"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Свойства химических элементов закономерно меняются с ростом заряда ядра и периодически повторяются: внешние электронные оболочки атомов снова приобретают сходное строение. По положению элемента в таблице можно оценить размер его атома, способность отдавать или принимать электроны и свойства соединений. В периоде радиус обычно уменьшается, металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; в главной подгруппе сверху вниз наблюдаются обратные тенденции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодичность свойств химических элементов — повторение сходных свойств при изменении заряда ядра атома. Заряд ядра растёт от элемента к элементу, но некоторые характеристики через определённые промежутки становятся похожими. Это понятие помогает увидеть закономерность в таблице, а не рассматривать свойства каждого элемента отдельно.
Атомный радиус — характеристика размера атома, которая помогает сравнивать атомы элементов. Атом не имеет твёрдой границы, поэтому радиус используют как условную меру расстояния от ядра до внешней части электронной оболочки. Сравнение радиусов позволяет объяснить, насколько сильно ядро удерживает внешние электроны.
Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны и образовывать положительные ионы. Например, при потере одного электрона атом натрия превращается в положительный ион Na⁺. Это определение нужно, чтобы сравнивать, насколько легко разные атомы расстаются с внешними электронами.
Неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны или притягивать их при образовании химической связи. Атом может получить электрон и стать отрицательным ионом либо сильнее притягивать общую электронную пару. Понятие помогает оценить поведение элемента в реакциях и сопоставить его с металлическими элементами.
Свойства меняются с увеличением заряда ядра, потому что ядро сильнее притягивает электроны, а электронная оболочка постепенно перестраивается. Электроны заполняют слои и подуровни по определённому порядку; после завершения одного периода начинается заполнение нового внешнего слоя. Через несколько элементов вновь возникает сходное строение внешней оболочки. Именно оно во многом определяет химическое поведение атомов, поэтому свойства периодически повторяются, хотя заряд ядра продолжает расти.
В пределах одного периода электроны добавляются на внешний энергетический слой, а число занятых слоёв остаётся тем же. При движении слева направо заряд ядра увеличивается, и растёт его притяжение к электронам этого слоя. В результате внешняя оболочка в целом сильнее удерживается ядром и атомный радиус уменьшается. Сравнивать нужно элементы одного периода: у них одинаковое число слоёв, поэтому влияние растущего заряда ядра особенно заметно.
Размер атома связан с тем, насколько легко он отдаёт или принимает электроны. У более крупного атома внешние электроны находятся дальше от ядра и обычно удерживаются слабее, поэтому их легче отдать — это способствует металлическим свойствам. Маленький атом обычно сильнее притягивает электроны, что связано с неметаллическими свойствами. Поэтому в периоде уменьшение радиуса сопровождается ослаблением металлических и усилением неметаллических свойств; речь идёт об общей тенденции, а не о единственном факторе каждой реакции.
В главной подгруппе сверху вниз к атомам добавляются новые электронные слои, поэтому их радиус увеличивается. Внешний электрон оказывается дальше от ядра и сильнее экранируется внутренними электронами, то есть их присутствие ослабляет притяжение ядра к внешнему слою. Отдать внешний электрон становится легче, и металлические свойства обычно усиливаются. Захватывать электроны атомам, как правило, становится труднее, поэтому неметаллические свойства ослабевают.
Изменение способности атомов отдавать или притягивать электроны отражается на составе и свойствах соединений. В начале периода преобладают металлы, и их оксиды обычно имеют основные свойства; далее встречаются амфотерные соединения, способные проявлять и основные, и кислотные свойства. У неметаллов ближе к концу периода оксиды обычно кислотные. Поэтому в периоде характер высших оксидов и соответствующих гидроксидов в целом меняется от основного к кислотному, хотя конкретные формулы и свойства зависят от элемента.
Таблица показывает общие направления изменений: сравнивайте элементы либо в одном периоде, либо в одной главной подгруппе. «Не меняется» для числа слоёв в периоде означает, что у сравниваемых атомов занято одинаковое число электронных слоёв. Характер оксидов и гидроксидов указан как общая тенденция, а не как характеристика каждого соединения без исключений.
| Свойство | В периоде слева направо | В главной подгруппе сверху вниз |
|---|---|---|
| Число электронных слоёв | Не меняется | Увеличивается |
| Атомный радиус | В целом уменьшается | Увеличивается |
| Металлические свойства | Ослабевают | Усиливаются |
| Неметаллические свойства | Усиливаются | Ослабевают |
| Характер высшего оксида и соответствующего гидроксида | От основного через амфотерный к кислотному | В целом смещается к более основному характеру |
Все три элемента находятся в третьем периоде. Значит, число электронных слоёв у их атомов одинаково, и можно проследить влияние растущего заряда ядра без сравнения разных периодов. При движении от Na к Al ядро сильнее притягивает электроны внешнего слоя, поэтому радиус уменьшается.
