Периодическая система элементов Д.И.Менделеева

Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда их атомов (современная формулировка периодического закона). С увеличением порядкового номера элемента (численно равного заряду ядра атома) в периодической системе элементов периодически повторяются электронные конфигурации внешних энергетических уровней атомов (а для d – элементов – и предвнешних), что и определяет периодичность изменения свойств элементов. Химическая природа элемента обуславливается способностью его атома отдавать и присоединять электроны. Эта способность количественно оценивается энергией ионизации атома, энергией сродства к электрону, электроотрицательностью.

Пример 1. Как изменяется восстановительная активность и металлические свойства у элементов Ca, Sr, Ba?

Решение: Мерой восстановительной активности элементов является энергия ионизации – энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома. Атомы металлов на внешнем уровне имеют небольшое число электронов – один или два ( у Al -3; Pb, Ge и Sn – 4 электрона). Внешние электроны в атомах металлов слабо связаны с ядром, поэтому металлы имеют низкие энергии ионизации и легко теряют внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электронные формулы атомов кальция, стронция, бария:

₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

₃₈Sr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶5s²

₅₆Ba 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶6s²

Ca, Sr, Ba – это s – элементы, расположенные в главной подгруппе второй группы 4, 5 и 6 периодов. На внешнем уровне содержат два электрона, следовательно – металлы. В главных подгруппах с увеличением порядкового номера сверху вниз увеличивается число энергетических уровней и увеличиваются атомные радиусы. При этом с учетом экранирования ядра атома внутренними электронами ослабевает взаимодействие внешних электронов с ядром. В результате уменьшаются энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность. Таким образом, восстановительная активность от кальция к барию увеличивается и усиливаются металлические свойства.

Пример 2. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен, бром? Составьте формулы соединений данных элементов с водородом, кислородом, отвечающим этим степеням окисления. У какого из элементов в большей мере выражена окислительная активность и неметаллические свойства?

Решение: Степень окисления атома элемента в соединении определяется числом смещенных электронов к другим атомам (положительная степень окисления) или от других атомов (отрицательная степень окисления).

Высшая степень окисления в большинстве случаев соответствует номеру группы периодической системы Д.И.Менделеева, в которой находится элемент (исключения: Cu, Au, Fe, Co, Ni, F, O, Pt и др).

As, Se, Br – элементы 4 периода, V, VI, VII групп.

Электронные формулы атомов мышьяка, селена, брома:

₃₃As 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³

₃₄Se 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴

₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

As, Se, Br – p – элементы, на внешнем энергетическом уровне содержат соответственно 5,6,7 электронов, следовательно – неметаллы (у атомов неметаллов на внешнем слое 4-7 электронов). Атомы неметаллов могут и отдавать, и принимать электроны, проявляя и положительные, и отрицательные степени окисления. Высшая положительная степень окисления определяется номером группы и соответствует отдаче всех валентных электронов с внешнего слоя:

Низшая (отрицательная) степень окисления неметаллов соответствует числу электронов, которые атому необходимо присоединить для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns²np⁶) и имеет отрицательное значение.

Атомам As, Se и Br для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки инертного газа необходимо принять соответственно 3,2 и 1 электрон. Следовательно, их низшая (отрицательная) степень окисления будет равна:

В соединениях с водородом эти элементы, имея большую электроотрицательность, чем водород, проявляют отрицательные степени окисления. Следовательно, формулы водородных соединений: или

AsH₃ – арсин, - селеноводород, - бромоводород.

В соединениях с кислородом эти элементы проявляют положительные степени окисления, так как кислород более электроотрицательный элемент. Степень окисления кислорода в соединениях (-2). Формулы высших оксидов: , , .

Оформим результаты решения в виде таблицы.

Таблица 2. Степени окисления мышьяка, селена, брома и молекулярные формулы соответствующих соединений

Элементы	Степень окисления	Соединения
высшая	низшая
As Se Br	+5 +6 +7	-3 -2 -1	As2O5, H3As SeO3, Н2Se Br2O7, НBr

Мерой окислительной активности элементов являются энергия сродства к электрону - энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому, и электроотрицательность – способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности.

As, Se, Br – элементы одного периода. С увеличением заряда ядер их атомов (от мышьяка As к брому Br) растет число электронов на внешнем энергетическом уровне и усиливается притяжение электронов к ядру, что ведет к уменьшению радиуса атомов, к увеличению энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности. Следовательно, от мышьяка к брому увеличивается окислительная активность и усиливаются неметаллические свойства.

Пример 3. Объясните, почему ванадий и мышьяк, находясь в одном периоде и одной группе, обладают разными свойствами. Что общего между ними? Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом?

