"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Атомный радиус, энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность описывают, как устроены электронные оболочки и как атомы взаимодействуют с электронами. Эти свойства помогают сравнивать элементы и объяснять образование химической связи и ионов. В периодической системе они меняются закономерно: радиус обычно уменьшается слева направо в периоде и растёт сверху вниз в группе, а энергия ионизации и электроотрицательность в целом изменяются в противоположном направлении. Для отдельных элементов возможны отклонения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомный радиус — условная мера размера атома, которую определяют по расстояниям между ядрами связанных или соседних атомов. У электронного облака нет резкой границы: вероятность обнаружить электрон постепенно уменьшается по мере удаления от ядра. Поэтому радиус зависит от выбранного способа измерения, но позволяет сравнивать атомы между собой.
Энергия ионизации — минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из изолированного атома в газовой фазе. После потери электрона атом превращается в положительно заряженный ион. Эта величина помогает оценить, насколько прочно атом удерживает электрон и насколько легко образует катион.
Сродство к электрону — изменение энергии при присоединении электрона к изолированному атому в газовой фазе. Если при присоединении энергия выделяется, образующемуся отрицательному иону энергетически выгодно возникнуть. Сродство к электрону нужно, чтобы описывать энергетический эффект принятия атомом электрона, а не его удаления.
Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Это характеристика атома именно в составе связи, а не отдельного изолированного атома. По электроотрицательности можно судить, к какому из связанных атомов сильнее смещается электронная плотность.
На размер атома влияют эффективный заряд ядра и число электронных слоёв. Эффективный заряд — притяжение, которое испытывает внешний электрон с учётом ослабления воздействия ядра внутренними электронами. В периоде слои обычно не добавляются, зато заряд ядра увеличивается, поэтому электронное облако сильнее стягивается к ядру. В группе при переходе вниз появляется новый слой, и внешние электроны располагаются дальше от ядра, поэтому радиус в целом растёт.
Энергия ионизации зависит от того, насколько сильно ядро удерживает внешний электрон. Если радиус уменьшается, электрон находится ближе к ядру и обычно труднее от него оторвать. Поэтому слева направо в периоде энергия ионизации в целом возрастает. Вниз по группе новый слой отдаляет внешний электрон и внутренние электроны ослабляют притяжение ядра, так что удалить его обычно легче.
Сродство к электрону описывает не отрыв, а принятие дополнительного электрона, поэтому его нельзя просто выводить из направления изменения энергии ионизации. Эффект зависит от того, насколько атому выгодно разместить электрон на внешнем слое и как изменится взаимодействие электронов. Из-за особенностей заполнения оболочек значения могут меняться нерегулярно. Поэтому общую тенденцию используют для предварительного сравнения, а не как правило без исключений.
Электроотрицательность связана с тем, насколько ядро притягивает общую электронную пару в связи. При движении слева направо в периоде ядро обычно сильнее притягивает электроны, а радиус уменьшается, поэтому электроотрицательность возрастает. Вниз по группе внешняя область атома удаляется от ядра, и притяжение общей пары обычно ослабевает. Значения электроотрицательности особенно полезны при сравнении атомов, уже образующих химическую связь.
Периодические изменения позволяют быстро оценивать и сравнивать свойства атомов, если известны их положения в таблице. Однако значения конкретных элементов могут не совпадать с простым ожиданием из-за особенностей электронных конфигураций и способа определения характеристики. Например, сродство к электрону изменяется менее регулярно, чем атомный радиус. Поэтому сначала устанавливают общую тенденцию, а затем проверяют, нет ли причин для отклонения.
| Свойство | Слева направо в периоде | Сверху вниз в группе | Основная причина тенденции |
|---|---|---|---|
| Атомный радиус | Обычно уменьшается | Обычно увеличивается | В периоде растёт заряд ядра без добавления слоя; в группе добавляются электронные слои |
| Энергия ионизации | В целом возрастает | Обычно уменьшается | Зависит от притяжения внешнего электрона ядром, его удалённости и экранирования внутренними электронами |
| Сродство к электрону | Нет простой строгой закономерности; тенденция в целом связана с усилением притяжения ядра | Нет простой строгой закономерности; часто ослабевает, но возможны отклонения | Зависит от энергетической выгоды присоединения электрона и строения электронной оболочки |
| Электроотрицательность | Обычно увеличивается | Обычно уменьшается | Меняются притяжение общей электронной пары ядром и расстояние до внешней области атома |
Сначала найди положение сравниваемых элементов: в одном периоде удобнее сопоставлять движение слева направо, а в одной группе — сверху вниз. Затем проследи нужную строку таблицы и учитывай, что слова «обычно» и «в целом» допускают исключения. Для сродства к электрону особенно важно не превращать общую тенденцию в строгое правило.
Определи положение элементов: натрий, магний и хлор находятся в третьем периоде. Значит, сравниваем их слева направо в одной строке периодической системы. Дополнительного электронного слоя между ними не появляется.
В периоде заряд ядра возрастает, а число слоёв остаётся прежним. Поэтому притяжение электронного облака усиливается, и атомный радиус обычно уменьшается. Из трёх элементов Na расположен левее Mg, а Mg — левее Cl.
