§ 46. Закономерности изменения свойств элементов и простых веществ

Определения и обозначения

Атомный радиус — условная мера размера атома: границу электронного облака нельзя провести как у твёрдого шарика. Радиус нужен, чтобы сравнивать атомы и понимать, насколько близко внешние электроны находятся к ядру. В периоде он обычно уменьшается слева направо, а в группе увеличивается сверху вниз.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Чем она больше, тем сильнее атом притягивает связывающие электроны. Это понятие помогает объяснять распределение электронной плотности в молекулах и сравнивать неметаллические свойства элементов.

Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны, образуя положительно заряженные ионы. Чем слабее ядро удерживает внешние электроны, тем легче их отдать и тем ярче выражены металлические свойства. Поэтому при сравнении элементов учитывают атомный радиус и положение в периодической системе.

Неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны или притягивать общие электронные пары. Их выраженность обычно связана с высокой электроотрицательностью и сильным притяжением электронов ядром. Это понятие помогает предсказывать поведение элемента в реакциях и свойства его соединений.

Как это устроено

В периоде слева направо каждый следующий элемент имеет больший заряд ядра. Электроны при этом заполняют тот же основной электронный слой, поэтому число слоёв обычно остаётся прежним. Увеличившийся положительный заряд сильнее притягивает электроны, и электронное облако сжимается — атомный радиус в целом уменьшается. Сильнее становится и притяжение внешних электронов, что отражается на электроотрицательности.

В группе сверху вниз у каждого следующего элемента появляется дополнительный электронный слой. Внутренние электроны частично экранируют от внешних электронов притяжение ядра: этот эффект называют экранированием. Внешний слой оказывается дальше от ядра и удерживается слабее, поэтому радиус возрастает. Из-за этого атому обычно проще отдать внешний электрон.

Изменение радиуса и силы притяжения электронов объясняет противоположные тенденции металлических и неметаллических свойств. В периоде слева направо атомам труднее отдавать электроны, поэтому металлические свойства ослабевают, а стремление притягивать или принимать электроны усиливается. В группе сверху вниз внешний электрон удерживается слабее, и металлические свойства усиливаются. Неметаллические свойства в группе, как правило, ослабевают.

Та же общая тенденция заметна в характере высших оксидов и соответствующих гидроксидов элементов одного периода. Слева обычно находятся металлы, чьи оксиды и гидроксиды проявляют основные свойства; ближе к середине могут встречаться амфотерные соединения, проявляющие и основные, и кислотные свойства. Правее расположены неметаллы, для которых характерны кислотные высшие оксиды и соответствующие кислоты. Это общий переход, а не универсальное правило для любого соединения элемента.

Свойства простых веществ связаны с тем, какие атомы их образуют и как эти атомы соединены. Поэтому при изменении положения элементов меняются и свойства их простых веществ: например, в периоде можно наблюдать переход от металлических веществ к неметаллическим. У элементов одной группы часто есть заметное сходство, потому что строение внешнего электронного слоя у них родственно. Однако сходство не означает полного совпадения свойств: число слоёв, размеры атомов и строение вещества различаются.

Изменение свойств элементов и простых веществ в периодах и группах

В таблице показаны общие направления изменений. Слова «обычно» и «в целом» напоминают, что закономерности описывают тенденцию, а свойства конкретного вещества зависят от его состава и строения.

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите, сравниваются ли элементы одного периода или одной группы. Затем найдите нужную строку и примените направление изменения к заданным элементам. Для вывода о соединении дополнительно проверьте его формулу и не принимайте общую тенденцию за исключение без правил.

Разбор задач

1. Атомные радиусы натрия, магния и алюминия

Условие: расположите Na, Mg и Al по возрастанию атомного радиуса и объясните порядок. Все три элемента стоят в третьем периоде. Значит, сравнивать нужно изменение радиуса слева направо, не смешивая его с тенденцией внутри группы.

1. Определяем положение: Na, Mg и Al последовательно расположены слева направо в одном периоде.
2. В периоде заряд ядра увеличивается, а число электронных слоёв остаётся тем же. Ядро сильнее притягивает электроны, поэтому радиус уменьшается.
3. Значит, наибольший радиус у Na, затем у Mg, а наименьший у Al. Для возрастания порядок нужно записать наоборот.

