Периодические свойства элементов

Так как электронное строение элементов изменяется периодиче­ски, то соответственно периодически изменяются и свойства элемен­тов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации, размеры атомов, окислительно-восстановительные и дру­гие свойства. В данном параграфе рассмотрена лишь периодичность энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности и размеров атомов. Периодичность других свойств будет рассмотрена позднее.

Энергия ионизации. Энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов какого либо элементa , на­зывается первой энергией ионизации 1₁. В результате ионизации ато­мы превращаются в положительно заряженные ионы. Энергию иони­зации выражают либо в килоджоулях на моль (кДж/моль), либо в электронвольтах (эВ).

Энергия ионизации характеризует восстановительную способ­ность элемента. Первая энергия ионизации определяется электронным строением элементов, и ее изменение имеет периодиче­ский характер. Энергия ионизации возрастает по периоду. Наимень­шие значения энергии ионизации имеют щелочные элементы, нахо­дящиеся в начале периода, наибольшими значениями энергии иони­зации характеризуются благородные газы, находящиеся в конце пе­риода. Пики на кривой зависимости энергии ионизации от порядкового номера элемента на­блюдаются у элементов с законченной s-подоболочкой (Be, Mg) и d-подоболочкой (Zn, Cd, Hg), и р-подоболочкой, в АО кото­рой находится по одному электрону (N, P, As). Ми­нимумы на кривой на­блюдаются у элементов, имеющих на внешней подоболочке по одному элек­трону (щелочные металлы, В, Al, Ga, In).

В одной и той же группе энергия ионизации несколько уменьша­ется с увеличением порядкового номера элемента, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния, внешних подоболочек от ядра.

Кроме первой энергии ионизации, элементы с многоэлектронны­ми атомами могут характеризоваться второй 1₂, третьей /₃ и более высокой энергией ионизации, которые равны соответственно энергии отрыва молей электронов от молей ионов Э⁺, Э²⁺ и т. д. При этом энергии ионизации возрастают с увеличением их номеров, т.е. 1₁<1₂< /₃. Особенно резкое увеличение ионизации наблюдается при отрыве электронов из заполненной подоболочки.

Сродство к электрону. Энергетический эффект присоединения моля электронов к молю нейтральных атомов называется сродст­вом к электрону. Например:

Э + е = Э".

Сродство к электрону Е_ср количественно выражается в кДж/моль или эВ. Сродство к электрону зависит от положения элемента в пе­риодической системе. Наибольшие значения сродства к электрону имеют галогены, кислород, сера, наименьшие и даже отрицательные значения ее — элементы с электронной конфигурацией s² (He, Be, Mg, Zn), с полностью или наполовину заполненными p-подоболочками (Ne, Ar, Кr, N, P, As).

Электроотрицательность. Для характеристики способности атомов в соединениях притягивать к себе электроны введено понятие электроотрицательности (ЭО). Учитывая, что эта способность атомов зависит от типа соединений, валентного состояния элемента, эта ха­рактеристика имеет условный характер. Однако ее использование по­лезно для объяснения типа химических связей и свойств соединений.

Имеется несколько шкал электроотрицательности. Согласно Р. Малликену (США) электроотрицательность равна полусумме энергии ионизации и энергии сродства к электрону. Сложность использования подхода Малликена заключается в том, что нет надежных методов количественного определения энергии сродства к электрону. Поэтому Л. Полинг (США) предложил термохимический метод расчета ЭО на основе определения разности энергии диссоциации соединения А-В и образующих его молекул А-А и В-В. Он ввел относительную шкалу электроотрицательности, приняв ЭО фтора, равной четырем. Элек­троотрицательность элементов возрастает по периоду и несколько убывает в группах с возрастанием номера периода у эле­ментов I, II, V, VI и VII главных подгрупп, III, IV и V — побочных подгрупп, имеет сложную зависимость у элементов III главной под­группы (минимум ЭО у А1), возрастает с увеличением номера пе­риода у элементов IV — VIII побочных подгрупп. Наименьшие зна­чения ЭО имеют s-элементы I подгруппы, наибольшие значения — p-элементы VII и VI групп.

Атомные радиусы. Атомы не имеют строго определенных гра­ниц из-за корпускулярно-волнового характера электронов. Поэтому абсолютное значение радиуса атома определить невозмож­но. Можно условно принять за радиус атома теоретически рассчитан­ное значение расстояния от ядра до наиболее удаленного от него максимума электронной плотности (орбитальный радиус атома) или по­ловину расстояния между центрами двух смежных атомов в кристал­лах (эффективные радиусы атомов). Наблюдается периодичность изменения атомных радиусов (рис. 1.7), особенно у s- и р-элементов. У d- и f-элементов кривая изменения радиусов атомов по периоду имеет более плавный характер. В одной и той же группе с увеличени­ем номера периода атомные радиусы, как правило, возрастают в свя­зи с увеличением числа электронных оболочек. Однако увеличение заряда ядра при этом оказывает противоположный эффект, поэтому увеличение атомных радиусов с увеличением номера периода отно­сительно невелико, а в некоторых случаях, например у р-элементов III группы значение орбитального радиуса у AI больше, чем у Ga.