIIA группы выражены слабее, чем у s-металлов, и усиливаются от
Al к Tl.
К переходным элементам (d-элемен- там) относятся элементы побочных
(B) подгрупп Периодической сис- темы.
В атомах d-элементов с увеличени- ем заряда ядра заполняются орби- тали предвнешнего (n — 1) уровня.
Валентными электронами являют- ся электроны, находящиеся на ns- и (n — 1) d-орбиталях.
Все d-элементы в основном состо- янии имеют электронные конфигура- ции (n — 1)d
1–10
ns
1–2
ПЕРЕХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (МЕДЬ, ЦИНК,
ХРОМ, ЖЕЛЕЗО) В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
Изменение свойств
d-элементов
Радиусы атомов d-элементов при движении слева направо по перио- ду уменьшаются (d-сжатие).
При движении по группе и пери- оду у d-элементов не наблюдается существенных изменений в энерги-
ях ионизации. Резкое увеличение энергии ионизации и повышенная устойчивость наблюдаются у атомов с полностью d
10
(Cu, Zn) или на- половину d
5
(Cr) заполненными ор- биталями. Атомы, содержащие один
16 Теоретические основы химии

или шесть d-электронов (Fe), имеют пониженные значения энергии иони- зации по сравнению с соседни- ми в ряду d-элементами. В целом в периоде слева направо энергии ионизации возрастают, а металличе- ские свойства ослабевают.
„
Степени окисления
В соединениях d-элементы проявля- ют переменные степени окисления.
Низкую степень окисления +2 про- являют практически все d-элементы, так как на внешнем слое у боль- шинства d-элементов находится два электрона.
Высшая степень окисления для большинства d-элементов равна но- меру группы.
В низших степенях окисления 3d- металлы находятся в катионной форме (Fe
+2
, Cr
+2
, Cu
+1
, Zn
+2
), прояв- ляют основные и восстановительные свойства. В высоких степенях оки- сления d-элементы образуют анион- ные формы (Cr
2
O
7 2–
), проявляют кис- лотные и окислительные свойства.
В промежуточных степенях окисле- ния d-металлы проявляют амфотер- ные свойства.
Металл
Электронная
конфигурация
Атомный
радиус,
нм
Энергия
ионизации,
эВ
t
пл
для
простых
веществ,
о
С
Характерные
степени
окисления
Cr
...3d
5 4s
1 0,127 6,77 1907
+2, +3, +6
Fe
...3d
6 4s
2 0,126 7,89 1538
+2, +3,+6
Cu
…3d
10 4s
1 0,128 7,72 1083
+1, +2
Zn
3d
10 4s
2 0,132 9,39 419,4
+2
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Амфотерные свойства — это спо- собность проявлять одновременно как кислотные, так и основные свойства в зависимости от того, с чем вступает в реакцию вещество.
Хром в соединениях проявля- ет степени окисления +2, +3, +6.
Для хрома состояние +3 наиболее устойчиво. Рост степени окисления сопровождается усилением кислот- ных и окислительных свойств.
Железо — это металл со средней восстановительной активностью, бо- лее низкой, чем у хрома.
Периодический закон и Периодическая система... 17

В основном состоянии атомы эле- ментов IВ и IIВ групп имеют элек- тронную конфигурацию (n – 1)
d
10
ns
1 и (n – 1)d
10
ns
2 соответствен- но. Валентные электроны атомов расположены на d- и s-подуровнях.
Электронные конфигурации элемен- тов IВ, IIВ и щелочных, щёлочнозе- мельных металлов напоминают друг друга.
Однако, несмотря на сходство в строении внешних оболочек ато- мов I, IIА и I, IIВ групп, химиче- ские свойства металлов значитель- но различаются. Это объясняется тем, что заполненные d-орбитали в атомах меди и цинка «экраниру- ют» внешние s-электроны. По этому значения энергий ионизации для данных элементов высокие.
В Периодической системе химиче- ских элементов неметаллы распо- лагаются только в главных (A) под- группах. Неметаллы VIIIA группы называются инертными (благород-
ными) газами, которые являются мало реакционноспособными. Свой- ства остальных неметаллов рассмо- трим ниже в порядке увеличения номера группы.
„
p-Элементы IVА группы
Неметаллами IVА группы являются углерод C и кремний Si.
Электронные конфигурации
атомов
Полные электронные формулы ато мов не металлов IVА группы
(подчёрк нуты валентные электроны):
6
C: 1s
2 2s
2 2р
2
;
14
Si: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
2
НЕМЕТАЛЛЫ IVA—VIIA ГРУППЫ
В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
Сокращённая электронная конфигу- рация: ns
2
np
2
. На внешнем элек- тронном уровне атомов четыре электрона. В основном состоянии атомы имеют по два неспаренных электрона. При переходе в возбу- ждённое состояние распариваются элек троны s-подуровней.
C ростом атомного номера элемен- та в целом наблюдается увеличе- ние радиусов атомов и уменьшение значений электроотрицательности.
С ростом заряда ядра металличе- ские свойства элементов усилива- ются.
„
p-Элементы VА группы
К неметаллам VA группы относятся азот
N, фосфор P и мышьяк As.
С
С*
2s
2s
2p
2p
18 Теоретические основы химии

