книги из ГПНТБ / Столярчук В.Г. Строение атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

„ ,а

j *

• з+

з*

''3+

з+

{*

.„ 3+

элемент

&d

T$ .

Щ

Ho

£z

TS

p

Hu

Радиус

( A 0 ) 0,938

ф'з

0,988

0,894

0,881

0,863 0,85b

0,8*8

7

циркония

и стоящего

за ним через

32 элемента

гафния

почти

одинаковые

радиусы

и у

атомов

и у

ионов,

что д е л а е т

их

свойства

похожими.

Также похожи

ниобий,

тантал

и

д р у ­

г и е

элементы

ч</ и 5(1

, стоящие

в

одной

г р у п п е ,

Аналогичное

уменьшение

размера

атомов и ионов

происходит

и у актиноидов

(актиноидное с ж а т и е ) .

Но в с л е д с т в и е

т о г о ,

что актиноиды проявляют различные степени окисления,

их хи ­

мическое

разделение

провести

л е г ч е ,

чем в ряду

л а н т а н о и д о в .

От размера

атомов

з а в и с я т

окислительно - восстановительные

свойства

элементов . Чем больше радиус

атома,

тем с л а б е е

у д е р ­

живаются внешние электроны и в большей степени выражены

в о с ­

становительные

с в о й с т в а .

Наоборот,

с

уменьшением

радиуса

атома электроны притягиваются к ядру

с и л ь н е е : окислительная

активность- в о з р а с т а е т .

Нз кривой

aTOtoiiii

радиусов

( р и с . 2 3 )

видно, что наибольшими размерами обладает атомы щелочных

металлов,

являющиеся

сильными

восстановителями .

Атомы

г а л о ­

г е н о в , обладающие

наиболее сильной

окислительной

активностью;

имеют

наименьшие

размеры

атомов .

fopxtjfratiiie

номере

Р и с, 23. Кривая изменения радиусов атомов

Итак,

ковалентные

радиусы атомов

я в л я е т с я

периодччес - .

кой функцией порядкового номера элемента .

Ионные радиусы. Когда нейтральный

атом

т е р я е т

или

приоб­

р е т а е т э л е к т р о н ,

то

о б р а з у е т с я

ион".

Положительные

ионы

мень­

ше,

чем

исходные

атомы, отрицательные -

больие .

В положительном

ионе

заряд

ядра

д е й с т в у е т

на

меньшее

число

электронов и

поэтому

притягивает

их

ближе

к с е б е ,

тогда

как

в отрицательном

ионе заряд

ядра

должен

д е й с т в о в а т ь

на

больаее

число

а л е к т р о н о в ,

каждый

удерживается

менее

прочно,

и электронное

облако

расширяется

по

мере

увеличйния

числа

приобретённых

э л е к т р о н о в .

-

147

-

Таблица

17

Ы

« Л '

s

ее

Mj "

1.43

'

1,10

1,04

0,99

Ионы

Ля

и

«?*

$'~

сё'

3

« ; . •+

Радиус

иона А 0

0,95

0, 65

0,50

0,41

,1.84

1,81

Таблица

15

Атом

•Мл

не

• CS

Радиус

С А 0 )

1.52

1,86

2,31

2,44

2*62

Ион

*/•

ЛА

• К*

Iff*

•

^ *

Радиус

( А 0 )

0,60

0,95

1,33

1.48

1,69

Атом

F

ее

0 г

Радиус

( А 0 )

0,6ч

0»99

1.1ч

1,33

и*

Ион

'

F'

се'

<?г"

радиус

( А 0 )

1,36

1*81

1.95

2,16

Закономерности,

наблюдаемые

в

изменении

атомных

радиу­

с о в , аналогичны изменениям, наблюдаемым

для ионных радиусов.

3.

Атомные

объёмы

Атомный

объём

т э т о объём

I

г

атома

э л е м е н т а ,

содержа­

щего независимо от природы элемента одинаковое

число а т о ­

мов.

Атомный

объём I

г-А - -

* т о м д а

я

масса

( г )

см?.

*

плотность

г / с м ^

На р и с ,

24

приведена

кривая

атомных

объёмов .

Для э л е м е н т о в одного периода с увеличением

порядковых

н о ­

меров с н а ч а л а наблюдается уменьшение атомных объёмов

за

с ч ё т

влияния

в о з р а с т а н и я

з а р я д а я д р а .

З а т е м ,

когда

число

э л е к т р о ­

нов в наружной оболочке атома значительно

у в е л и ч и в а е т с я ,

их

взаимное о т т а л к и в а н и е

приводит

к р о с т у

атомных

объемов .

