Энергия ионизации, сродства атомов к электрону и электроотрицательность. Что они характеризуют и как изменяются в периодах и группах?

Эне́ргией сродства́ а́тома к электро́ну, или просто его сродством к электрону (ε), называют энергию, выделяющуюся в процессе присоединения электрона к свободному атому Э в его основном состоянии с превращением его в отрицательный ион Э⁻ (сродство атома к электрону численно равно, но противоположно по знаку энергии ионизации соответствующего изолированного однозарядного аниона).

Э + e⁻ = Э⁻ + ε

Сродство к электрону выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электронвольтах на атом (эВ/атом).

В отличие от ионизационного потенциала атома, имеющего всегда эндоэнергетическое значение, сродство атома к электрону описывается как экзоэнергетическими, так и эндоэнергетическими значениями (см. табл.).

Зависимость сродства к электрону атома от атомного номера элемента (экзоэффект указан со знаком минус, эндоэффект со знаком плюс)

Таблица 1 Энергия сродства некоторых атомов к электрону, эВ
Элемент	ε	Элемент	ε	Элемент	ε
H	-0,75	Na	-0,78	K	-0,92
He	0,30	Mg	0,32	Ca	0,40
Li	-0,58	Al	-0,52	Sc	0,14
Be	0,19	Si	-1,39	Ti	-0,40
B	-0,33	P	-0,78	V	-0,94
C	-1,12	S	-2,07	Cr	-0,98
N	0,27	Cl	-3,61	Mn	1,07
О	-1,47	Br	-3,36	Fe	-0,58
F	-3,45	I	-3,06	Co	-0,94
Ne	0,55			Ni	-1,28
				Cu	-1,80

Наибольшим сродством к электрону обладают p-элементы VII группы. Наименьшее сродство к электрону у атомов с конфигурацией s² (Be, Mg, Zn) и s²p⁶ (Ne, Ar) или с наполовину заполненными p-орбиталями (N, P, As):

Таблица 2
	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
Электронная конфигурация	s1	s2	s2p1	s2p2	s2p3	s2p4	s2p5	s2p6
ε, эВ	-0,59	0,19	-0,30	-1,27	0,21	-1,47	-3,45	0,22

Небольшие расхождения в цифрах между табл. 1 и табл. 2 обусловлены тем, что данные взяты из разных источников, а также погрешностью измерений.

  Электроотрицательность. Понятие электроотрицательности(ЭО) позволяет оценить способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению сдругими элементами соединения. Очевидно, что эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений (Малликен)электроотрицательность атома х может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону.  

Электроотрицательность — это количественная характеристика способности атома в молекуле притягивать к себе электроны. Она равна полусумме энергии ионизации и сродства атома к электрону. Зависимость электроотрицательности отпорядкового номера элемента носит периодический характерэлектроотрицательность возрастает внутри периода и уменьшается внутри группы периодической системы элементов. На практике пользуются относительными значениямиэлектроотрицательности (ОЭО), принимая за единицу электроотрйцательность лития

     Основные тенденции периодического изменения свойств элементов следующие. В группе элементов вертикальная периодичность) при возрастании порядкового номерапроисходит увеличение размеров атомов и уменьщениеихэнергии ионизации и сродства к электрону,электроотрицательности элементов и т. п. Вдоль периодаэлементов горизонтальная периодичность) при возрастаниипорядкового номера происходит периодическое увеличениеэнергии ионизации атомов и их сродства к электрону,электроотрицательности элементов с одновременным уменьщением размеров их атомов. Изменение эффективности атомного номера (эффективного заряда ядра 2 ), ровное вдоль периода, несмотря на разное число элементов в периодах.

Неметаллические элементы отличаются от металлическихэлементов более высокими значениями энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательностей.

