Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
Глава 2
Прогностическая роль периодического
закона и периодической системы химических
элементов Д.И. Менделеева при сравнении
химических элементов по периодам и группам
периодической системы
Понятия «элемент-металл», «элемент-неметалл» и «пере-
ходный» элемент мы рассматривали в разные периоды изучения школьного курса химии: на этапе изучения химических
понятий в свете атомно-молекулярного учения (часть I, гл. 1,
§ 7) и после изучения химических свойств простых веществ,
оксидов и гидроксидов, образованных различными химическими элементами (часть I, гл. 4, § 30–32).
Следует понимать, что всем элементам присуща
двойственность природы — сочетание в той или иной
степени металлических и неметаллических свойств. Следовательно, нельзя провести чёткую границу между металлами и
неметаллами. Понятия «металл» и «неметалл» — это понятия относительные, подчёркивающие лишь то, что в понятии
«элемент-металл» подразумевают элемент, проявляющий в
большей степени металлические свойства, а в понятии
«элемент-неметалл» подразумевают элемент, проявляющий
в большей степени неметаллические свойства.
Чтобы дать характеристику элементу, чтобы понять сте-
пень проявления металлических или неметаллических
свойств в том или ином элементе, в характеристике элемента
необходимо отразить двойственность природы элемента, которая может быть показана, если рассматривать существенные признаки элемента с разных точек зрения.
К существенным признакам, позволяющим судить о про-
явлении в большей или меньшей степени металлических или
неметаллических свойств, обычно относят:
— строение атома элемента;
— свойства простого вещества;
— свойства сложных веществ (оксидов, гидроксидов, во-
дородных соединений);
— валентность и степени окисления, проявляемые в сое-
динениях.
201
§ 9. Содержание и объём понятия «элемент-металл».
Общий обзор металлов
Понятие — это форма мышления, отражающая предметы
в их общих существенных признаках. Любое понятие, как и
понятие «элемент-металл», имеет содержание и объём.
В содержание понятия «элемент-металл» входят все существенные для данной группы элементов общие черты, свойства. В объём понятия «элемент-металл» входят другие понятия, а именно понятие «элемент-типичный металл» и
«элемент-переходный металл», для которых содержание понятия «элемент-металл» служит их главным признаком,
главной их частью.
Рассмотрим общие существенные признаки «элементовметаллов».
С точки зрения строения атома к металлам относят элементы, на внешнем слое атома которых содержится 1, 2, 3
электрона, и металличность — это свойство атома легко
отдавать валентные электроны. Элементы-металлы образу-
ют простые вещества, имеющие металлическую кристаллическую решётку, которая и обусловливает свойства метал-
лов: твёрдость, непрозрачность, металлический блеск, электропроводность, пластичность, ковкость. Прочность
металлической решётки зависит от числа валентных электронов, обусловливающих металлическую связь.
Простые вещества-металлы (элемент в нулевой степени
окисления), вступая в химические реакции с неметаллами,
отдают электроны — окисляются, а сами при этом являются
восстановителями. В соединениях элементы-металлы проявляют низкую валентность (I, II, III) и низкие степени окисления (+1, +2, +3) в зависимости от числа электронов на внешнем слое атома. Степени окисления металлов всегда положительные, так как свойство металлов — простых
веществ — отдавать электроны.
С точки зрения свойств соединений (оксидов, гидроксидов, водородных соединений), образованных элементами,
металличность — это свойство атома элемента образовывать основный оксид и гидроксид — основание, а также нелетучее водородное соединение.
В объём понятия «элемент-металл» входит понятие
«элемент-типичный металл».
Главной частью содержания понятия «элемент-типичный
металл» являются все существенные признаки металлов, а
202
именно наличие малого числа электронов на внешнем слое
атомов, образование простых веществ с металлической кристаллической решёткой и соответствующими свойствами, а
также образование основных оксидов и гидроксидов –оснований. Но щелочные металлы, помимо общих для всех металлов признаков, обладают и особыми свойствами, которые позволяют увеличить содержание понятия «элемент-типичный
металл» в сравнении с содержанием понятия «элементметалл».
