§ 46. Закономерности изменения свойств элементов и простых веществ

Определения и обозначения

Атомный радиус — условная мера размера атома: точную границу электронной оболочки провести нельзя. На его величину влияют число электронных слоёв и притяжение электронов к ядру. Радиус нужен, чтобы сравнивать размеры атомов и объяснять, насколько прочно ядро удерживает внешние электроны.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары, возникающие при химической связи. Чем сильнее такое притяжение, тем заметнее неметаллические свойства элемента. Это понятие помогает понять, почему одни атомы оттягивают электроны к себе, а другие легче их отдают.

Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны и превращаться в положительные ионы. Чем легче атом теряет внешний электрон, тем выраженнее его металлический характер. Простые вещества-металлы обычно проявляют восстановительную способность: отдавая электроны в реакции, они помогают другим частицам принять их.

Неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны. Чем сильнее атом стремится получить электроны, тем заметнее его неметаллический характер. Простые вещества-неметаллы могут проявлять окислительную способность, принимая электроны у других частиц; однако свойства вещества зависят также от его состава и строения.

Как это устроено

В периоде слева направо каждый следующий элемент имеет больший заряд ядра, но электроны добавляются на тот же основной энергетический уровень. Число электронных слоёв при этом не меняется, поэтому новые электроны не оказываются заметно дальше от ядра. Притяжение ядра к электронной оболочке усиливается, и атомный радиус в целом уменьшается.

В группе сверху вниз у каждого следующего элемента появляется новый электронный слой. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними электронами, то есть внутренние слои частично ослабляют действие ядра на них. Поэтому радиус атома обычно увеличивается, а удерживать внешние электроны становится труднее.

По периоду слева направо атомам обычно всё труднее отдавать электроны и легче притягивать их. Причина — усиление притяжения электронов к ядру при неизменном числе слоёв. Поэтому металлические свойства ослабевают, а неметаллические, связанные со стремлением принять или притянуть электроны, усиливаются.

В группе сверху вниз внешний электрон удаляется от ядра и удерживается слабее. Атомам обычно становится легче отдать его, поэтому металлические свойства усиливаются. Способность атомов притягивать или принимать электроны в целом уменьшается, так что неметаллические свойства ослабевают; конкретная выраженность изменений зависит от элементов.

Изменения атомных свойств отражаются на свойствах простых веществ и соединений. Например, в периоде от металлов к неметаллам обычно ослабевают основные свойства оксидов и гидроксидов, а кислотные усиливаются. Между этими крайними проявлениями могут находиться амфотерные вещества, способные реагировать и с кислотами, и со щелочами.

Изменение свойств элементов и простых веществ в периоде и группе

Сначала определите, сравниваете ли вы элементы одного периода или одной группы: направления закономерностей различаются. Затем проверьте, о каком свойстве идёт речь, и примените соответствующую строку таблицы. Слова «обычно» и «в целом» напоминают, что таблица показывает общую тенденцию, а не заменяет проверку конкретных веществ.

Разбор задач

Задача 1. Расположите Na, Mg и Al по возрастанию атомного радиуса. Эти элементы находятся в третьем периоде, поэтому сравниваем их положение слева направо. В периоде радиус обычно уменьшается, значит, для ответа нужно прочитать ряд в обратном порядке.

1. Запишите элементы по порядку в периоде: Na, Mg, Al.
2. Примените правило: при движении слева направо радиус уменьшается.
3. Для возрастания радиуса поставьте первым элемент с наименьшим радиусом, а последним — с наибольшим.

Ответ: Al < Mg < Na. Ошибкой было бы перечислить элементы в порядке расположения в периоде и назвать этот порядок возрастанием радиуса. Полезно каждый раз соотносить направление сравнения с направлением изменения свойства.

Задача 2. Сравните металлические свойства Li, Na и K и укажите, какой металл легче отдаёт внешний электрон. Все три элемента находятся в одной группе, поэтому сравнивать их нужно сверху вниз. Внешний электрон у нижнего элемента дальше от ядра, и его легче отдать.

1. Определите положение: Li, Na и K расположены в первой группе сверху вниз.
2. Учтите, что при движении вниз число электронных слоёв и атомный радиус увеличиваются.
3. Сделайте вывод: металлические свойства и способность отдавать внешний электрон усиливаются.

Ответ: металлические свойства возрастают в ряду Li, Na, K. Легче всего внешний электрон отдаёт K. Это следует из общего направления изменения свойств, а не из того, что калий расположен правее других элементов.

Задача 3. Сравните характер оксидов Na₂O, MgO и Al₂O₃ и предскажите, как он меняется при переходе по периоду. Натрий, магний и алюминий расположены в одном периоде в указанном порядке. По мере движения слева направо металлические свойства ослабевают, а характер оксидов меняется от основного в сторону амфотерного и кислотного.

1. Расположите элементы по периоду: Na, Mg, Al.
2. Определите характер оксидов: Na₂O и MgO — основные, Al₂O₃ — амфотерный.
3. Сравните тенденцию: основные свойства ослабевают, проявляется амфотерность; у более правых элементов обычно усиливается кислотный характер.

Ответ: Na₂O — основной оксид, MgO — основной, Al₂O₃ — амфотерный. В этом ряду основный характер ослабевает. Проверить вывод можно по реакциям: основные оксиды взаимодействуют с кислотами, а амфотерный Al₂O₃ способен реагировать и с кислотами, и со щелочами.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что свойства всех элементов одной группы меняются одинаково резко. Закономерность задаёт общее направление, но особенности строения конкретных атомов и самих веществ влияют на выраженность изменений. Чтобы проверить вывод, сравните не только положение элементов, но и реальные свойства выбранных веществ.

Иногда движение вниз по группе путают с движением вправо по периоду. Это происходит потому, что оба сравнения описывают переход между соседними элементами таблицы, хотя причины и направления изменений различаются. Перед ответом назовите маршрут: в периоде радиус обычно уменьшается, а в группе сверху вниз увеличивается.

Атомный радиус и металлические свойства не одно и то же, хотя они связаны. Радиус описывает условный размер атома, а металлический характер — склонность атомов отдавать электроны. Проверьте себя вопросом: вы сравниваете размер атома или его поведение при образовании ионов? Ответы не следует подменять друг другом.

Нельзя выводить свойства простого вещества только из свойств отдельного атома. Простое вещество состоит из атомов одного элемента, но его свойства зависят также от состава частиц и строения вещества. Если вывод кажется слишком прямым, уточните, о чём говорится: об атоме, элементе или конкретном простом веществе, и проверьте свойства самого вещества.

Связь с другими темами

Для понимания закономерностей нужны знания о строении атома, заряде ядра, электронных слоях и положении элемента в периодической системе. Эти сведения позволяют объяснить, почему меняются радиусы и способность атомов отдавать или притягивать электроны. Далее закономерности помогают предсказывать свойства простых веществ, оксидов и гидроксидов по положению элемента.

Сравнение восстановительной и окислительной способности связывает тему с химическими реакциями металлов и неметаллов. Понимание электроотрицательности также пригодится при изучении химической связи: оно помогает рассуждать о распределении общих электронных пар между атомами.

Что запомнить

• В периоде заряд ядра растёт, а число электронных слоёв остаётся постоянным.
• Атомный радиус в периоде обычно уменьшается слева направо.
• В группе сверху вниз число электронных слоёв и атомный радиус обычно увеличиваются.
• Металлические свойства усиливаются вниз по группе и ослабевают слева направо в периоде.
• Неметаллические свойства изменяются в противоположном направлении.
• В периоде характер оксидов обычно меняется от основного к амфотерному и далее к кислотному.