Электроотрицательность. Понятие злектроотрицательности (ЭО) позволяет оценить способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению сдругими элементами соединения. Очевидно, что эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно одному из определений (Малликен)электроотрицателыюсть атома / может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону X 2 (/ + Р)- Имеется около 20 шкал электроотрнцатель-нссти, в основу расчета значений которых положены разные свойства в(ществ.Значенияэлектроотрицательностей разных шкал отли- [c.36]
    В каждом периоде периодической таблицы наблюдаетсяобщая тенденция к возрастанию энергии ионизации с увеличением порядкового номера элемента. Сродство к электрону оказывается наибольшим у кислорода и галогенов. Атомы с устойчивыми орбитальными конфигурациями.(s , s p , s p ) имеют очень небольшое (часто отрицательное) сродство к электрону. Расстояние между ядрами двух связанных атомов называется длиной связи. Атомный радиус водорода Н равенполовине длины связи в молекуле Hj- В каждом периоде периодической таблицы наблюдается в общем закономерноеуменьшение атомного радиуса с ростом порядкового номера элемента.

БИЛЕТ 13

Периодический закон. В чем причина периодического изменения свойств элементов с увеличением заряда ядра? Короткопериодный вариант периодической системы элементов. Изменение свойств элементов в периодах и группах.

Периодические изменения свойств химических элементов обусловлены правильным повторением электронной конфигурации внешнего энергетического уровня (валентных электронов) их атомов с увеличением заряда ядра.

Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица. Она содержит 7 периодов и 8 групп.

Период - горизонтальные ряды элементов с одинаковым максимальным значением главного квантового числа валентных электронов.

Номер периода обозначает число энергетических уровней в атоме элемента.

Периоды могут состоять из 2 (первый), 8 (второй и третий), 18 (четвертый и пятый) или 32 (шестой) элементов, в зависимости от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Последний, седьмой период незавершен.

Все периоды (кроме первого) начинаются щелочным металлом (s-элементом), а заканчиваются благородным газом (ns² np⁶).

Металлические свойства рассматриваются, как способность атомов элементов легко отдавать электроны, а неметаллические - присоединять электроны из-за стремления атомов приобрести устойчивую конфигурацию с заполненными подуровнями. Заполнение внешнего s- подуровня указывает на металлические свойства атома, а формирование внешнего p- подуровня - на неметаллические свойства. Увеличение числа электронов на p- подуровне (от 1 до 5) усиливает неметаллические свойства атома. Атомы с полностью сформированной, энергетически устойчивой конфигурацией внешнего электронного слоя (ns² np⁶) химически инертны.

В больших периодах переход свойств от активного металла к благородному газу происходит более плавно, чем в малых периодах, т.к. происходит формирование внутреннего (n - 1) d- подуровня при сохранении внешнего ns² - слоя. Большие периоды состоят из четных и нечетных рядов.

У элементов четных рядов на внешнем слое ns² - электроны, поэтому преобладают металлические свойства и их ослабление с ростом заряда ядра невелико; в нечетных рядах формируется np- подуровень, что объясняет значительное ослабление металлических свойств.

Группы - вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равным номеру группы. Различают главные и побочные подгруппы.

Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны которых расположены на внешних ns- и np- подуровнях.

Побочные подгруппы состоят из элементов только больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns- подуровне и внутреннем (n - 1) d- подуровне (или (n - 2) f- подуровне).

В зависимости от того, какой подуровень (s-, p-, d- или f-) заполняется валентными электронами, элементы периодической системы подразделяются на: s- элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p- элементы (элементы главных подгрупп III - VII групп), d- элементы (элементы побочных подгрупп), f- элементы (лантаноиды, актиноиды).

В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Элементы главных и побочных групп сильно отличаются по свойствам.

Номер группы показывает высшую валентность элемента (кроме O, F, элементов подгруппы меди и восьмой группы).

Общими для элементов главных и побочных подгрупп являются формулы высших оксидов (и их гидратов). У высших оксидов и их гидратов элементов I - III групп (кроме бора) преобладают основные свойства, с IV по VIII - кислотные.

Для элементов главных подгрупп общими являются формулы водородных соединений. Элементы главных подгрупп I - III групп образуют твердые вещества - гидриды (водород в степени окисления - 1), а IV - VII групп - газообразные. Водородные соединения элементов главных подгрупп IV группы (ЭН₄) - нейтральны, V группы (ЭН₃) - основания, VI и VII групп (Н₂Э и НЭ) - кислоты.