Решение: Электронные формулы атомов данных элементов

₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3d³4s²

₃₃As 1s²2s²2p⁶3s²3d¹⁰4s²4p³

V и As – элементы 4 периода, V группы. Ванадий - d элемент (валентные электроны 3d³4s²), металл, т.к. на внешнем уровне 2 электрона. Мышьяк – р элемент (валентные электроны 4s²4p³), неметалл, т.к. на внешнем уровне 5 электронов. Элементы находятся в одной группе, так как имеют одинаковое число валентных электронов и одинаковую высшую степень окисления +5, что соответствует отдаче всех валентных электронов: . Формулы оксидов с высшей степенью окисления кислотного характера, которым соответствуют кислоты HVO₃ – метаванадиевая, HAsO₃ - метамышьяковая.

Низшая степень окисления атомов d – элементов соответствует отдаче двух (или одного) электронов и равна +2 (+1): . В низшей положительной степени окисления ванадий образует оксид V⁺²O^-2 основного характера. Являясь металлом, ванадий отрицательных степеней окисления не проявляет и соединения с водородом не образует.

Атом мышьяка, имея на внешнем слое пять электронов и обладая определенным сродством к электрону, проявляет склонность к присоединению трех электронов для образования структуры инертного газа (…4s²4p⁶). В низшей отрицательной степени окисления (-3) мышьяк образует соединение с водородом .

Таким образом, ванадий, как все металлы только отдает электроны и обладает только восстановительными свойствами. Мышьяк, будучи неметаллом, может и отдавать, и принимать электроны и проявляет как восстановительные, так и окислительные свойства. Общей закономерностью для всех групп, содержащих p – и d – элементы, является преобладание металлических свойств у d – элементов.

Пример 4. Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов (гидратных соединений) в периодах и группах периодической системы.

Решение: Атомы элементов с положительной степенью окисления образуют оксиды и гидроксиды, которые могут проявлять основные, кислотные и амфотерные свойства, закономерно изменяющиеся как внутри периода, так и внутри группы.

В периоде слева направо основные свойства оксидов и гидроксидов постепенно переходят в амфотерные и затем, к концу периода, в кислотные. Каждый период начинается элементами, оксиды и гидроксиды которых обладают ярко выраженными основными свойствами, и заканчивается элементами, гидроксиды которых при максимальной степени окисления центрального атома, являются сильными кислотами. Данная закономерность объясняется различием в полярности связей Э – О и О – Н в молекуле гидроксида ЭОН. В начале периода заряд ядра атома гидроксообразующего элемента небольшой, электроотрицательность его невелика, а значит связь Э – О более полярна, чем связь О – Н. Чем более полярна связь, тем легче она разрывается (ионизируется). Следовательно, молекулы гидроксидов ЭОН будут проявлять основные свойства.

В периоде слева направо заряд ядра атома гидроксообразующего элемента увеличивается, радиус уменьшается, электроотрицательность возрастает, значит, связь О – Н будет более полярна, чем связь Э – О. Следовательно, молекулы гидроксидов ЭОН будут проявлять кислотные свойства.

У амфотерных гидроксидов связи Э – О и О – Н сравнимы по прочности, следовательно, они могут проявлять и основные, и кислотные свойства.

Например, для элементов третьего периода химический характер оксидов и гидроксидов изменяется следующим образом:

Оксид	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	SO3	Cl2O7
Гидроксид	NaOH	Mg(OH)2	Al(OH)3 H3AlO3	H4SiO4	H3PO4	H2SO4	HClO4
Химический характер	Основной	Амфотерный	Кислотный
Усиление основных свойств
	Усиление кислотных свойств

В группах сверху вниз заряд ядра атома гидроксообразующего элемента увеличивается, радиус атомов увеличивается, электроотрицательность уменьшается, значит, полярность связи Э – О увеличивается в сравнении с полярностью связи О – Н. Следовательно, основной характер гидроксидов ЭОН усиливается, кислотный – уменьшается. Например:

LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, FrOH

усиление основных свойств

Если элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства этих соединений изменяются от основных через амфотерные к кислотным.

Например, для марганца химический характер оксидов и гидроксидов изменяется следующим образом:

Оксид	MnO	Mn2O3	MnO2	MnO3	Mn2O7
Гидроксид	Mn(OH)2	Mn(OH)3	Mn(OH)4 H4MnO4	H2MnO4	HMnO4
Химический характер	Основной	Амфотерный	Кислотный
Усиление основных свойств
	Усиление кислотных свойств

ЗАДАНИЯ

41. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется энергия ионизации и восстановительная активность элементов в периодах и группах с увеличением порядкового номера? Объясните, чем это обусловлено. Укажите, какой из элементов является более сильным восстановителем в каждой паре: а) калий или кобальт; б) натрий или цезий. Ответ мотивируйте, исходя из положения элементов в периодической системе и строения их атомов.

42. Объясните, почему свойства элементов: а) азот и висмут; б) калий и бром резко отличаются друг от друга? Ответ мотивируйте, исходя из положения элементов в периодической системе и строения атомов данных элементов. Какую высшую и низшую степень окисления проявляет каждый из этих элементов. Составьте формулы возможных соединений с водородом.

43. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера элемента. Укажите, какой из элементов в каждой паре является более сильным окислителем: а) кислород или сера; б) углерод или азот. Ответ мотивируйте на основе положения в периодической системе и строения атомов этих элементов.

44. Как определяется высшая и низшая степень окисления атомов элементов? Какую высшую и низшую степени окисления проявляют германий, молибден, рений? Составьте формулы следующих соединений: водородного соединения германия, рениевой кислоты и оксида молибдена, отвечающего его высшей степени окисления.

45. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют углерод, азот, фосфор, сера. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в их низшей степени окисления, назовите эти соединения. Составьте формулы оксидов, отвечающих высшей степени окисления этих элементов. Укажите характер этих оксидов.

46. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют бериллий, углерод, азот, фтор. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Составьте формулы возможных газообразных соединений с водородом, назовите эти соединения. Составьте формулы оксидов, отвечающих высшей степени окисления данных элементов. Укажите особенности свойств оксида бериллия. Напишите уравнения соответствующих реакций. Какой из данных элементов проявляет наибольшую окислительную активность. Почему?

47. Объясните, почему селен проявляет неметаллические свойства, а хром, расположенный в той же группе, является металлом. Ответ мотивируйте на основе строения атомов этих элементов. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют данные элементы? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Составьте формулу этого соединения. Учитывая, что хром может проявлять положительные степени окисления, равные +2, +3, +6, составьте формулы соответствующих оксидов и гидроксидов хрома и укажите, как меняется их характер с повышением степени окисления элемента.

48.Какой из двух гидроксидов более сильное основание: а) Mg(OH)₂ или Ba(OH)₂; б) Са(OH)₂ или Fe(OH)₂; в) Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃.Ответ мотивируйте, исходя из положения в периодической системе и строения атомов элементов Mg, Ba, Ca, Fe. Как влияет повышение степени окисления элемента на свойства его гидроксидов? Почему?

49. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют ванадий, марганец, германий. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом? Какова его формула? Составьте формулы оксидов данных элементов, отвечающих их высшей степени окисления, укажите их характер. Укажите особенности свойств оксида германия и напишите уравнения соответствующих реакций.

50. Объясните, почему хром проявляет металлические свойства, а сера, расположенная в той же группе - неметаллические. Ответ мотивируйте на основе строения атомов этих элементов. Укажите их степени окисления. Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом. Составьте формулу этого соединения. Составьте формулы оксидов этих элементов, укажите их характер.

51. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов второго периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяются кислотно-основные свойства этих соединений при переходе от лития к фтору? Ответ мотивируйте электронным строением атомов этих элементов.

52. Какой из двух гидроксидов более сильное основание: а) NaOH или RbOH; б) Ca(OH)₂ или Cr(OH)₂; в) Cr(OH)₂ или Cr(OH)₃. Ответ мотивируйте, исходя из положения в периодической системе и строения атомов гидроксообразующих элементов. Как влияет повышение степени окисления элемента на свойства его гидроксидов? Почему?

53. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют кремний, фосфор, сера, хлор. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Какой из данных элементов проявляет наибольшую окислительную активность? Почему? Составьте формулы газообразных соединений с водородом и формулы оксидов этих элементов, отвечающих их высшей степени окисления.

54. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют сурьма, теллур, йод. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Какой из данных элементов проявляет наибольшую окислительную активность? Почему? Составьте формулы газообразных соединений с водородом и формулы оксидов этих элементов, отвечающих их высшей степени окисления.

55. У какого из элементов – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Составьте формулы водородных соединений данных элементов. Какой из водородных соединений является более сильным восстановителем? Почему? Составьте формулы оксидов, соответствующих высшей степени окисления этих элементов. Укажите их характер.

56. Объясните, почему ниобий проявляет металлические свойства, а сурьма, расположенная в той же группе, неметаллические. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Укажите степени окисления элементов. Какой из данных элементов образует газообразное соединение с водородом. Какова его формула? Составьте формулы оксидов, соответствующих высшей степени окисления этих элементов. Укажите их характер.

57. Объясните, почему йод проявляет неметаллические свойства, а рений, расположенный в той же группе, металлические. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Укажите степени окисления элементов. Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом? Какова его формула? Составьте формулы оксидов, соответствующих высшей степени окисления этих элементов. Укажите их характер.

58. Объясните, почему марганец проявляет металлические свойства, а хлор, расположенный в той же группе, неметаллические. Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Укажите степени окисления элементов. Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом? Какова его формула? Составьте формулы оксидов и соответствующим им гидроксидов (кислот).

59. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера, азот? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в их низшей степени окисления, назовите соединения. Составьте формулы оксидов и гидроксидов (кислот) образуемых серой и азотом.

60. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют ванадий, фосфор, сера, хлор? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Какой из данных элементов проявляет наибольшую окислительную активность? Составьте формулы газообразных водородных соединений с данными элементами в их низшей степени окисления. Составьте формулы оксидов, отвечающих высшей степени окисления данных элементов, укажите их характер.