Элементы-типичные металлы — щелочные металлы, имеют 1 валентный электрон, а поэтому образуют простые вещества, имеющие самую непрочную металлическую кристаллическую решётку. Щелочные металлы можно резать ножом и
по сравнению с другими металлами они имеют самые низкие
температуры плавления. В соединениях типичные металлы
проявляют самую низкую степень окисления +1.
Для элементов-типичных металлов характерно образование растворимых в воде основных оксидов и растворимых в
воде гидроксидов — оснований — щелочей.
В объём понятия «элемент-металл» также входит понятие
«элемент-переходный металл». Это значит, что главной частью содержания понятия «элементы-переходные металлы» являются все существенные признаки металлов, перечисленные выше в содержании понятия «элемент-металл».
Но, также как и щелочные металлы, переходные металлы,
помимо общих для всех металлов признаков, обладают и особыми свойствами, которые позволяют увеличить содержание
понятия «элемент-переходный металл» в сравнении с содержанием понятия «элемент-металл».
Рассмотрим признаки, которые увеличивают содержание
понятия «элемент-переходный металл». Одним из признаков
является наличие большого числа валентных электронов, к
которым относят электроны наружного слоя (2–1 электрона)
плюс электроны, которые шли на достройку предпоследнего
энергетического уровня. Элементы-переходные металлы образуют простые вещества с высокими температурами плавления из-за наличия большого числа валентных электронов в
металлической кристаллической решётке. Переходные металлы, такие, как например, железо, хром, марганец, относят к тугоплавким металлам. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления.
Переходные металлы проявляют свойства элементовметаллов, когда образуют основные оксиды и гидроксиды-
203
основания, в которых они имеют низкие степени окисления,
характерные для элементов-металлов. Образуя кислотные оксиды и гидроксиды-кислородсодержащие кислоты, в которых они имеют высокие степени окисления, характерные для
элементов-неметаллов, переходные металлы проявляют свойства элементов-неметаллов. Таким образом, переходные металлы являются элементами, в которых ярко проявляется
амфотерность (двойственность) их природы.
К числу элементов, в которых наиболее ярко проявляются
признаки переходного металла, относят элементы побочных
подгрупп V–VIII групп (d-элементы) в периодической системе
химических элементов Д.И. Менделеева, в частности элементы: марганец, хром и железо.
В периодической системе химических элементов
Д.И. Мен делеева металлы составляют 1,2 и 3-ю группы (как
главные подгруппы, так и побочные подгруппы, за исключением бериллия и бора). Побочные подгруппы остальных групп
состоят из металлов.
Все металлы, имея общие существенные признаки, обладают своими индивидуальными свойствами.
Поскольку для металлов характерно наличие малого числа электронов на внешнем слое атома, которые атом легко отдаёт, то «элемент-типичный металл», имеющий на внешнем
слое самое малое число электронов — всего один электрон,
является элементом, в котором ярче всего проявляются металлические свойства.
§ 10. Содержание и объём понятия «элемент-неметалл».
Общий обзор неметаллов
В содержание понятия «элемент-неметалл» входят все существенные для данной группы элементов общие черты, свойства. В объём понятия «элемент-неметалл» входит понятие
«элемент-типичный неметалл», для которого содержание понятия «элемент-неметалл» служит его главной частью.
Рассмотрим общие существенные признаки «элементовнеметаллов».
С точки зрения строения атома к неметаллам относят элементы, на внешнем слое атома которых находятся от 4 до 7
электронов, и неметалличность — это свойство атома
элемента прочно удерживать электроны наружного слоя.
204
Прочность связи электронов с атомом зависит от числа
электронов на внешнем слое (чем больше электронов на
внешнем слое, тем прочнее связь и, наоборот, — прямо пропорциональная зависимость) и от радиуса атома (чем больше радиус, тем меньше прочность связи электронов с атомом и, наоборот, — обратно пропорциональная зависимость).
Элементы-неметаллы образуют простые вещества, име-
ющие молекулярные и атомные кристаллические решетки.