От положения элементов в периодической системе зависят свойства атома, связанные с его электронной конфигурацией: атомный радиус - по периоду слева направо уменьшается, а в подгруппе сверху вниз возрастает; энергия ионизации - по периоду возрастает, а в подгруппе уменьшается; электроотрицательность - по периоду увеличивается, а в подгруппе уменьшается.

В периодах отначалак периода к концу (слева направо) усиливаются кислотные (неметаллические) свойства и ослабевают основные (металлические) свойства в связи с увеличением количества электронов на внешнем электронном уровне. В группах от начала к концу (сверху вниз) усиливаются металлические (основные) свойства и ослабевают неметаллические (кислотные свойства) в связи с увеличением электронных уровней и меньшим притяжение электронов внешнего уровня к ядру

Короткая форма периодической системы элементов восходит к первоначальной версии таблицы Менделеева:^[1] Короткая форма таблицы Менделеева основана на параллелизме степеней окисления элементов главных и побочных подгрупп: например, максимальная степень окисления ванадия равна +5, как у фосфора и мышьяка, максимальная степень окисления хрома равна +6, как у серы и селена, и т. д. В таком виде таблица была опубликована Менделеевым в 1878 году (до этого группы группировались в ряды, а не в колонки)

Изменение свойств элементов

По периоду слева направо:

заряд ядра атома - увеличивается;

радиус атома - уменьшается;

количество электронов на внешнем уровне - увеличивается;

электроотрицательность - увеличивается;

отдача электронов - уменьшается;

прием электронов - увеличивается.

По группе сверху вниз:

заряд ядра атома - увеличивается;

радиус атома - увеличивается;

количество электронов на внешнем уровне - не изменяется;

электроотрицательность - уменьшается;

отдача электронов - увеличивается;

прием электронов - уменьшается.

Причина изменения свойств также объясняется строением атомов химических элементов.

Каждый период начинается элементом щелочным металлом (исключение – первый период), в атомах которых на внешнем энергетическом уровне имеются один s – электрон. Общая электронная формула строения внешнего энергетического уровня щелочных металлов ns¹ , где n – номер периода.

Каждый период заканчивается элементом благородным газом. В атомах элементов благородных газов на внешнем энергетическом уровне имеются два s- и шесть p-электронов. Общая электронная формула строения внешнего энергетического уровня благородных газов ns²np⁶ , где n - номер периода (исключение: гелий He - ns²).

Период - это горизонтальная последовательность элементов по возрастанию порядкового (атомного) номера элемента, атомы которых имеют одинаковое число энергетических уровней, численно равное номеру периода.

В периодах металлические свойства уменьшаются, а неметаллические свойства увеличиваются.

В больших периодах изменения свойств происходят медленнее, что объясняется появлением десяти d-элементов (4-й, 5-й периоды) и четырнадцати f-элементов (6-й, 7-й периоды).

По группам (в главных подгруппах) металлические свойства увеличиваются, а неметаллические уменьшаются.

Группа - это вертикальная последовательность элементов по возрастанию порядкового (атомного) номера, обладающая схожими свойствами.

Главная подгруппа - это вертикальная последовательность s- и p-элементов с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне, равным номеру группы.

Побочная подгруппа - это вертикальная последовательность d- и f-элементов, которые имеют одинаковое суммарное количество валентных электронов.

Следовательно, возможна третья формулировка Периодического закона, которая отражает причину периодического изменения свойств.

Свойства химических элементов и образованных ими соединений находятся в периодической зависимости от строения внешних энергетических уровней атомов.

Билет №14
Ковалентная химическая связь. Ее характерные особенности: насыщаемость, полярность и направленность. Определение элементов по методу валентных связей. Рассмотреть на примере 26 и 35 элементов.

