Периодическое изменение свойств атомов химических элементов

Химические свойства атомов элементов проявляются при их взаимодействии. Типы конфигураций внешних энергетических уровней атомов элементов определяют основные особенности их химического поведения.

Характеристиками атома каждого элемента, определяющими их поведение в химических реакциях, являются: радиус, энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность.

Энергия ионизации (E_и) – это энергия, необходимая для отрыва и удаления электрона от электронейтрального атома, иона или молекулы. Выражается в кДж/моль или эВ. Чем ниже значение энергии ионизации, тем выше восста­новительная способность атома, то есть энергия ионизации является мерой восстановительной способности атома. Электронейтральные атомы, теряя электроны, превращаются в положительно заряженные атомы (катионы).

Энергия ионизации, необходимая для отрыва первого электрона, называется первой энергией ионизации, второго − второй, и т. д.:

E_и,1 < E_{и, 2}< E_и,3<…< E_{и, n}(1)

то есть отрыв и удаление электрона от нейтрального атома происходит легче, чем от положительно заряженного иона.

Максимальное значение энергии ионизации соответствует атомам благородных газов. Минимальное значение энергии ионизации характерно для атомов щелочных металлов, которые, отдавая свой единственный электрон, приобретают электронную конфигурацию атомов предшествующих благородных газов.

В пределах одного периода энергия ионизации атомов изменяется не монотонно. Сначала она снижается от атомов s-элементов к атомам первых p-элементов; у атомов последующих p-элементов она снова повышается.

В пределах одной группы с увеличением порядкового номера элемента Z энергия ионизации атомов уменьшается, что связано с увеличением расстояния между внешним электронным слоем (энергетическим уровнем) и атомным ядром.

Сродство к электрону(E_ср)− это энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому, молекуле или радикалу. Выражается в тех же единицах, что и энергия ионизации (в кДж/моль или в эВ). Принимая электрон, нейтральный атом превращается в отрицательно заряженный атом (анион). Сродство к электрону в периоде (от начала до конца) возрастает, в группе, как правило, убывает (сверху вниз).

Атомы галогенов отличаются самым высоким сродством к электрону, так как, присоединяя один недостающий электрон, они приобретают законченную электронную конфигурацию атомов благородных газов.

Электроотрицательность− полусумма энергии ионизации и сродства к электрону:

.(2)

Электроотрицательность растёт в периоде и убывает в подгруппе.

Нейтральные атомы, а также их ионы, не имеют строго определённых границ в силу волновой природы электрона. Поэтому определяют услов­ные (эффективные) радиусы атомов и ионов.

Наибольшее уменьшение радиуса наблюдается у атомов элементов малых периодов, у которых происходит заполнение внешнего энергетического уровня, то есть в атомах –s и p-элементов. У атомов d- и f-элементов происходит более плавное уменьшение радиуса при увеличении заряда ядра.

В пределах подгруппы радиус атомов увеличивается, поскольку растёт число энергетических уровней.

Радиус атома всегда больше радиуса положительного иона, но меньше радиуса отрицательного иона:

r⁺ < r_α < r ^– (3)

ЗНАЧЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА И ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Периодическая система Д.И.Менделеева стала первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что элементы образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом.

Во время разработки периодической системы многие химические элементы были ещё неизвестны (всего было известно 63 элемента). Не был неизвестен элемент четвёртого периода скандий. По относительной атомной массе за кальцием шёл титан, но его нельзя было поставить сразу после кальция, так как титан попал бы в третью группу, тогда как он образует высший оксид ТiО₂, и по другим свойствам должен быть отнесён к четвёртой группе. Поэтому Менделеев пропустил одну клетку, оставив свободное место между кальцием и титаном для «экабора[10]». На том же основании в четвёртом периоде между цинком и мышьяком были оставлены две свободные клетки, для «экалюминия» и «экасилиция». Свободные места были оставлены и в других рядах.

Менделеев был не только убеждён, что должны существовать неизвестные ещё химические элементы, но и заранее предсказал и описал свойства некоторых из них, основываясь на определённых для них положений среди других элементов периодической системы.

Велико значение периодической системы также в установлении и исправлении относительных атомных масс и валентности атомов некоторых химических элементов.

Важную роль периодический закон сыграл в создании теории строения вещества.

С открытием Периодического закона появилась возможность предвидеть и описывать новые химические элементы и их соединения.

В 1879 г. Шведский химик Л.Ф.Нильсон открыл новый элемент скандий («экабор»), а в 1886 г. Немецкий химик К.Винклер открыл новый элемент германий («экасилиций»).

В 1893 - 1898 гг. английский физик и химик У.Рамдай открыл сначала инертный газ аргон, а позже и другие инертные газы, которые в современном варианте периодической системы химических элементов занимают главную подгруппу VIII группы и получили название «благородные газы».

В 1975 г. Французский химик П.Э.Леконде Буабодран открыл новый элемент галлий, существование которого предсказал Д.И.Менделеев, назвавший этот элемент «экаалюминий».

СТРОЕНИЕ АТОМА

Атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро, в свою очередь, образовано протонами и нейтронами. Атом – наименьшая часть химического элемента.

4.1. ЭЛЕКТРОН[11]

Таким образом, атом характеризуют три элементарные частицы.

Долгое время считалось, что атомы неделимы (не содержат составных частей) и неизменны (атом данного химического элемента не может превращаться в атом другого элемента). В конце XIX в. был установлены факты, свидетельствовавших о сложном строении атомов элементов и о возможности взаимопревращений атомов разных элементов.

В 1897 г. английский физик Джозеф Томсоноткрыл электрон– элементарную частицу, обладающую наименьшим существующим в природе отрицательным электрическим зарядом (1,602·10^-19 Кл). Его масса покоя (9,1095·10^–31 кг) в 1836 раз меньше массы покоя протона (1,6726·10^–27 кг). Было установлено, что электроны могут быть выделены из атомов любого элемента: так как они служат носителями электричества в металлах, испускаются многими веществами при нагревании, освещении или рентгеновском облучении, обнаруживаются в пламени.

Электроны содержатся в атомах всех элементов, но они заряжены отрицательно, а атомы не обладают электрическим зарядом – электронейтральны.Следовательно, в атомах, кроме электронов, содержатся другие, положительно заряженные частицы, то есть атомы– сложные образования, построенные из более мелких структурных единиц.

Большую роль в установлении сложной природы атома и расшифровке его структуры сыграло открытие и изучение радиоактивности– явления испускания атомами некоторых химических элементов излучения, способного проникать через вещества, ионизировать воздух, вызывать почернение фотографических пластинок.