Ответ: Al < Mg < Na по возрастанию атомного радиуса.

2. Неметаллические свойства фтора, хлора и брома

Условие: расположите F, Cl и Br по усилению неметаллических свойств. Все три элемента находятся в одной группе — галогенов. Поэтому рассматриваем движение снизу вверх, противоположное направлению увеличения радиуса.

1. Устанавливаем положение: в группе сверху вниз идут F, Cl, Br.
2. При движении вниз растёт число электронных слоёв и увеличивается радиус; притяжение внешних электронов ослабевает. Неметаллические свойства в целом становятся слабее.
3. Следовательно, сильнее всего они выражены у F, затем у Cl и слабее всего у Br. В условии требуется усиление, поэтому записываем элементы от слабых свойств к сильным.

Ответ: Br, Cl, F.

3. Высшие оксиды и гидроксиды натрия, алюминия и серы

Условие: сравните характер высших оксидов и соответствующих гидроксидов Na, Al и S. Сначала определяем характер элемента по его положению и металлическим или неметаллическим свойствам. Затем связываем это с высшими соединениями: Na₂O и NaOH, Al₂O₃ и Al(OH)₃, SO₃ и H₂SO₄.

1. Na — металл, стоящий левее Al в третьем периоде; его высший оксид Na₂O и гидроксид NaOH имеют основные свойства.
2. Al находится дальше вправо, а его оксид Al₂O₃ и гидроксид Al(OH)₃ амфотерны: они проявляют свойства и оснований, и кислот.
3. S — неметалл правой части периода. Его высший оксид SO₃ имеет кислотный характер, а соответствующая кислота H₂SO₄ также проявляет кислотные свойства.

Ответ: у соединений натрия характер основной, у соединений алюминия — амфотерный, у высших соединений серы — кислотный. Пример показывает общий переход от основных свойств к кислотным в периоде.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что атомный радиус уменьшается при движении вниз по группе. Так путают направления изменений в периоде и группе, не учитывая появление новых электронных слоёв. Проверка: сравните число слоёв — вниз по группе оно растёт, поэтому радиус обычно увеличивается.

Ошибка: менять местами тенденции металлических и неметаллических свойств. Это происходит, если помнить только, что свойства меняются, но забыть направление. Проверка: слева направо в периоде металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; вниз по группе обычно наоборот.

Ошибка: считать элемент и простое вещество одним и тем же. Элемент — вид атомов с определённым зарядом ядра, а простое вещество состоит из атомов одного элемента; например, это разные понятия для кислорода и O₂. Проверка: спросите себя, говорится ли о виде атомов или о веществе, которое можно описывать физическими и химическими свойствами.

Ошибка: применять общую тенденцию без проверки конкретного вещества. Правило запоминают, но забывают, что на свойства влияют состав и строение, а у отдельных элементов бывают особенности. Проверка: составьте формулу соединения и определите, какое именно вещество рассматривается, прежде чем называть его свойства.

Связь с другими темами

Для понимания этих закономерностей нужны знания о строении атома: заряде ядра, электронных слоях и положении элемента в периодической системе. По этим сведениям можно объяснить, почему меняются радиус и способность атома притягивать электроны. Дальше закономерности помогают сравнивать активность металлов и неметаллов, прогнозировать свойства оксидов и гидроксидов, а также разбираться в химических связях. Это связывает периодическую систему с поведением веществ в реакциях.

Что запомнить

• В периоде слева направо заряд ядра увеличивается, а число электронных слоёв обычно не меняется.
• Атомный радиус в периоде обычно уменьшается, а в группе сверху вниз увеличивается.
• Металлические свойства усиливаются к левому нижнему краю периодической системы.
• Неметаллические свойства усиливаются к правому верхнему краю периодической системы.
• В периоде высшие оксиды и соответствующие гидроксиды обычно меняют характер от основного к кислотному.
• Закономерности помогают предсказывать свойства, но не отменяют особенностей отдельных элементов.