Ковалентная связь – химическая связь между атомами, осуществляемая обобществленными электронами. Ковалентная связь является универсальным типом химической связи. Ковалентная связь существует между атомами как в молекулах, так и в кристаллах. Она возникает как между одинаковыми атомами ( например, в молекулах , в кристалле алмаза), так и между разными атомами (например, в молекулах и , в кристаллах SiC). Почти все связи в молекулах органических соединений являются ковалентными. (С-С, С-Н, С-N и др.).
Характерными особенностями ковалентной связи является ее насыщаемость и направленность.
Насыщаемость ковалентных связей обусловлена тем, что при химическом взаимодействии участвуют электроны только внешних энергетических уровней, т.е. ограниченное число электронов.
Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы. Углы между двумя связями называют валентными.
Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов.
Химическая связь, образованная путем обобществления пары электронов двумя атомами, называется ковалентной. Объяснение химической связи возникновением общих электронных пар между атомами легло в основу спиновой теории валентности, инструментом которой является метод валентных связей (МВС), открытый Льюисом в 1916 г.
Основные принципы образования химической связи по МВС:
1. Химическая связь образуется за счет валентных (неспаренных) электронов.
2. Электроны с антипараллельными спинами, принадлежащие двум различным атомам, становятся общими.
3. Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении двух и более атомов полная энергия системы понижается.
4. Основные силы, действующие в молекуле, имеют электрическое, кулоновское происхождение.
5. Связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.
Существует два механизма образования ковалентной связи
Обменный механизм. Связь образована путем обобществления валентных электронов двух нейтральных атомов. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:
а) б)

Рис. Обменный механизм образования ковалентной связи: а – неполярной; б – полярной
Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь. Соединения, образованные по донорно-акцепторному механизму, относятся к комплексным соединениям
Согласно МВС валентность электронов определяется числом неспаренных электронов, находящихся в атоме, причем для s и p элементов это электроны, находящиеся на внешнем и предвнешнем электронных слоях.

Билет №15
Полярность связи. Дипольный момент и единицы его измерения. Отличаются ли полярность связи и молекул? Приведите примеры.

Полярность химических связей — характеристика химической связи (как правило ковалентной), показывающая изменение распределения электронной плотности в пространстве вокруг ядер в сравнении с распределением электронной плотности в образующих данную связь нейтральных атомах.
Если молекула образована одинаковыми атомами (O2, H2, Cl2), то между ними образуется неполярная ковалентная связь. В таком случае валентные электроны притягиваются атомами с равной силой, поэтому общее электронное облако расположено симметрично относительно обоих атомов. Электронная пара, образующая связь, в равной степени принадлежит обоим атомам.
Если ковалентную связь в молекуле образуют атомы разных элементов, то она будет полярной. В полярной ковалентной связи электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью, то есть к тому, который сильнее притягивает электроны.
Количественной характеристикой полярности связи является дипольный момент.
µ=e*l, где [µ]=Кл*м, e- заряд, l – расстояние между зарядами
1D (Дебай) =3*10^-33 Кл*м
Следует различать полярность связи и полярность молекулы. В случае двухатомных молекул очевидно, что наличие полярной связи означает наличие диполя. В случае же многоатомных молекул в возникновении диполя играет роль и пространственное строение молекул. Так, молекула оксида углерода (II) линейна:
О = С = О
Обе связи С = О полярны, причем дипольный момент каждой отдельной связи весьма значителен (mС=0 = 2,7 Д). Однако, вследствие симметричности молекулы, взаимная компенсация зарядов приводит к тому, что вся молекула оказывается неполярной: mС=0 = 0. Если же молекула нелинейна (например, Н2О, угол Н – О – Н около 1050), то дипольные моменты связей не компенсируются, и вся молекула представляет диполь (mС=0 = 1,84 Д).

Билет №16

Атом бора имеет один неспаренный электрон, но способен образовывать соединение BH₃. Почему? Какой тип гибридизации реализуется в этом соединение , и какое строение оно имеет?

Атом Бора имеет способность распаривать электроны находящиеся на внешнем уровне – проявлять возбужденное состояние (электрон с 2S подуровня переходит на 2P подуровень)

Атом бора в основном состоянии одновалентен. Атом бора в возбужденном состоянии имеет три неспаренных электрона и может образовывать соединения, где он будет трёхвалентен. Энергия, затраченная на переход атома в возбуждённое состояние в пределах одного энергетического уровня, как правило, с избытком компенсируется энергией, выделяющейся при образовании дополнительных связей.
В этом соединение реализуется SP2 гибридизация.

sp2–гибридизация АО В, 3 s - связи, Ð 120° , связи полярные. Структура молекулы - плоский треугольник. Молекула ВН3 – неполярная.

Билет № 17