§ 48. Изменение свойств элементов в периодах и главных подгруппах. Электроотрнцательность

Определения и обозначения

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Общая пара электронов принадлежит сразу двум связанным атомам, но один из них может притягивать её сильнее. При сравнении элементов учитывают их положение в Периодической таблице: обычно электроотрицательность растёт слева направо в периоде и убывает сверху вниз в главной подгруппе. Это помогает предсказать, к какому атому сместится электронная пара.

Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны и образовывать положительные ионы. Например, атом, потерявший один электрон, получает положительный заряд. Чем легче атом отдаёт внешние электроны, тем заметнее его металлические свойства. Это понятие нужно, чтобы сравнивать поведение металлов и понимать, почему в разных частях таблицы склонность отдавать электроны неодинакова.

Неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны или притягивать к себе общие электронные пары. В отличие от металлов, неметаллы обычно сильнее стремятся получить электроны или удержать их рядом с собой. Такая способность связана с электроотрицательностью: чем она выше, тем сильнее атом притягивает общие пары. Сравнение неметаллических свойств помогает оценить, как элементы взаимодействуют с другими веществами.

Главная подгруппа — вертикальный ряд элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронов на внешнем уровне. Внешний уровень — самый удалённый от ядра занятый электронами слой. Число внешних электронов помогает понять, как атом вступает в химические реакции, а расположение элемента в подгруппе позволяет сравнивать свойства сверху вниз. Поэтому для сравнения элементов важно сначала определить их место в таблице.

Как это устроено

При движении слева направо по периоду число протонов в ядре увеличивается, поэтому растёт заряд ядра. При этом новые электроны добавляются на тот же основной электронный слой, а число слоёв не меняется. Притяжение между ядром и электронами становится сильнее, и электронное облако в целом приближается к ядру. Поэтому радиус атома, то есть его условный размер, обычно уменьшается.

Из-за усиления притяжения ядра внешние электроны в периоде удерживаются крепче. Атомам становится труднее их отдавать, поэтому металлические свойства слева направо ослабевают. Одновременно атомы охотнее притягивают электроны и общие электронные пары, так что неметаллические свойства усиливаются. Это не резкий переход от одного типа элементов к другому, а общая последовательность изменений.

Сверху вниз в главной подгруппе у каждого следующего элемента появляется дополнительный электронный слой. Внешние электроны оказываются дальше от ядра, а внутренние слои частично ослабляют притяжение ядра к ним. Поэтому радиус атома обычно возрастает, а внешние электроны удерживаются слабее. Именно так строение атома объясняет различие свойств элементов, стоящих один под другим.

Когда внешние электроны удерживаются слабее, атому легче отдать их и образовать положительный ион. Поэтому металлические свойства сверху вниз в главной подгруппе обычно усиливаются. Неметаллические свойства, связанные с принятием электронов или притяжением общих пар, в этом направлении обычно ослабевают. Так изменение радиуса связано с тем, как атом взаимодействует с электронами.

Электроотрицательность следует тем же общим направлениям, что и способность притягивать электроны. В периоде усиливающееся притяжение ядра обычно повышает электроотрицательность слева направо. В главной подгруппе сверху вниз увеличение радиуса ослабляет притяжение внешней области атома, поэтому электроотрицательность обычно уменьшается. Следовательно, высокая электроотрицательность чаще сочетается с выраженными неметаллическими свойствами, а низкая — с металлическими.

Изменение свойств элементов в периодах и главных подгруппах

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала найдите положение сравниваемых элементов: в одном ли они периоде или в одной главной подгруппе. Затем выберите нужное направление и проследите, как меняется интересующее свойство. Формулировки «обычно» и «в целом» напоминают, что таблица показывает общую тенденцию, а не правило без исключений.

Разбор задач

Задача. Расположите Na, Mg и Al по ослаблению металлических свойств. Решение: сначала определим положение элементов. Все три элемента находятся в третьем периоде, причём в указанном порядке расположены слева направо. В периоде металлические свойства при движении слева направо ослабевают.

1. Сравним Na и Mg: натрий стоит левее магния, поэтому металлические свойства у натрия выражены сильнее. Это следует из того, что атомам в этой части периода легче отдавать внешние электроны.

