Периодичность изменения свойств атомов химических элементов

Как было показано выше, электронная конфигурация атомов химических элементов изменяется периодически с ростом зарядов их ядер. Значит и химические свойства атомов, а также их физические характеристики, определяемые электронным строением (атомные или ионные радиусы, энергия сродства к электрону, энергия ионизации, электроотрицательность и др.) тоже будут закономерно изменяться по периодам и группам периодической системы.

Периодически должны изменяться и многие физические и химические свойства простых и сложных веществ, образованных элементами – аналогами.

Атомные и ионные радиусы

Вследствие волнового характера движения электрона атом не имеет четко определенных границ, поэтому измерить абсолютные размеры атомов невозможно. Условно форму атома или иона считают шарообразной, поэтому количественной характеристикой их размера служит радиус. За радиус свободного атома можно принять теоретически рассчитанное расстояние от главного максимума плотности внешних электронных облаков до ядра. Это так называемый орбитальный радиус. Для атома водорода он составляет 5,310^-11м или 0,053 нм (рис. 4). Однако, на практике приходится иметь дело с радиусами атомов, связанных друг с другом тем или иным типом химической связи. Такие радиусы следует рассматривать, как некоторые эффективные, т.е. проявляющие себя в действии величины. Эффективные радиусы определяют при изучении строения молекул и кристаллов веществ.

В зависимости от способа определения эффективный радиус атомов одного и того же элемента может иметь различное численное значение, но при этом характер изменения радиусов атомов внутри какого-то их сообщества будет неизменным.

Зависимость величины атомных радиусов от заряда ядра атома в таблице Д.И. Менделеева имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением атомного номера проявляется тенденция к уменьшению размеров атомов размещенных в нем элементов, что особенно четко наблюдается в малых периодах (табл. 4).

Таблица 4. Изменение радиусов атомов у элементов второго и третьего периодов таблицы Д.И. Менделеева

Символ элемента и его атомный номер	3Li	4Be	5B	6C	7N	8O	9F	Второй период
Радиус атома (нм)	0,155	0,113	0,091	0,077	0,071	0,066	0,064
Символ элемента, его атомный номер	11Na	12Mg	13Al	14Si	15P	16S	17Cl	Третий период
Радиус атома (нм)	0,189	0,160	0,143	0,134	0,130	0,104	0,099

Это объясняется увеличением силы электростатического притяжения электронов внешнего слоя ядром атома по мере возрастания величины его заряда.

В больших периодах, особенно в пределах семейств d- и f-элементов, наблюдается более плавное уменьшение радиусов, которое называется, соответственно «d- и f-сжатием». Оно объясняется тем, что в этом случае происходит заполнение электронами не внешнего, а внутреннего электронного слоя.

В пределах группы с возрастанием заряда ядра размеры атомов сверху вниз увеличиваются, так как появляются новые электронные слои, более удаленные от ядра (табл. 5).

Таблица 5. Изменение радиусов атомов у элементов различных групп таблицы Д.И. Менделеева

I А группа		V А группа		V В группа
Символ элемента	Радиус атома (нм)	Символ элемента	Радиус атома (нм)	Символ элемента	Радиус атома (нм)
Li Na K Rb Cs	0,155 0,189 0,236 0,248 0,268	N P As Sb Bi	0,071 0,130 0,148 0,161 0,182	V Nb Ta	0,134 0,145 0,146

Однако степень увеличения радиусов в А группах и В группах неодинакова. Для В групп увеличение радиуса атома наблюдается при переходе от элемента 4 периода к элементу 5 периода. Радиусы же элементов 5 и 6 периодов одной и той же группы примерно одинаковы. Это объясняется тем, что увеличение радиусов за счет возрастания числа электронных слоев при переходе от пятого к шестому периоду компенсируется f-сжатием, вызванным заполнением 4f-подуровня у f-элементов 6-го периода.

Электроны наружного слоя, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, превращаются в положительно заряженные ионы, так как у них заряд ядра превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Атомы, присоединившие к себе лишние электроны, превращаются в отрицательно заряженные ионы.

Потеря атомом электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров, а присоединение избыточных электронов – к увеличению. Поэтому радиус положительно заряженного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательно заряженного иона (аниона) всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома: r_A+  r_A  r_A-.

При этом радиус иона тем сильнее отличается от радиуса атома в ту или иную сторону, чем больше его заряд. Например, радиусы атома Cr и ионов Cr²⁺ и Cr³⁺ равны, соответственно, 0,127 нм; 0,083 нм; 0,064 нм.

В пределах одной группы или периода радиусы ионов одинакового заряда изменяются в той же последовательности, что и радиусы аналогичных нейтральных атомов.