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

Определения и обозначения

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Это относительная характеристика: она показывает, какой из связанных атомов сильнее притягивает общие электроны, а не описывает изолированный атом сам по себе. Понятие помогает понять, как распределена электронная плотность в соединении.

Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны и образовывать положительные ионы. Чем легче атом теряет внешние электроны, тем ярче проявляются его металлические свойства. Это понятие помогает объяснить поведение металлов в химических реакциях.

Неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны или притягивать общие электронные пары. Чем сильнее атом притягивает электроны, тем заметнее его неметаллические свойства. Сравнение этих свойств помогает предсказать, будет ли атом скорее отдавать или притягивать электроны.

Главная подгруппа — вертикальный ряд элементов, атомы которых имеют сходное строение внешнего электронного слоя. Число электронов на внешнем слое связано с тем, как атомы вступают в реакции. Поэтому элементы одной главной подгруппы часто проявляют похожие свойства, хотя сверху вниз их выраженность меняется.

Как это устроено

При движении слева направо в периоде заряд ядра увеличивается: каждый следующий элемент имеет на один протон больше. Электроны при этом добавляются на тот же энергетический уровень, поэтому число электронных слоёв не растёт. Усилившееся притяжение ядра действует на электроны оболочки, и радиус атома обычно уменьшается. Так объясняется не только изменение размеров атомов, но и дальнейшие изменения их свойств.

В начале периода атомам легче отдавать внешние электроны, поэтому там располагаются металлы. По мере движения вправо ядро сильнее удерживает электроны, и отдать их становится труднее. Одновременно атомам становится легче притягивать электроны, поэтому неметаллические свойства усиливаются. Так постепенный переход от металлов к неметаллам связан со строением атомов, а не только с их местом в таблице.

В главной подгруппе сверху вниз у атомов появляется каждый раз новый электронный слой. Внешние электроны оказываются дальше от ядра, а внутренние слои ослабляют его притяжение к ним. Поэтому радиус растёт и внешние электроны обычно легче отдать. Металлические свойства усиливаются, тогда как неметаллические, как правило, ослабевают.

Электроотрицательность обычно возрастает слева направо в периоде: уменьшающийся радиус и растущий заряд ядра усиливают притяжение общих электронов. Сверху вниз в главной подгруппе радиус увеличивается, а внешние электроны сильнее удалены от ядра, поэтому электроотрицательность обычно уменьшается. Эти направления помогают сравнивать элементы, если известны их положения в таблице. Исключения и ограничения нужно учитывать отдельно, особенно для элементов, которые редко образуют связи.

Фтор расположен в верхней правой части периодической таблицы среди неметаллов и обладает наибольшей электроотрицательностью. В главных подгруппах изменения свойств можно проследить сверху вниз: увеличение числа слоёв ослабляет притяжение внешних электронов. Поэтому при сравнении элементов одной подгруппы важно учитывать не только их сходство, но и направление изменения свойств. Для благородных газов обычные значения электроотрицательности, как правило, не используют.

Изменение свойств элементов в периодах и главных подгруппах

Сначала определите, сравниваются ли элементы одного периода или одной главной подгруппы. Затем прочитайте нужный столбец: направления изменений в периоде и подгруппе различаются. Слова «обычно» напоминают, что общая закономерность не отменяет особенностей отдельных элементов.

Разбор задач

Задача. Расположите Na, Mg и Al по возрастанию металлических свойств. Все три элемента находятся в третьем периоде, значит, сравнивать их нужно по правилу изменения свойств слева направо. Чем левее элемент, тем легче его атому отдавать электроны.

1. Находим элементы в таблице: Na, Mg и Al стоят в одном периоде именно в таком порядке слева направо.
2. Применяем периодическую закономерность: металлические свойства при движении слева направо ослабевают.
3. Для возрастания свойств записываем элементы от наименее металлического к наиболее металлическому, то есть в обратном порядке их расположения в периоде.

Ответ: Al, Mg, Na. Проверка: при движении в этом списке слева направо металлические свойства усиливаются, поскольку мы перечислили элементы в направлении справа налево по периоду.

Задача. Расположите F, Cl и Br по убыванию электроотрицательности. Эти элементы находятся в одной главной подгруппе, поэтому учитываем направление сверху вниз. Сравниваем их положение, а не атомные номера.

1. Находим порядок элементов в подгруппе: F расположен выше Cl, а Cl — выше Br.
2. Электроотрицательность в главной подгруппе обычно уменьшается сверху вниз, так как радиус атома увеличивается.
3. Для убывания располагаем элементы от наибольшей электроотрицательности к наименьшей, то есть сверху вниз по подгруппе.

Ответ: F, Cl, Br. Фтор стоит первым, потому что обладает наибольшей электроотрицательностью; далее значение обычно уменьшается.

Задача. Сравните радиусы атомов и неметаллические свойства Mg и S, объяснив различия строением атомов. Оба элемента расположены в третьем периоде, но сера находится правее магния. Значит, для сравнения применяем закономерности изменения свойств в периоде.

1. У Mg и S одинаковое число электронных слоёв, так как элементы находятся в одном периоде.
2. У серы заряд ядра больше, поэтому оно сильнее притягивает электроны при том же числе слоёв; радиус S обычно меньше радиуса Mg.
3. При движении слева направо металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. Следовательно, у S неметаллические свойства выражены сильнее, чем у Mg.

Ответ: радиус Mg больше, чем радиус S; неметаллические свойства S сильнее. Причина — рост заряда ядра при неизменном числе электронных слоёв.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что свойства одинаково меняются вниз по подгруппе и слева направо в периоде. Её легко допустить, если запоминать отдельные стрелки, не замечая, что направления движения разные. Проверяйте себя так: сначала определите, сравниваете ли элементы по горизонтали или по вертикали таблицы, и только потом применяйте закономерность.

Иногда рост заряда ядра в периоде ошибочно связывают с увеличением радиуса. Но число слоёв в периоде не растёт, а усиленное притяжение ядра обычно стягивает электронную оболочку. Проверьте рассуждение: если слоёв столько же, а ядро притягивает сильнее, радиус обычно уменьшается.

Электроотрицательность путают со способностью свободного атома принять электрон. Причина в том, что оба понятия связаны с притяжением электронов, но электроотрицательность описывает общие электроны химической связи. Чтобы проверить себя, спросите: речь идёт об отдельном атоме или о связанных атомах и общей электронной паре?

Ещё одна ошибка — автоматически приписывать благородным газам обычные значения электроотрицательности. Общую закономерность переносят на них, не учитывая, что эти элементы редко образуют химические связи. При сравнении уточняйте, образуют ли рассматриваемые атомы связь и принято ли для них приводить электроотрицательность.

Связь с другими темами

Чтобы понять эти закономерности, нужно знать строение атома: что такое заряд ядра, электронные слои и внешние электроны. Также важно уметь находить период и главную подгруппу элемента в периодической таблице, потому что от этого зависит направление сравнения. Позже электроотрицательность поможет объяснить тип химической связи и распределение электронной плотности между атомами. Это, в свою очередь, позволяет связывать строение вещества со свойствами соединений.

Что запомнить

• В периоде слева направо заряд ядра увеличивается, а число электронных слоёв остаётся постоянным.
• В периоде радиус атома обычно уменьшается.
• В периоде металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются.
• В главной подгруппе сверху вниз радиус атома обычно увеличивается.
• В главной подгруппе сверху вниз металлические свойства обычно усиливаются.
• Электроотрицательность обычно растёт слева направо в периоде и уменьшается сверху вниз в главной подгруппе.
• Фтор — элемент с наибольшей электроотрицательностью.