1.3. Основные характеристики атомов элементов

1.3.1. Радиус атома

Одна из наиболее важных характеристик атома, влияющих на его химические свойства, - размер атома. Размер атома не может быть точно определен, поскольку электронные орбитали атомов не имеют строго ограниченных контуров. Следователь­но, речь может идти не об абсолютных размерах атомов, а только о размерах этих частиц в кристаллах и молекулах, т. е. об эффективных радиусах атомов (r_aT). В качестве единицы из­мерения радиуса атома удобно использовать пикометр (пм): 1 пм = 10^-12 м. Эффективные радиусы атомов элементов пе­риодически изменяются в зависимости от заряда их ядра и числа электронов. В каждом периоде наибольшим радиусом обладает атом элемента, стоящий в начале периода, т. е. атом щелочного металла. В периоде с возрастанием заряда ядра атом­ные радиусы уменьшаются вследствие увеличения сил взаи­модействия электронов с ядром. В группах атомные радиусы элементов, как правило, возрастают сверху вниз, так как уве­личивается число электронных слоев в атомах элементов (см. табл. 1.3).

1.3.2. Энергия ионизации

Важной характеристикой атома, определяющей его способ­ность отдавать электрон, является энергия ионизации.

Энергия ионизации (Е_И) - это энергия отрыва элек­трона от атома элемента с образованием катиона: Э - e^- =Э⁺ (Е_И, кДж/моль).

Энергия ионизации является сложной функцией ряда свойств атома: заряда ядра, атомного радиуса и характера межэлек­тронного взаимодействия.

В периоде наименьшую энергию ионизации имеют элементы группы IA, т. е. щелочные металлы, так как в атомах этих эле­ментов на внешнем электронном слое находится один электрон, который значительно удален от ядра. Поэтому характерной особенностью щелочных металлов является их склонность к отдаче электрона с образованием однозарядного положительного иона. При переходе от элемента к элементу в пределах периода, вслед­ствие увеличения заряда ядер и уменьшения радиусов атомов, происходит увеличение энергии ионизации, достигающее мак­симума для атомов благородных газов, обладающих энергетиче­ски выгодной конфигурацией ns²np6 (см. табл. 1.3).

В пределах каждой группы А, т. е. для s- и p-элементов, энергия ионизации уменьшается сверху вниз (табл. 1.3). Это оз­начает, что на взаимодействие внешнего электрона с ядром больше влияет увеличение размера атома, чем увеличение заря­да ядра. Это связано с дополнительным экранированием внут­ренними электронами заряда ядра от внешних электронов, а также с ростом межэлектронного взаимодействия по мере увеличения числа электронов в атоме.

В группах Б, т. е. для d-элементов, за исключением группы ШБ, изменение энергии ионизации носит обратный характер: она увеличивается сверху вниз (табл. 1.3). Это связано с тем, что рост размера атома в пределах одной группы Б относитель­но невелик, поэтому увеличение заряда ядра оказывает на энер­гию ионизации более сильное влияние.

Малое значение энергии ионизации атома элемента свиде­тельствует о металлических свойствах этого элемента, и, на­оборот, большое значение указывает на неметаллические свойства элемента.

1.3.3. Энергия сродства к электрону

В результате химических превращений атом элемента мо­жет присоединять электрон, превращаясь в анион.

Энергия сродства к электрону (Е_ср) - это энергия присоединения электрона атомом элемента с образова­нием аниона: Э - e^- =Э^- (Е_ср, кДж/моль).

Энергия сродства к электрону также является периодиче­ским свойством, причем она возрастает у элементов в пределах периода слева направо, достигая максимальных значений у гало­генов (табл. 1.3). Это связано с их электронной конфигурацией ns²np⁵, в которой недостает только одного электрона до энергети­чески выгодной конфигурации ns^znp⁶, характерной для атомов благородных газов. У элементов групп А сверху вниз наблюда­ется уменьшение энергии сродства к электрону вследствие суще­ственного увеличения атомного радиуса. У элементов групп Б сверху вниз, наоборот, энергия сродства к электрону увеличи­вается, что связано со значительным возрастанием заряда ядра и незначительным увеличением радиуса их атомов (табл. 1.3).

Если атомы двух элементов сильно различаются значения­ми энергии ионизации и энергии сродства к электрону, то та­кие элементы будут легко реагировать друг с другом с образо­ванием прочной связи. Использование этих характеристик ог­раничено тем, что они применимы только к изолированным атомам. Если атомы находятся в соединении, т. е. в молекуле, то для них используют другую характеристику - относитель­ную электроотрицательность.