Ответ: Al < Mg < Na по возрастанию атомного радиуса.
Li, Na и K находятся в одной главной подгруппе. При движении сверху вниз у атомов появляется больше электронных слоёв, радиус увеличивается, а внешний электрон слабее удерживается ядром. Поэтому металлические свойства усиливаются в направлении от лития к калию.
Ответ: Li < Na < K по усилению металлических свойств.
Натрий, алюминий и сера расположены в третьем периоде слева направо. Na₂O — основной оксид, Al₂O₃ — амфотерный: он может реагировать и с кислотами, и со щелочами. SO₃ — кислотный оксид; он связан с серной кислотой H₂SO₄, поэтому весь ряд показывает общую смену характера соединений.
Ответ: Na₂O — основный, Al₂O₃ — амфотерный, SO₃ — кислотный; характер оксидов меняется от основного через амфотерный к кислотному.
Ошибка — считать, что атомный радиус растёт слева направо в периоде. Это направление легко перепутать с движением вниз по подгруппе, где радиус действительно увеличивается. В периоде же растущий заряд ядра сильнее притягивает электроны одного внешнего слоя, и радиус в целом уменьшается. Проверяйте, какие элементы сравниваете: Na, Mg и Al образуют периодический ряд, и у Al радиус меньше, чем у Na.
Нельзя переносить направление изменений в периоде на движение сверху вниз по подгруппе. При переходе вниз появляется новый электронный слой, поэтому радиус растёт, металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Путаница возникает, если помнить только одно направление стрелки. Перед выводом назовите ряд сравнения: горизонтальный период или вертикальная главная подгруппа.
Металлические свойства элемента и основные свойства его оксида связаны, но это не одно и то же. Первое описывает способность атома отдавать электроны, второе — поведение соединения в химических реакциях. Их часто смешивают, потому что металлические элементы действительно обычно образуют основные оксиды. Проверяйте, о чём идёт речь: об атоме или о конкретном соединении; учитывайте и амфотерные оксиды.
Периодический закон не означает, что любое отдельное свойство меняется строго одинаково у каждого элемента. Общая тенденция помогает сравнивать подходящие ряды, но конкретные свойства зависят также от строения атома и состава вещества. Ошибка появляется, когда закономерность превращают в правило без исключений. Проверяйте вывод на примерах и уточняйте, сравниваете ли вы элементы одного периода или одной главной подгруппы.
Чтобы объяснить периодические изменения, нужно знать строение атома, заряд ядра, электронные слои и распределение электронов по внешнему слою. Эти сведения помогают понять, почему атомы отдают или притягивают электроны по-разному. Тема пригодится при сравнении химической активности элементов и прогнозировании свойств соединений. Она также служит основой для дальнейшего изучения периодического закона и химической связи.
Почему свойства элементов повторяются, если заряд ядра каждый раз увеличивается?
С ростом заряда ядра атомы получают новые электроны, но электронные оболочки заполняются закономерно. Через определённые промежутки внешние слои приобретают сходное строение, поэтому повторяются и некоторые свойства элементов.
Почему атомный радиус уменьшается слева направо в периоде?
В периоде электроны добавляются на один и тот же внешний слой, а заряд ядра увеличивается. Ядро сильнее притягивает электронную оболочку, поэтому её размер в целом уменьшается.
Как по положению элемента в таблице предсказать усиление металлических свойств?
В главной подгруппе металлические свойства обычно усиливаются сверху вниз: атомный радиус растёт, и внешний электрон легче отдать. В периоде они, напротив, обычно усиливаются при движении справа налево.
Почему в главной подгруппе неметаллические свойства обычно ослабевают сверху вниз?
При движении вниз добавляются электронные слои и увеличивается радиус атома. Внешним электронам ядра сложнее притягивать электроны других атомов, поэтому способность принимать электроны обычно ослабевает.
Как связаны свойства элемента и характер его оксида?
Металлические элементы обычно образуют основные оксиды, а неметаллические — кислотные. Между ними встречаются амфотерные оксиды, которые проявляют и основные, и кислотные свойства; поэтому в периоде характер оксидов обычно меняется от основного к кислотному.
§ 3. Свойства элементов подчиняются Периодическому закону