Простые вещества-неметаллы, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, при обычных условиях могут быть в
трёх агрегатных состояниях: твёрдые (иод I
Br
) и газообразные (азот N2). Для неметаллов характерно про-
2
), жидкие (бром
2
явление свойств, противоположных свойствам металлов, в
частности хрупкость, летучесть. Вещества-неметаллы, имеющие атомную кристаллическую решётку, — твёрдые (алмаз,
графит C, кремний Si).
Простые вещества — неметаллы, имеют способность
снимать электроны с атомов других элементов, тем самым
окисляя их, и, следовательно, проявляют окислительную
способность — характеристику, входящую в понятие неметалличность. Снимая электроны с других элементов, неметаллы приобретают отрицательный заряд, а поэтому их называют электроотрицательными элементами. Увеличение
электроотрицательности соответствует усилению неметаллического характера элемента.
Вступая в химические реакции друг с другом неметаллы
могут выступать в роли окислителя или восстановителя и,
следовательно, проявлять как положительные, так и отрицательные степени окисления в зависимости от величины электроотрицательности элемента, с которым они вступают в реакцию. Для неметаллов характерны высокие положительные
степени окисления — от +4 до +7, но есть соединения, в которых они проявляют и низкие положительные степени окисления — от +1 до +4, а также и отрицательные степени окисления от –4 до –1.
С точки зрения свойств соединений (оксидов, гидроксидов, водородных соединений), образованных элементами, н е металличность — это свойство атома элемента образовывать кислотный оксид и гидроксид — кислородсодержащую
кислоту, а также летучее водородное соединение.
В периодической системе химических элементов
Д.И. Мен делеева неметаллы занимают правый верхний угол.
205
В объём понятия «элемент-неметалл» входит понятие
«элемент-типичный неметалл».
Главной частью содержания понятия «элемент-типичный
неметалл» являются все существенные признаки неметаллов,
а именно наличие большого числа электронов на внешнем
слое атомов (от 4 до 7 электронов), образование простых веществ с молекулярной или атомной кристаллической решёткой и соответствующими свойствами, а также образование
кислотных оксидов и гидроксидов — кислородсодержащих
кислот. Но типичные неметаллы, помимо общих для всех неметаллов признаков, обладают и особыми свойствами, которые позволяют увеличить содержание понятия «элементтипичный неметалл» в сравнении с содержанием понятия
«элемент-неметалл».
Элементы-типичные неметаллы — галогены (элементы,
составляющие главную подгруппу VII группы), имеют 7 валентных электронов. Элементы-типичные неметаллы образуют простые вещества, имеющие двухатомные молекулы и
молекулярную кристаллическую решётку, и обладают свойствами, характерными для веществ с молекулярной крис таллической решёткой, например, летучестью.
Для типичных-неметаллов характерна самая высокая положительная степень окисления +7 (в высших оксидах и соответствующих им кислородсодержащих кислотах) и самая
низкая отрицательная степень окисления (–1) — в водородных соединениях и соединениях с металлами, так как они
имеют 7 электронов на внешнем слое атома.
Водородные соединения галогенов — летучие вещества —
газы.
Для элементов-типичных неметаллов характерно образование растворимых в воде кислотных оксидов и растворимых
в воде гидроксидов — кислородсодержащих кислот.
Все неметаллы, имея общие существенные признаки, обладают своими индивидуальными свойствами.
Поскольку для неметаллов характерно наличие большого
числа электронов на внешнем слое атома, которые атом прочно удерживает, то «элемент-типичный неметалл», имеющий
на внешнем слое самое большое для неметаллов число электронов — семь электронов, является элементом, в котором
ярче всего проявляются неметаллические свойства.
206
§ 11. Изменение свойств элементов и их соединений
в периодической системе химических элементов
Д.И. Менделеева
В периодической системе химических элементов
Д.И. Менделеева различают обычно два направления, по которым можно сравнивать между собой свойства тех или иных
элементов и их соединений: направление слева направо по пе-
риоду (а в больших периодах — слева направо по их отдельным рядам) и сверху вниз по какой-либо подгруппе, т. е. рас-
сматривать элементы в порядке возрастания заряда атомных ядер элементов.