При возрастании радиуса порядок нужно записать от самого маленького атома к самому большому. Хлор расположен правее магния и натрия, поэтому его радиус меньше; натрий, стоящий левее остальных, имеет наибольший радиус. Сверь направление: слева направо радиус уменьшается, значит, для возрастания порядок будет обратным.
Ответ: Cl < Mg < Na.
Литий, натрий и калий находятся в одной группе. При движении от Li к Na и далее к K добавляются электронные слои. Следовательно, внешний электрон каждого следующего атома находится дальше от ядра.
Внутренние электроны частично ослабляют притяжение внешнего электрона к ядру. Чем ниже элемент в группе, тем слабее обычно удерживается его внешний электрон. Поэтому для его удаления требуется меньше энергии.
Запиши значения в порядке убывания, начиная с атома, который удерживает электрон сильнее всего. Литий расположен выше натрия, а натрий выше калия, поэтому тенденция энергии ионизации направлена вниз по группе. Это сравнение опирается на общее правило для элементов одной группы.
Ответ: энергия ионизации убывает в порядке Li > Na > K.
Кислород и сера находятся в одной группе, причём кислород выше серы. Хлор и сера находятся в одном периоде, причём хлор правее серы. Такое расположение позволяет использовать сразу две тенденции, но отдельно для каждого свойства.
Электроотрицательность обычно растёт вверх по группе и слева направо в периоде. Поэтому кислород притягивает общие электронные пары сильнее серы, а хлор — сильнее серы. Чтобы сравнить кислород и хлор, учитывай, что оба элемента обладают высокой электроотрицательностью; кислород обычно немного превосходит хлор.
Радиус уменьшается слева направо в периоде и увеличивается сверху вниз в группе. Поэтому атом хлора меньше серы, а атом серы больше кислорода. Сера оказывается крупнейшей из этой тройки, поскольку она ниже кислорода в группе и левее хлора в периоде.
Ответ: наибольшая электроотрицательность у кислорода; наибольший атомный радиус у серы.
Считать, что атомный радиус имеет строго заданную границу. Так думают, потому что размер атома часто изображают кругом, хотя электронное облако постепенно размывается. Радиус получают по условным критериям, поэтому при сравнении важно использовать одно и то же определение. Проверка: вспомни, что вероятность обнаружить электрон не обрывается на одной точке.
Путать направления изменений в периоде и группе. Ошибка возникает, если запомнить только одно направление и автоматически применить его к другому. В периоде радиус обычно уменьшается слева направо, а в группе увеличивается сверху вниз. Проверяй себя по электронным слоям: их число объясняет увеличение радиуса при движении вниз.
Отождествлять энергию ионизации со сродством к электрону. Обе величины связаны с изменением электронного состава атома, поэтому их легко спутать. Но энергия ионизации относится к удалению электрона, а сродство к электрону — к его присоединению. Перед сравнением уточни, какое действие описывает условие задачи.
Считать сродство к электрону и электроотрицательность одинаковыми или строго периодичными величинами. Их значения связаны с притяжением электронов, но первая характеристика относится к присоединению электрона изолированным атомом, а вторая — к общей паре в химической связи. Тенденции сродства к электрону менее регулярны, а значения зависят от способа определения. Проверка: уточни, говорится ли в задаче об отдельном атоме или о связи между атомами.
Для понимания свойств атомов нужны знания о строении атома: заряде ядра, электронных слоях и положении элемента в периодической системе. Периодические тенденции помогают объяснять характер химической связи и сравнивать свойства простых веществ. Энергия ионизации и сродство к электрону также связаны с образованием ионов и окислительно-восстановительными процессами. Они помогают рассуждать о передаче электронов, но сами по себе не описывают всю реакцию.
Почему у атомов одного периода радиус обычно уменьшается слева направо?
В одном периоде электроны добавляются на один и тот же внешний электронный слой, а заряд ядра при движении вправо возрастает. Ядро сильнее притягивает электронное облако, поэтому радиус обычно уменьшается.
Почему атомный радиус увеличивается сверху вниз в группе?
При движении вниз по группе у атомов появляются дополнительные электронные слои. Внешние электроны оказываются дальше от ядра, поэтому размер атома обычно увеличивается.
Чем энергия ионизации отличается от сродства к электрону?
Энергия ионизации показывает, сколько энергии нужно затратить, чтобы удалить электрон из атома. Сродство к электрону связано с изменением энергии при присоединении электрона к атому.
Можно ли считать сродство к электрону и электроотрицательность одним и тем же?
Нет. Сродство к электрону описывает присоединение электрона к отдельному изолированному атому, а электроотрицательность — притяжение атомом общей электронной пары в химической связи.
Всегда ли свойства атомов изменяются в периодической системе строго по общей тенденции?
Нет, общие тенденции помогают сравнивать элементы, но отдельные значения могут от них отклоняться. На них влияют особенности строения электронных оболочек и способ определения свойства.
§ 3. Свойства атомов химических элементов
