Общая характеристика s-элементов и их соединений

Вопрос.

Свойства и получение

Оксиды редкоземельных элементов. По часовой стрелке от центрального первого: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Редкоземельные элементы — металлы, их получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами.

В элементах — скандий, иттрий, лантан — d-оболочка предпоследнего электронного слоя только начинает образовываться, поэтому радиусы атомов и активность металлов в этой группе возрастают сверху вниз. Этим свойством группа отличается от других побочных подгрупп металлов, у которых порядок изменения активности противоположный.

Поскольку радиус атома иттрия (0,89 Å) близок к радиусу атома гольмия (0,894 Å), то по активности этот металл должен занимать одно из предпоследних мест. Скандий же из-за своей активности должен располагаться после лютеция. В этом ряду ослабляется действие металлов на воду.

Редкоземельные элементы чаще всего проявляют степень окисления +3. Из-за этого наиболее характерными являются оксиды R₂O₃ — твёрдые, крепкие и тугоплавкие соединения. Будучи основными оксидами, они для большинства элементов способны соединяться с водой и создавать основания — R(OH)₃. Гидроксиды редкоземельных металлов малорастворимы в воде. Способность R₂O₃ соединяться с водой, основная функция, то есть и растворимость R(OH)₃ уменьшаются в той же последовательности, что и активность металлов: Lu(OH)₃, а особенно Sc(OH)₃, проявляют некоторые свойства амфотерности. Так, кроме раствора Sc(OH)₃ в концентрированном NaOH, получена соль: Na₃Sc(OH)₆·2H₂O.

Поскольку металлы данной подгруппы активны, а их соли сильных кислот растворимы, они легко растворяются в кислотах-неокислителях и кислотах-окислителях.

Все редкоземельные металлы энергично реагируют с галогенами, создавая RHal₃ (Hal — галоген). С серой и селеном они также реагируют, но при нагревании.

Свойства. РЗЭ-металлы серебристо-белого цвета, нек-рые-с желтоватым оттенком (Рr, Nd). Они пластичны и электропроводны, легко поддаются мех. обработке. Мн. св-ва простых в-в и соед. изменяются симбатно в рядах La-Eu и Gd-Yb. Относит, изменения св-в м.б. совсем небольшими или, наоборот, значительными. Особенно резко отличаются св-ва, отражающие переход из связанного состояния в свободное и обратно. Напр., при переходе из металлич. состояния в парообразное мерой является давление пара металлов. При 25 °С давления паров РЗЭ различаются более чем на 40 порядков, а при 1000 °С-примерно на 10 порядков (миним. давление характерно для La, Gd и Lu, макс.-для Еu и Yb). Это связано с большой разницей в энергии, необходимой для перехода 4/-электрона на 5d-уровень у М °. Об изменении др. св-в см. табл. 2. С др. стороны, есть св-ва, остающиеся примерно постоянными для всех РЗЭ, напр. молярная . Вследствие лантаноидного сжатия при переходе от La к Lu ионные радиусыРЗЭ и их атомные радиусы (кроме Еu и Yb) плавно уменьшаются (рис. 1, 2), плотность простых в-в увеличивается.

В хим. соед. РЗЭ проявляют степени окисления 3₊ (все РЗЭ), 4₊ (Се, Рг, Nd, Tb, Dy) и 2₊ (Sm, Eu, Tm и Yb). Се-аналог Zr, Th и U(IV), Eu и Yb-аналоги щел.-зем. металлов. Со мн. электроотрицат. элементами (В, С, N, О, халькогены, галогены) РЗЭ образуют довольно стабильные соед.; высоко стабильны также гидриды РЗЭ. Поэтому РЗЭ-хорошие восстановители оксидов, сульфидов, галоге-нидов др. металлов.

На воздухе легкие лантаноиды окисляются при комнатной т-ре, остальные-при нагр. до 180-200 °С; Се и богатые Се сплавы пирофорны. РЗЭ реагируют с водой (при нагр.-быстро), соляной, серной и азотной к-тами. РЗЭ образуют многочисл. интерметаллич. и комплексные соединения. См. также Редкоземельных элементов галогениды, Редкоземельных элементов оксиды.

Вопрос.

Общая характеристика s-элементов и их соединений

s- и р-элементы

Так, при переходе от s-элемента I группы к р-элементу VIII группы на кривой энергии ионизации атомов и кривой изменения их радиусов имеются внутренние максимумы и минимумы^.

Это свидетельствует о внутреннепериодическом характере изменения этих свойств по периоду. Объяснение отмеченных закономерностей можно дать с помощью представления об экранировании ядра.

Эффект экранирования ядра обусловлен электронами внутренних слоев, которые, заслоняя ядро, ослабляют притяжение к нему внешнего электрона. Так, при переходе от бериллия₄Be к бору ₅B, несмотря на увеличение заряда ядра, энергия ионизации атомов уменьшается:

Это объясняется тем, что притяжение к ядру 2р-электрона атома бора ослаблено за счет экранирующего действия 2s-электронов.

Понятно, что экранирование ядра возрастает с увеличением числа внутренних электронных слоев. Поэтому в подгруппах s- и р-элементов наблюдается тенденция к уменьшению энергии ионизации атомов

Уменьшение энергии ионизации от азота ₇N к кислороду ₈О объясняется взаимным отталкиванием двух электронов одной и той же орбитали:

Эффектом экранирования и взаимного отталкивания электронов одной орбитали объясняется также внутреннепериодический характер изменения по периоду атомных радиусов

В характере изменения свойств s- и р-элементов в подгруппах отчетливо наблюдается вторичная периодичность . Для её объяснения привлекается представление о проникновении электронов к ядру. Как показано на рисунке 9, электрон любой орбитали определенное время находится в области, близкой к ядру. Иными словами, внешние электроны проникают к ядру через слои внутренних электронов. Как видно из рисунка 9, внешний 3s-электрон атома натрия обладает весьма значительной вероятностью находиться вблизи ядра в области внутренних К- и L-электронных слоев.

s-Элементы расположены в IA и IIA группах периодической системы

элементов Д. И. Менделеева (за исключением гелия, который находится в VIIIА

группе). На внешнем электронном уровне у них имеется один (s1

-элементы) или два (s2-элементы) электрона, которые легко отдают атомы s-элементов, превращаясь в одно-(s1 -элементы) и двухзарядные (s2-элементы) ионы. С

увеличением числа валентных электронов на энергетическом уровне энергия

ионизации атомов увеличивается (энергия ионизации — это энергия,

необходимая для отрыва наименее связанного электрона от атома), а

следовательно, восстановительные свойства атомов уменьшаются. Поэтому s2-элементы являются более слабыми восстановителями, чем s1-элементы. В

группе восстановительные свойства s-элементов увеличиваются сверху вниз,

так как увеличивается число электронных слоев у атомов и уменьшается в том

же направлении энергия ионизации.

Радиусы ионов в подгруппах сверху вниз увеличиваются, а в периоде при переходе от s1- к s2-элементам уменьшаются. Закономерности изменения

радиусов ионов s-элементов в группе и периоде, строение их электронных

оболочек влияют на характер связи между анионами и катионами s-элементов,

растворимость их солей. Так как ионы s-элементов имеют устойчивую

электронную оболочку типа инертных газов, то они обладают небольшой

способностью к поляризации и сами являются слабыми поляризаторами. Под

поляризацией понимается смещение электронного облака аниона под

влиянием положительного заряда катиона:

Органогены — главные химические элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, водород, кислород и азот. Этот термин имеет теперь лишь историческое значение

Азот в природе