Нам уже известно, что свойства элементов по периоду с
возрастанием порядкового номера элемента изменяются так:
от типично металлических (щелочные металлы) через переходные к типично неметаллическим (галогены) и в конце периода к инертным, т. е. к «нейтральным» свойствам, которые
не относят ни к металлическим, ни к неметаллическим.
С возрастанием заряда атомного ядра элементов в перио-
дах происходит уменьшение металлических свойств и увеличение неметаллических свойств.
Уменьшение металлических свойств проявляется в уве-
личении числа электронов на внешнем слове атома, в увеличении прочности металлической кристаллической решётки,
в ослаблении восстановительных свойств, в уменьшении растворимости основных оксидов и гидроксидов-оснований.
Увеличение неметаллических свойств проявляется в увеличении числа электронов на внешнем слове атома (от 4 до 7
электронов), в изменении типа кристаллических решёток (от
атомных до молекулярных решёток), в усилении окислительных свойств, в увеличении растворимости кислотных оксидов и гидроксидов-кислородсодержащих кислот.
Такое изменение свойств по периоду объясняется постепенным увеличением зарядов ядер и увеличением на единицу
числа электронов на внешнем слое атомов при переходе от
элемента к элементу с одновременным сжиманием электронных оболочек. Уменьшение радиусов атомов с постепенным
увеличением зарядов ядер приводит к тому, что атомы начинают труднее отдавать электроны, т. е. их восстановительная
способность, типичная для металлов, уменьшается. И наоборот, атомам становится всё легче принимать электроны от
других атомов, т. е. растёт их окислительная способность, типичная для неметаллов.
207
По вертикальному направлению (по какой-либо подгруппе сверху вниз) с возрастанием порядкового номера элемента
свойства элементов изменяются как раз наоборот, т. е. в сто-
рону нарастания металлических свойств, что проявляется в
увеличении лёгкости отдачи электронов в связи с увеличением радиусов атомов элементов, в увеличении восстановительных свойств, в увеличении растворимости основных оксидов
и гидроксидов-оснований и ослабления неметалличности,
что проявляется в уменьшении электроотрицательности элементов, в уменьшении окислительных свойств элементов.
При рассмотрении элементов в порядке возрастания зарядов атомных ядер отмечается следующее: периодически
изменяются не только свойства самих элементов (как видов
атомов), но и свойства простых веществ, образуемых элементами, а также свойства образуемых ими однотипных соединений (например, оксидов, гидроксидов, водородных соединений и солей).
Рассмотрим по периодической системе закономерности
изменения свойств простых веществ, а также оксидов, гидроксидов и водородных соединений.
Каждый период начинается элементом-типичным металлом, который образует простое вещество — щелочной металл.
Металлам присуща металлическая решётка. В металлической решётке существует металлическая связь между ионами
и обобществлёнными электронами. Она обусловливает присущие металлам типичные физические свойства: блеск, непрозрачность, серовато-серебристый цвет, электропроводность,
теплопроводность, пластичность, ковкость и др. Однако температуры плавления металлов, их твёрдость могут варьировать в очень широких пределах. Это зависит от размеров ионов, от числа валентных электронов и от многих других факторов. Тем не менее рассматривая их по периодам можно
обнаружить закономерность изменения и этих свойств.
Атомной решёткой обладают очень немногие из неметаллов: бор, углерод, кремний (обратите внимание на положение
этих элементов в периодической системе). В такой решётке
структурные частицы — атомы связаны друг с другом прочными ординарными ковалентными связями. Атомные решётки — прочные, а отсюда свойства таких веществ: твёрдость,
нелетучесть, высокие температуры плавления.
Все остальные неметаллы обладают в твёрдом состоянии
молекулярной решёткой. В такой решётке структурные частицы — молекулы, которые связаны друг с другом непроч-
208
ными межмолекулярными силами. Молекулярные решётки — непрочные, а отсюда свойства таких веществ: низкие
температуры плавления, летучесть и существование в трёх
агрегатных состояниях (газы — фтор, хлор, кислород, азот;
жидкости — бром и твёрдые вещества — иод).