2. Сравним Mg и Al: алюминий расположен правее магния, поэтому его металлические свойства слабее. Продолжаем применять одно направление изменения, так как все элементы находятся в одном периоде.

3. Запишем ряд от элемента с наиболее выраженными металлическими свойствами к элементу с наименее выраженными. Получается Na, затем Mg, затем Al.

Ответ: Na > Mg > Al по выраженности металлических свойств, то есть они ослабевают в порядке Na, Mg, Al.

Задача. Сравните электроотрицательность Li и K, а затем объясните, какой из этих элементов сильнее выражает металлические свойства. Решение: оба элемента находятся в одной главной подгруппе: литий выше, калий ниже. При движении сверху вниз электроотрицательность обычно уменьшается, а металлические свойства усиливаются.

1. Найдём направление сравнения: от Li к K мы движемся вниз по главной подгруппе. Поэтому у калия электроотрицательность обычно ниже, чем у лития.

2. Вниз по подгруппе растёт число электронных слоёв, и внешний электрон оказывается дальше от ядра. Он удерживается слабее, поэтому атому легче отдать его.

3. Более лёгкая отдача электрона означает более выраженные металлические свойства. Следовательно, калий проявляет их сильнее, чем литий.

Ответ: электроотрицательность Li выше, чем K; металлические свойства у K выражены сильнее.

Задача. Для элементов третьего периода Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl определите, у какого из них металлические свойства выражены сильнее, а у какого электроотрицательность выше. Решение: все элементы стоят в одном периоде. При движении слева направо металлические свойства ослабевают, а электроотрицательность обычно растёт.

1. Среди перечисленных элементов натрий расположен левее всех. Значит, в этом ряду он легче отдаёт электроны и сильнее выражает металлические свойства.

2. Хлор находится правее всех. В пределах периода притяжение внешних электронов усиливается, поэтому у хлора из перечисленных элементов электроотрицательность выше.

3. Проверим, что обе оценки согласуются с общим направлением: движение от Na к Cl означает ослабление металлических свойств и рост электроотрицательности. Поэтому крайние элементы ряда подходят для ответа.

Ответ: наиболее выраженные металлические свойства — у Na, наибольшая электроотрицательность — у Cl.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при движении вниз по главной подгруппе электроотрицательность растёт. Такое представление может возникнуть из-за смешения направлений изменения в периоде и подгруппе. Проверьте себя: вниз добавляются электронные слои, радиус обычно увеличивается, а электроотрицательность обычно уменьшается.

Ошибка: путать направления изменения металлических и неметаллических свойств в периоде. Иногда оба свойства считают растущими одновременно, хотя общая тенденция противоположна: металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются. Чтобы проверить ответ, спросите себя, становится ли атому легче отдать электрон или притянуть его.

Ошибка: применять закономерность периода к элементам одной главной подгруппы или наоборот. Это происходит, если сравнивать только названия элементов, не проверяя их положение в таблице. Перед выводом найдите координаты обоих элементов и установите, идёте ли вы слева направо или сверху вниз.

Ошибка: считать тенденции абсолютно точными для каждого элемента и любого свойства. Общие правила помогают сравнивать элементы, но отдельные свойства могут иметь особенности. Используйте слова «обычно» и «в целом», а при разборе конкретного случая учитывайте, что закономерность не отменяет возможных исключений.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить изменение свойств, нужно знать строение атома: заряд ядра, электронные слои и распределение электронов на внешнем уровне. Также важно уметь находить период и главную подгруппу элемента в Периодической таблице. Эти навыки позволяют сравнивать активность металлов и неметаллов, а ещё помогают понять, как в химической связи распределяются общие электронные пары. Так тема связывает строение атома с наблюдаемыми химическими свойствами.

Что запомнить

• В периоде слева направо заряд ядра увеличивается, а число электронных слоёв не меняется.
• В периоде радиус атома в целом уменьшается.
• В периоде металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются.
• В главной подгруппе сверху вниз увеличивается число электронных слоёв и обычно растёт радиус атома.
• В главной подгруппе сверху вниз металлические свойства обычно усиливаются, а неметаллические ослабевают.
• Электроотрицательность обычно растёт слева направо в периоде и убывает сверху вниз в главной подгруппе.