Периодичность в изменении свойств химических элементов и их соединений

Важнейшими характеристиками атома являются: размер атома, энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность, степень окисления. В этой статье объясняется как и почему изменяются эти характеристики для разных элементов в периодах и группах, поскольку именно они определяют состав, строение и свойства простых и сложных веществ.

Размер атома

Для описания размера атома используется условная величина — радиус (r) атома, предполагая при этом то, что атом не имеет определенных размеров и поэтому говорят только о вероятности нахождения электрона на расстоянии r от ядра. Также радиус атома зависит не только от природы атома, но и от агрегатного состояния вещества, в состав которого он входит, и от типа связей между атомами.

В периодах слева направо радиусы атомов уменьшаются, так как при одинаковом числе электронных уровней увеличивается заряд ядра атома и число электронов на внешнем уровне соответственно также увеличивается, а значит усиливается притяжение ядром электронов (атом как бы «сжимается»).
В главных подгруппах сверху вниз радиусы атомов растут, так как увеличивается число электронных уровней.

Энергия ионизации

Поведение атомов в химических реакциях зависит от того, насколько прочно удерживаются их валентные электроны на своих орбиталях. Характеристикой атома, определяющей его способность отдавать электроны, является энергия ионизации.

Энергия ионизации (Е_и) — это энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы удалить электрон из атома, находящегося в основном состоянии: А — ē = А⁺

Многоэлектронные атомы характеризуются несколькими энергиями ионизации, соответствующими удалению электронов из атома: первого: А — ē = А⁺(I₁), второго А — ē = А²⁺(I₂), третьего А — ē = А³⁺(I₃) и т.д. При этом выполняется соотношение Еи₁< Еи₂< Еи₃…., поскольку оторвать электрон от положительно заряженной частицы, заряд которой каждый раз увеличивается, становится все труднее.

Процесс, в результате которого атом отдает электроны, называют окислением. Атом, который отдает свои электроны проявляет восстановительные свойства (восстановитель). Чем легче атом отдает свои электроны, тем выше его восстановительная способность. Наиболее высокая она у щелочных металлов (IA группа), а самый сильный восстановитель — элемент франций (Fr).

В периодах слева направо энергия ионизации растет; хотя число электронных слоев не изменяется, заряд ядра атома увеличивается, поэтому он сильнее будет удерживать электроны внешнего уровня, поэтому восстановительная способность атомов уменьшается.
В группах сверху вниз энергия ионизации уменьшается. Это связано с тем, что хотя заряд ядра растет, но происходит заметное увеличение радиуса атома за счет добавления энергетических уровней, это приводит к ослаблению взаимодействия ядра атома с валентным электронами и более легкому их отрыву, а следовательно усилению восстановительной способности атомов.

Энергия сродства к электрону

Атомы химических элементов могут присоединять электроны. Процесс, в результате которого атомы присоединяют электроны, называют восстановлением, а атом, который присоединяет электроны, проявляет окислительные свойства , т.е является окислителем.

Энергия сродства к электрону (Е_ср) — это энергия, которая выделяется или поглощается при присоединении электрона к атому: А + ē = А^—

Простые вещества, атомы которых обладают большой энергией сродства к электрону, являются сильными окислителями, например: фтор (F), кислород (O).

В периодах слева направо энергия сродства к электрону в основном возрастает, окислительная способность атомов усиливается.
В главных подгруппах сверху вниз энергия сродства к электрону уменьшается; окислительная способность атомов ослабевает.

Электроотрицательность

Понятие «электроотрицательность» — условное; его используют для того, чтобы определить, какие — окислительные или восстановительные — свойства наиболее характерны для атома данного элемента. Электроотрицательность можно рассчитать как полусумму энергии ионизации и энергии сродства к электрону: χ = 1/2 (I + E). Л.Поллинг предложил шкалу относительных значений электроотрицательности (ОЭО), согласно которой наибольшей электроотрицательностью обладает элемент фтор (χ=4), наименьшей — щелочные и щелочноземельные металлы (χ= 0,8 — 1,2). Чем выше электроотрицательность атома, тем в большей степени для него характерны окислительные свойства и тем в меньшей степени — восстановительные свойства, и наоборот.

Электроотрицательность — это величина, характеризующая относительную способность атома в молекуле смещать к себе общую электронную пару при образовании химической связи

В периодах слева направо электроотрицательность возрастает, так как возрастают энергия ионизации и энергия сродства к электрону.
В главных подгруппах сверху вниз электроотрицательность убывает, так как убывает энергия ионизации и энергия сродства к электрону

Степень окисления

Понятие «степень окисления» — одно из основных в химии. При определении степени окисления (СО) условно полагают, что в соединении валентные электроны перешли к более электроотрицательному атому и соединение состоит из положительно и отрицательно заряженных простых ионов.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что соединение состоит из простых ионов

Расчет степеней окисления проводят, руководствуясь определенными правилами.

Правила определения степеней окисления

Степень окисления (СО) простых веществ и свободных атомов, всегда равна 0
Алгебраическая сумма положительных и отрицательных степеней окисления элементов в соединении всегда равна 0
Элементы металлы имеют только положительную степень окисления
Элемент водород во всех соединениях имеет степень окисления равную +1. Исключения: в гидридах металлов NaH, у водорода С.О. равна -1
Фтор в соединениях имеет С.О. -1
Кислород в соединениях имеет С.О. равную -2. Исключения: в перекисях: H2O2 (-1); Na2O2 -1 и в соединениях со фтором: O2F2 (+1) и OF2 (+2)
Металлы I, II, III групп, главных подгрупп имеют степень окисления (положительную) равную номеру группы, соответственно: +1; +2 +3
С.О. любого одноатомного иона равна его заряду Fe³⁺ , С.О. (+3)

Посмотреть пример расчета степени окисления атомов в соединении

В периодах слева направо высшая положительная степень окисления атомов возрастает.
В группах высшая положительная степень окисления не изменяется (равна номеру группы)

Изменение свойств соединений

Свойства простых веществ

Металлические и неметаллические свойства простых веществ напрямую связаны с восстановительными и окислительными свойствами.

В периодах слева направо металлические свойства простых веществ ослабевают, неметаллические свойства усиливаются.
В группах сверху вниз металлические свойства простых веществ усиливаются, неметаллические свойства ослабевают.

Свойства сложных веществ

Свойства оксидов, кислот и оснований определяются природой образующего их элемента, а значит, изменяются от элемента к элементу периодически.

В периодах слева направо оснОвные свойства высших оксидов и гидроксидов ослабевают, кислотные свойства усиливаются.
В группах сверху вниз оснОвные свойства высших оксидов и гидроксидов усиливаются, а кислотные свойства ослабевают.