§5. Изменение свойств химических элементов

Как известно, химический элемент – это совокупность атомов одного вида. Свойства элементов, естественно, определяются свойствами атомов и выявляются при взаимодействии их друг с другом. Наиболее характерным типом взаимодействия является такое, которое сопровождается частичной перестройкой электронных оболочек атомов, вызываемой переходом или оттягиванием электронов от атома к атому. У атомов одних элементов сильнее выражена способность при затрате энергии к потере электронов, что обусловливает их восстановительные свойства; у атомов других элементов более сильно выражена способность к присоединению электронов, и она обусловливает их окислительные свойства. Сочетание восстановительных и окислительных свойств нейтральных атомов и определяет химическую природу элементов.

Восстановительные и окислительные свойства атомов сопряжены: чем сильнее выражены первые, тем слабее проявляются вторые, и наоборот. Это естественно, поскольку проявление тех и других свойств определяется прочностью связывания электронов в атоме. Однако количественные характеристики восстановительной и окислительной способности атомов далеко не одинаковы.

Количественной характеристикой восстановительной способности атомов является значение энергии ионизации, т. е. энергии, необходимой для отрыва одного электрона от нейтрального атома. Отношение этой величины к заряду электрона есть ионизационный потенциал, т. е. напряжение электрического поля, достаточное для отрыва электрона. Ионизационный потенциал выражают обычно в вольтах (В), а энергию ионизации – в электронвольтах (эВ) или в других единицах энергии. Характерно, что для отрыва второго электрона требуется затрата большего количества энергии, а для отрыва третьего электрона – еще большего. Значения ионизационного потенциала и энергии ионизации атомов различных элементов приведены в Приложении (в конце книги).

Количественной характеристикой окислительной способности атомов является значение энергии сродства к электрону, т. е. энергии, выделяющейся при присоединении электрона к нейтральному атому. Энергия сродства к электрону значительно меньше энергии ионизации тех же атомов. Обе эти величины зависят от заряда ядра и размеров атома: с увеличением заряда ядра они должны расти, а с увеличением радиуса атома уменьшаться.

Рис. 3. Зависимость свойств элемента от заряда ядра:

а – ионизационных потенциалов; б – радиусов атомов

В связи с этим в периоде наблюдается рост энергии ионизации от щелочных металлов к инертным элементам. В группе же дело обстоит сложнее. В главных подгруппах увеличение радиуса атомов сверху вниз перекрывает увеличение заряда ядер, и потому энергия ионизации в этом направлении уменьшается; в побочных же подгруппах этого перекрывания не наблюдается, и потому энер­гия ионизации изменяется не столь явно. Что касается энергии сродства к электрону, то она вообще изменяется симбатно с изменением энергии ионизации, но, поскольку значения энергии сродства к электрону (эти величины измеряются косвенным путем и в некоторых случаях они мало надежны) малы по сравнению со значениями энергии ионизации, изменения первых не имеет смысла наблюдать у элементов, расположенных в левой и нижней частях периодической системы. Кроме того, энергия сродства к электрону, увеличиваясь для элементов от четвертой до седьмой главных подгрупп, резко падает от седьмой к восьмой главной подгруппе. Изменение значений ионизационных потенциалов в зависимости от атомного номера элемента графически показано на рис. 3, а. На рис. 3, б показана зависимость изменения радиуса атомов от атомного номе­ра элементов.

Из этих данных видно, что восстановительная способность атомов может изменяться в очень широких пределах, но вообще она присуща в какой-то степени всем химическим элементам (за исключением гелия, неона и фтора). Что же касается окислительной способности, то она проявляется лишь у незначительного числа элементов; практически ее лишены элементы главных подгрупп I, II, III и VIII групп и всех побочных подгрупп периодической сис­темы.

Электроотрицательность. Из изложенного выше следует, что у атомов одних элементов преимущественно проявляется способность при затрате энергии к потере электронов с превращением в положительно заряженные ионы, атомы же других элементов, наоборот, стремятся приобрести электроны, переходя при этом в отрицательно заряженные ионы. Вместе с этим не исключена возможность того, что атом одного элемента будет по отношению к атому другого элемента более электроположительным, а по отношению к атому некоего третьего элемента более электроотрицательным. Для сравнительной оценки этих способностей введена особая ха­рактеристика, названная электроотрицательностью, которая определяется как способность атомов в молекуле или кристалле притягивать электроны.

Если велика энергия ионизации, то его способность при затрате энергии к отдаче электронов выражена слабо; если же велика энергия сродства к электрону, то атом стремится присоединить электроны. Общее стремление атома к присоединению электрона

определяется арифметической полусуммой значений энергии ионизации и сродства к электрону. Оценивать электроотрицательность имеет смысл только для элементов, имеющих окислительную способность. Ниже приводятся относительные значения электроотрицательности неметаллических элементов.

Как видно, у элементов в периоде, например от бора к фтору, электроотрицательность возрастает слева направо; в группе электроотрицательность более выражена у элемента, расположенного выше.

Н 2,00
B 1,33	C 2,01	N 2,76	O 3,39	F 4,0
	Si 1,42	P 2,00	S 2,37	Cl 2,74
	Ge 1,92	As 1,71	Se 2,18	Br 2,55
	Sn 1,13	Sb l,55	Те 2,02	I 2,36
	Pb 1,04	Bi 1,39	Po 1,86	At 2,17

Неметаллические элементы по возрастающей величине относительной электроотрицательности можно расположить в следующий ряд:

Pb, Sn, Ge, В, Bi, Si, Sb, As, Po, H, P, С, Те, At, Se, I, S, Br, Cl, N, О, F

Наиболее электроотрицательным из всех элементов является фтор; каждый элемент в этом ряду обладает большей электроотрицательностью, чем элементы, расположенные левее его.