Электронные конфигурации
атомов
7
N: 1s
2 2s
2 2р
3 15
P: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
3 33
As: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
6 4s
2 3d
10 4р
3
Сокращённая электронная конфигу- рация: …ns
2
nр
3
. На внешнем энер- гетическом уров не атомов находится по пять электронов — одна элек- тронная пара и три неспаренных электрона.
Характеристика
C
Si
Радиус атома, нм
0,077 0,118
Увеличение
Электроотрицательность
2,50 1,74
Агрегатное состояние
Твёрдые вещества
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМОВ УГЛЕРОДА C И КРЕМНИЯ Si
N
2s
2p
Р
3s
3p
3d
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМОВ АЗОТА N, ФОСФОРА P
И МЫШЬЯКА As
Характеристика
N
P
As
Радиус атома, нм
0,075 0,106 0,119
Увеличение
Электроотрицательность 3,04 2,19 2,18
Агрегатное состояние
Газ
Твёрдые вещества
Особенность азота
Валентность атома азота в соеди- нениях не превышает IV, так как у него отсутствует d-подуровень и он не может иметь возбуждённого состояния с пятью неспаренными электронами.
Степени окисления для N: –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3, +4, +5;для
Р:–3, 0, +1, +3, +5; для As:–3, 0, +3, +5 (выделены наиболее характерные степени окисления).
Степени окисления для С и Si: –4, +2, +4 (выделены наиболее ха- рактерные степени окисления).
Периодический закон и Периодическая система... 19

„
p-Элементы VIА группы
К неметаллам VIA группы относятся кислород O, сера S, селен Se, тел- лур Te. Общее название — халько-
гены.
Электронные конфигурации атомов
8
O: 1s
2 2s
2 2р
4 16
S: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
4 34
Se: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
6 4s
2 3d
10 4р
4 52
Te: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
6 4s
2 3d
10 4р
6 5s
2 4d
10 5р
4
Сокращённая электронная конфигу- рация: …ns
2
np
4
. На внешнем элек- тронном уровне атомов находится по шесть валентных электронов — две электронные пары и два неспа- ренных электрона.
По мере роста заряда ядра ато- мов их радиус увеличивается. Свер- ху вниз по группе неметаллические свойства элементов халькогенов ослабевают, а металлические нара- стают.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМОВ КИСЛОРОДА O, СЕРЫ S,
СЕЛЕНА Se, ТЕЛЛУРА Te
Характеристика
O
S
Se
Te
Радиус атома, нм
0,073 0,102 0,116 0,135
Увеличение
Электроотрицательность
3,44 2,58 2,55 2,10
Уменьшение
Агрегатное состояние
Газ
Твёрдые вещества
О
2s
2p
3d
S
3s
3p
3d
S*
3s
3p
3d
S**
3s
3p
Степени окисления для О:
–2, –1, 0, +1, +2; для S, Se, Te: –2, 0,
+2, +4, +6 (выделены наиболее характерные степени окисления).
20 Теоретические основы химии

„
p-Элементы VIIА группы
К неметаллам VIIA группы относят- ся фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I.
Общее название — галогены.
Электронные конфигурации атомов
9
F: 1s
2 2s
2 2р
5 17
Cl: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
5 35
Br: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
6 4s
2 3d
10 4р
5 53
I: 1s
2 2s
2 2р
6 3s
2 3р
6 4s
2 3d
10 4р
6 5s
2 4d
10 5р
5
Сокращённая электронная конфигу- рация: …ns
2
np
5
. На внешнем элек- тронном уровне атомов находится
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТОМОВ ФТОРА F, ХЛОРА Cl, БРОМА Br, ИОДА I
Характеристика
F
Cl
Br
I
Радиус, нм
0,064 0,099 0,114 0,133
Электроотрицательность
4,0 3,1 2,9 2,6
Агрегатное состояние
Газ
Газ
Жидкость
Твёрдое вещество
F
Cl
Cl*
Cl**
Cl***
Особенность фтора
Фтор способен проявлять в со- единениях только две степени окисления:
0 и –1, так как является самым электро- отрицательным элементом.
по семь валентных электронов — три электронные пары и один не- спаренный электрон.
При переходе сверху вниз по груп- пе происходит усиление металли- ческих свойств, которые наиболее сильно проявляются у последних элементов ряда.
Степени окисления для F:
–1, 0; для Cl: –1, 0, +1, +3, +4, +5, +6,
+7; для Br, I: –1, 0, +1, +3, +5, +7 (выделены наиболее характер- ные степени окисления).
Периодический закон и Периодическая система... 21