Очередной

максимум

д о с т и г а е т с я

в

начале

следующего

периода

на щелочном

э л е м е н т е . Для малых

периодов

наименьшие

атомные

объёмы наблюдаются

у элементов

С

,

Af

,

0

,

<S7

,

$

, Р ,

В больших

периодах

максимум

атомных

объёмов

приходится

на элементы,

в

которых

завершается

заполнение

d.-

орбиталей

э л е к т р о н а м и .

Во второй

половине

больших

периодов

внедрение

Р - э л е к т р о н о в

приводит

к увеличению

размера

а т о м а .

Таким

о б р а з о м ,

т а к

же

к а к

ковалентные

и

ионные радиусы,

атомные объёмы элементов являются периодической

функцией

порядкового

номера

э л е м е н т а .

4.

Э в е р г а я

с в я з и

внешних электронов о атомом.

Энергия

вонизадии

Химячасжиа

я ыногне

д р у г и е с в о й с т в а

атома

элемента

о п р е ­

д е л я е т с я

'в

нерву*)

очередь

числом

электронов

в

наружной о б о ­

л о ч к е а

энергвеЗЗ

с в я з и

ах

с

атомом.

- ' 150 ' -

Поведение

атомов в химических

п р о ц е с с а х

зз.оисит

о т т о г о ,

на с к о л ь к о

прочно

электроны

в

атомах

удерливаютея

на

своих

о р б н т а л я х . Поэтому важной характеристикой

я в л я е т с я

э н е р г и я

ионизации; -

э н е р г и я ,

которую

необходимо

з а т р а т и т ь для отры ­

в а э л е к т р о н о в

от

а т о м а ,

вахедящегося

в

нормальном

состоянии,

при этом а т о м

превращается

в положительно

заряженный

ион .

От

величины

энергии

ионизации

зависит

х а р а к т е р

и п р о ч ­

н о с т ь химической

с в я з и ,

восстановительные

с в о й с т в а

атомаТ;

поскольку, чем

меньше

б у д е т

э т а

в е л и ч и н а ,

т е м л е г ч е Г а т о м

'отдаёт

э л е к т р о н .

Энергия последовательной ионизации обычно выражается

•онизациоиными

потенциалами

(потенциалы

и о н и з а ц и и ) ,

т . е .

первый

ионизационный

потенцыал

-

энергия

о т р ы в а

первого

э л е к т р о н а от

а т о м а ;

второй

ионизационный

потенциал

- э н е р ­

гия отрыва

в т о р о г о э л е к т р о н а

от

одноположительного

и о н а ;

третий

ионизационный

потенциал

-

э н е р г и я

отрыва

т р е т ь е г о

электрона и т . д .

Энергия

ионизация

выражается

в э в / г А ,

или

э р г / г - А ,

или

1

к к а л / г - А .

Чтобы от

э р г о в

перейти

х

э л е к т р о н о в о л ь т а м

( э в ) ,

нужно

я р г я умножить

на

0 , 6 2 8 5 - Ю 1 2

,

а для

п е р е х о д а

от

эв

к

ккал

нужно

э в умножить

на

23,05 .

Например, отрыв электрона от атома водорег.а

т р е б у е т

янергии равной

21,8 . К Г ^ э р г

или в

э в

э ю

б у д е т :

2 1 , 8 . Ю " 1 2 .

0 , 6 2 8 5 > I 0 1 2

- D . 6

эв

или

ккал

I 3 . V 2 3 . 0 5

-

313,48

к к а л / г - А .

151

-

1-й

2-Й

яоивзацвонннв

по тенцнады

Не

24,58

54,4 ( э в )

27

'

5,39

75*61

122.419

бе

9,32

.18,206

153,85

Хотя в принципе можно осуществить любую

степень

иониза ­

ции, однако хйиика интересует лишь

первый

ионизационный по»

тенциал,

т . к . если у ч е с т ь ,

что

I эв э к в и в а л е н т

23,05 к к а л / г - А ,

то с т а н е т

очевидным, что

энергетические

эффекты

химичес ­

ких процессов соизмеримы именно с

первыми

потенциалами

ионизации.

*

Действительно',

если

химические

процессы

сопровождаются

выделением

или поглощением

энергии

порядка

д е с я т к о в

или

сотен

к к а л / м о л ь ,

т о , например,

Процесс А -*• F

потребовал

бы Ш 5 7

к;;ал/г -А.

Величина

ионизационного

потенциала

зависит

от о трук туры

" электронной оболочки атома, величины

радиуса и

от

в е л и ч и ­

ны заряда нд'ра.