Инертные газы образуют молекулярную кристаллическую
решётку. Хотя кристалл инертных газов состоит из атомов,
их решётка не атомная, а молекулярная, так как атомы в ней
связаны не ковалентными связями, а слабыми межмолекулярными силами. Поэтому считают, что инертные газы состоят из одноатомных молекул.
А сейчас перейдём к рассмотрению закономерностей в из-
менении свойств оксидов и гидроксидов. (См. таблицу «Условные схемы строения атомов элементов малых периодов».)
Рассмотрим в качестве примера формулы высших оксидов
(т. е. оксидов, в которых элемент проявляет наивысшую степень окисления — по цифровому значению совпадающая с
номером группы) и соответствующих гидроксидов для элементов третьего периода. По мере того, как постепенно изменяется характер элементов от Na — типичного металла до
Cl — типичного неметалла, пройдя через ярко выраженную
двойственность природы у алюминия Al, характер оксидов и гидроксидов также изменяется от ярко выраженных основных
свойств (у оксида и гидроксида натрия), пройдя через амфотерные оксид и гидроксид алюминия, до ярко выраженных кислотных свойств у высшего оксида хлора и соответствующей ему
хлорной кислоты. Вывод: на протяжении периода основные
свойства соединений элементов ослабевают и усиливаются
кислотные свойства (в частности растворимость в воде основ-
ных оксидов и оснований уменьшается, амфотерные оксиды и
гидроксиды не растворяются в воде, а с нарастанием кислотных
свойств растворимость кислотных оксидов и кислородсодержащих кислот увеличивается). За изменениями основных свойств
в группах проследим на примере элементов главной подгруппы
второй группы. Будем рассматривать элементы и их оксиды и
гидроксиды подгруппы бериллия сверху вниз: основные свойства по мере возрастания зарядов атомных ядер элементов увеличиваются: оксид ВеО и гидроксид бериллия Ве(ОН)
терные, оксиды и гидроксиды магния (MgO, Mg(ОН)
(CaO, Ca(ОН)
), стронция (SrO, Sr(ОН)2) и бария (BaO, Вa(ОН)2) —
2
— амфо-
2
), кальция
2
основные, причём растворимость оксидов и гидроксидов увеличивается и гидроксиды кальция, стронция и бария относят к
сильным основаниям — щёлочам.
209
Если обратиться к гидроксидам элементов неметаллов, например, подгруппы галогенов, то ясно, что все они будут иметь
кислотный характер. Поэтому, рассматривая изменение характера их сверху вниз по подгруппе, было бы правильнее говорить не об усилении основных свойств, а об ослаблении кислотных свойств.
Для наглядности запишем небольшую схему изменения
свойств оксидов и гидроксидов химических элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов атомных ядер по
периодам (горизонтально) и главным подгруппам (вертикально) периодической системы Д.И. Менделеева:
Ослабление основных свойств увеличение кислотных свойств
Усиление
Уменьшение
основных свойств
кислотных свойств
Изменение свойств водородных соединений химических
элементов по периодам и группам
Рассмотрим элементы с точки зрения свойств водородных соединений. Элемент относят к неметаллам, если его во-
дородное соединение летучее, и элемент относят к металлам,
если его водородное соединение нелетучее.
Свойства водородных соединений, как и свойства оксидов
и гидроксидов, закономерно изменяются по периодам и группам периодической системы.
Свойства водородных соединений элементов первых трёх
групп и последующих четырёх групп резко отличаются друг
от друга. Различие в свойствах объясняется их различным
строением.
Водород, соединяясь с металлом, принимает от металла на
свою единственную орбиталь один электрон и превращается в
отрицательно заряженный ион водорода — гидрид-ион, а металл, отдавая свой электрон, превращается в положительно
заряженный ион. В результате взаимодействия между разноимённо заряженными ионами образуется вещество, имеющее
ионную кристаллическую решётку. Следовательно, элементыметаллы, составляющие главные подгруппы I и II групп, об-
210
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]