§ 15. Закономерности изменения электроотрицательности химических элементов

Определения и обозначения

Электроотрицательность — способность атома элемента притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Иначе говоря, она показывает, какой атом сильнее «перетягивает» связывающие электроны. Это понятие нужно, чтобы объяснять полярность связей и направление смещения электронной пары.

Относительная электроотрицательность — числовая характеристика, позволяющая сравнивать способность атомов притягивать связывающие электроны. Числа не являются абсолютной мерой силы притяжения и зависят от принятой шкалы. Они помогают быстро установить, какой из двух атомов сильнее притягивает общие электроны.

Шкала Полинга — условная шкала числовых значений электроотрицательности элементов. На ней фтор имеет наибольшее значение — около 4,0, а у многих активных металлов значения значительно меньше. Шкала нужна для сопоставления элементов и оценки полярности химических связей.

Ряд электроотрицательности — расположение элементов по возрастанию или убыванию их электроотрицательности. Такой ряд можно составить для нескольких выбранных элементов. Он позволяет упорядочить атомы и определить, к какому из них сместится общая электронная пара.

Как это устроено

Электроотрицательность характеризует не изолированный атом, а атом в химической связи, потому что речь идёт о притяжении общей электронной пары. У свободного атома нет электронов, одновременно принадлежащих двум атомам. Сравнивать электроотрицательность можно только в ситуации взаимодействия, когда появляется связывающая пара.

На притяжение электронов влияет заряд ядра: чем больше положительный заряд, тем сильнее ядро действует на электроны. Число электронных слоёв тоже важно, поскольку внешние электроны находятся дальше от ядра. Внутренние электроны частично закрывают ядро от внешних, и это ослабление называют экранированием.

В периоде слева направо число протонов в ядре увеличивается, а новые электроны добавляются в тот же электронный слой. Поэтому эффективный заряд ядра, то есть его притягивающее действие с учётом экранирования, возрастает. Радиус атома уменьшается, внешняя электронная пара оказывается ближе к ядру, и электроотрицательность обычно увеличивается.

В группе сверху вниз появляются новые электронные слои. Внешние электроны удаляются от ядра, а внутренние слои сильнее экранируют его заряд. Несмотря на увеличение числа протонов, притяжение связывающих электронов ослабевает, поэтому электроотрицательность обычно уменьшается.

Фтор находится в правой верхней части Периодической системы и имеет малый радиус при большом эффективном заряде ядра. Поэтому он сильнее других элементов притягивает общую электронную пару. У наиболее активных металлов радиус велик, экранирование сильно, а способность удерживать общие электроны мала, поэтому их электроотрицательность одна из самых низких.

Закономерности изменения электроотрицательности в Периодической системе

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, находятся ли элементы в одном периоде или в одной группе. Затем выберите нужное направление сравнения и проверьте, как меняются радиус атома и притяжение ядра. Для элементов, расположенных в разных периодах и группах, нужно учитывать обе закономерности одновременно.

Разбор задач

Задача 1

Расположите элементы Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl по возрастанию электроотрицательности. Все эти элементы находятся в третьем периоде. Значит, достаточно применить закономерность изменения свойства слева направо.

1. Запишем элементы в порядке их расположения в третьем периоде: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl.
2. При движении слева направо эффективный заряд ядра увеличивается, а радиус атома уменьшается.
3. Следовательно, электроотрицательность каждого следующего элемента обычно выше.

Ответ: Na < Mg < Al < Si < P < S < Cl. Это же расположение видно по ориентировочным значениям шкалы Полинга.

Задача 2

Сравните электроотрицательность O и S, а также F и Cl. Обе пары элементов находятся в одних и тех же группах. Поэтому нужно сравнить их положение сверху вниз.

1. Кислород расположен выше серы, а фтор — выше хлора.
2. В группе при движении вниз увеличиваются число электронных слоёв и радиус атома.
3. Притяжение общей пары ослабевает, поэтому верхний элемент в каждой паре электроотрицательнее.

Ответ: O более электроотрицателен, чем S, а F — чем Cl. Запись сравнений: O > S и F > Cl.

Задача 3

Расположите K, Ca, Mg, Al, Cl по возрастанию электроотрицательности и определите, с каким элементом связь с водородом будет наиболее полярной. Элементы находятся в разных периодах и группах, поэтому сравнение нужно проводить по их общему положению в таблице. Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов.

1. K — активный металл четвёртого периода, Ca также металл, а Mg и Al находятся выше; Cl расположен значительно правее и относится к неметаллам.
2. С учётом движения к правому верхнему углу получаем: K < Ca < Mg < Al < Cl.
3. Для связи с водородом сравним разности электроотрицательностей: у хлора она больше, чем у остальных перечисленных элементов.

Ответ: K < Ca < Mg < Al < Cl. Наиболее полярной будет связь H–Cl, потому что хлор сильнее всего притягивает общую электронную пару.

Типичные ошибки

Электроотрицательность путают с энергией ионизации, потому что обе характеристики связаны с электронами. Ошибка возникает, если не различать общую пару в связи и электрон, удаляемый из атома. Проверка: спросите себя, идёт ли речь о притяжении связывающих электронов или об их отрыве.

Иногда считают, что в группе электроотрицательность увеличивается сверху вниз. Так думают из-за роста заряда ядра, забывая о новых слоях и экранировании. Проверьте направление стрелкой: в группе свойство в целом возрастает к фтору, а вниз уменьшается.

Правило «слева направо — увеличение» ошибочно переносят на движение сверху вниз. Эти направления относятся к разным участкам Периодической системы и требуют разных выводов. Полезно сначала назвать направление движения, а уже потом устанавливать изменение свойства.

Элементы сравнивают только по номеру периода или группы, не учитывая радиус и экранирование. Один признак не объясняет результат для элементов из разных частей таблицы. Проверяйте сразу три фактора: заряд ядра, расстояние до внешних электронов и экранирование.

Связь с другими темами

Для понимания электроотрицательности нужны знания о строении атома, электронных слоях, периодическом законе и положении элементов в Периодической системе. Эти закономерности объясняют изменение металлических и неметаллических свойств, полярность связи и смещение общей электронной пары. Позже они помогут определять тип химической связи, направление окислительно-восстановительных процессов и степени окисления элементов.

Что запомнить

• Электроотрицательность — способность атома притягивать общую электронную пару.
• В периоде слева направо электроотрицательность обычно возрастает.
• В группе сверху вниз электроотрицательность обычно уменьшается.
• Чем меньше радиус атома и больше эффективный заряд ядра, тем выше электроотрицательность.
• Фтор — самый электроотрицательный элемент.
• Металлы обычно имеют меньшую электроотрицательность, чем неметаллы.
• Разность электроотрицательностей помогает оценивать полярность химической связи.