{фоне

т о г о , необходимо

учитывать •экранирующее

дейотвив

электронами

ядра

атома:

S. -

а л е й р о н

экранирует в

боль»

шей степени

я д р о ,

чем

Р -

э л е к т р о н ,

а

. Р •

электрон

икра*

пирует

с и л ь н е е , чем

d-

э л е к т р о н , и т . д .

Периодичность

изменения

ионизационного

потенциала

л е г к о

обнаружить,

если

по оси

ординат Отложить

ионизационный

п о ­

тенциал

( п е р в ы й ) ,

а по ос и

абсцисс

порядковый

номер

э л е м е н ­

в л и и st (ch

Тс и 2

J * c .

25»

Зависимость первого ионизационного

п о -

~,

теицнала элемента от его порядкового

<

номера

&нимумы

аа кривой,

соответствующие

элементам^ачкнаю-

цим

п е р г - ^

«.елочным металлам, отвечают иаличию у атома

ад ю г о валентного

электрона,

располоиенвого

на

сравнитель­

но

большом

расстоянии

от. ядра

хор at о замшённого

электрон­

н о !

конфигурацией

инертного газа .

При перехода от

элемента

к элементу

вдоль

периода

.происходит

постоянное

увеличение'

ионизационного

потенциа­

л а ,

пока

не

достигается

максимум для инертного

газа .

н е -

бсимвиенеправильности в обвем ходе кривой

осусловдевы

со обой, устойчивостью

заполнении

наполовину

в

пус .ых

п о д -

у;-о№вв,

что

«аметио

наиболее

у

типичных а г е н т о в .

1 р si

f/4

7,64

6,0

8,15

1Ц

• 19,96

ЩО

%8.

У магния заполненный

$ ~

подуровень,

а у фосфора

напо­

ловину заполненный Зр - подуровень,

что опособотвуе*

р о с ­

ту потенциала ионизации. Появление первого Р-электрона в

атомах подгруппы бора (tip1)

резко

снииает величину

иониза­

ционного потенциала

(

ДС

,

&<t ,

«///

,

Те

) ,

аналогичное

спииение характерно для атома подгруппы,

кислорода

( $

, Se ,

Те

,

Ра

) . в которых появляетод

во внешнем с л о е

первая

пара Р - электронов, В атомах подгруппы

бериллия (Я*

)

и в

подгруппе цинка в связи с заполнением

cl - подуровня (коя -

фигурация

а

5

)

наблюдается

резкое

возрастание

ионизацион­

ного

потенциала.

При заполнении внутренних подуровней

у а т о ­

мов

У - элементов

радиусы

атомов

колеблется

незначительно,

а поэтому

и величины

ионизационных

потенциалов

изменяются

по

отношению друг

к другу

сравнительно мало,

котя

обвее не ­

большое возрастание

слева

направо

имеет

место,

например;

Элемент

$с

. Ti

,

/

. Сг ,

Мп , Fe ,

Со ,Mi

,

Си ,

1н

I,,

зб.

6,36

6,83

е,Ц

6,764

6,45 W

186

7,63 ?,П

9,75.

» 15'*

-

Например:

Элемент

#

,

Л/я

,

Н

,

RS ,

С$.,

3,33

ftIS8

•

4,999

i,l?o

3,893

Ионизационный

потенциал

у- щелочных

металлов

является

н а -

V аболее

н и з к и й . ' Э т о

объясняется, с

одной

стороны,.сильным э к р а ­

нированием заряда ядра электронными оболочками атомов и н е р т ­

ного г а з а , которые

предшествуют

внешнему

электрону, а

такие

возрастанием расстояния электрона от ядра по мере

увеличения

размера

атомов .

Уменьшение величин энергии ионизация атомов элементов

вверху вниз по подгруппе и увеличение этих величай

с л е в а

направо по периодам приводит к типично

периодической

з а в и с и ­

мости их от порядкового номера

э л е м е н т а ,

т . е . потенциалы

иони

эацин являются периодической Функцией порядкового номера

элемента .

В весной

связи

с

ионизационными потенциалами находятся

восстановительные

свойства

атомов .

Чем

меньше

ионизационный потенциал,

т . е . чем л е г ч е

о т о р ­

вать э л е к т р о н

от

атома, тем яснее выравзны его Еоостанови -

тельныа

с в о й с т в а .

По периоду

восстановительные

свойства

слева

направо

уменьшаются

-

сильный

восстановитель в

кажлом

перио­

д а » щелочной

металл,

наиболее

слабыЯ - галоген .

В подгруппах (главных)

восстановительные свойства

с в е р х /

вниз возрастают .

Таким

образом,

ионизационные

потенциалы

я в ­

л я е т с я

мерой

восстановительных

свойств,

атомов

зч = ментов.