"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
p-элементы — элементы, у которых заполняется p-подуровень внешнего электронного слоя. Они занимают правую часть периодической системы: группы 13–18, кроме гелия. Строение внешнего слоя помогает определить положение элемента, число его валентных электронов и возможные степени окисления. Сравнение элементов в периодах и группах объясняет, как меняются радиус атома, металлические свойства и характер соединений. Эти закономерности позволяют предсказывать свойства ещё незнакомых элементов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
p-элементы — элементы, у которых последний электрон занимает p-подуровень внешнего энергетического уровня. Это определение позволяет отличать их от элементов, у которых заполняются s-, d- или f-подуровни, и предсказывать тип строения внешней электронной оболочки.
p-блок — часть периодической системы, включающая элементы 13–18 групп, за исключением гелия по его электронной конфигурации. Он занимает правую часть таблицы, а его границы помогают быстро найти элементы с заполняющимся p-подуровнем.
Внешний электронный слой — энергетический уровень, электроны которого определяют основные химические свойства элемента. Если знать его конфигурацию, можно установить число валентных электронов и объяснить, как атом образует связи и соединения.
Эффект инертной пары — менее активное участие пары ns²-электронов в образовании связей у тяжёлых p-элементов. Этот эффект объясняет, почему у таких элементов некоторые низшие степени окисления оказываются устойчивее ожидаемых по номеру группы.
p-блок расположен справа, потому что в этой части периодической системы последовательно заполняются p-подуровни внешнего уровня. В каждом периоде после элементов s-блока следуют элементы p-блока, а число p-электронов обычно увеличивается от одного до шести. Поэтому в блок входят группы 13–18 и периоды со второго по седьмой. Гелий стоит в 18 группе по своим свойствам, но его единственный уровень содержит только s-электроны.
У большинства p-элементов внешний слой записывают как ns²np¹–⁶, где n обозначает номер периода. Сумма электронов на этих подуровнях даёт число валентных электронов: от трёх у элементов 13 группы до восьми у элементов 18 группы. При этом номер группы в современной нумерации на два больше числа валентных электронов. Именно внешний слой участвует в образовании связей, поэтому его конфигурация помогает предсказывать химическое поведение.
Слева направо в периоде заряд ядра увеличивается, а добавленные электроны попадают на тот же энергетический уровень. Притяжение внешних электронов к ядру в целом усиливается, поэтому атомный радиус уменьшается. Отдать электрон становится труднее, а притягивать электронную плотность в связи — легче: растёт электроотрицательность и усиливаются неметаллические свойства. Поэтому простые вещества в ряду от металлов к неметаллам меняют характер, а оксиды обычно становятся более кислотными.
Сверху вниз по группе у атомов появляются новые электронные слои, и внешние электроны оказываются дальше от ядра. Экранирование внутренними электронами ослабляет притяжение ядра к внешним, поэтому радиус увеличивается и электрон легче отдать. Так усиливаются металлические свойства, а энергия ионизации и электроотрицательность обычно уменьшаются. Это общая тенденция, хотя конкретные свойства зависят также от строения вещества и его соединений.
У p-элементов возможно несколько степеней окисления, поскольку в реакциях могут участвовать разное число внешних электронов. Высшая положительная степень окисления часто совпадает с числом валентных электронов, но это не означает, что она будет единственной или всегда самой устойчивой. У тяжёлых элементов пара ns² участвует в связях слабее, чем p-электроны; это и называют эффектом инертной пары. Поэтому, например, для свинца степень окисления +2 нередко устойчивее, чем +4.
Таблица показывает общие тенденции, а не отменяет исключений: особенности строения конкретного элемента могут менять свойства его соединений. Сначала найдите группу, затем сопоставьте конфигурацию внешнего слоя со степенью окисления и характером оксидов. Формулы высших оксидов в таблице приведены как типичные, но у некоторых элементов такие соединения неустойчивы или неизвестны.
| Признак | 13 группа | 14 группа | 15 группа | 16 группа | 17 группа | 18 группа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Общая конфигурация внешнего слоя | ns²np¹ | ns²np² | ns²np³ | ns²np⁴ | ns²np⁵ | ns²np⁶ |
| Число валентных электронов | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8; у He — 2 |
| Типичные высшие степени окисления | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 | Обычно не проявляют |
| Характер простых веществ | Металлы; B — неметалл | От неметаллов до металлов | От неметаллов до металлов | Неметаллы; вниз свойства меняются | Неметаллы | Одноатомные газы |
| Изменение металлических и неметаллических свойств сверху вниз | Металлические усиливаются | Металлические усиливаются | Металлические усиливаются | Металлические усиливаются | Металлические усиливаются | Общая тенденция слабее выражена |
| Характер высших оксидов и соответствующих гидроксидов | От кислотного B₂O₃ к амфотерным | От кислотных к амфотерным и основным | От кислотных к амфотерным и основным | Обычно кислотный; вниз возможны амфотерные и основные | Оксиды преимущественно кислотные | Обычных высших оксидов нет; у Xe есть оксиды и кислоты |
| Особенности элементов группы и важные исключения | У тяжёлых элементов устойчива +1 | У тяжёлых элементов устойчива +2 | N не расширяет внешний слой; у Bi устойчива +3 | O отличается от остальных элементов группы | F обычно имеет −1, положительные степени нехарактерны | He — s-элемент; соединения образуют главным образом тяжёлые представители |
Задача 1. Для атома с электронной конфигурацией [Ne]3s²3p⁴ определить блок, период, группу и число валентных электронов. Сначала выделим внешний слой: это третий уровень с конфигурацией 3s²3p⁴. Он содержит шесть электронов, поэтому элемент относится к 16 группе, а последний электрон находится на p-подуровне.
Запишем внешний слой: 3s²3p⁴. Последний электрон добавлен на p-подуровень, следовательно, это p-элемент.
Наибольшее главное квантовое число равно 3. Значит, элемент находится в третьем периоде.
Сложим электроны внешнего слоя: 2 + 4 = 6. Для p-элементов это соответствует 16 группе и шести валентным электронам.
Ответ: p-блок, третий период, 16 группа, шесть валентных электронов; это сера. Проверка: конфигурация серы заканчивается на 3p⁴.
Задача 2. Для элемента с конфигурацией [Ar]3d¹⁰4s²4p³ определить положение в таблице и записать формулы высшего оксида и летучего водородного соединения. Внешний слой здесь — 4s²4p³; подуровень 3d¹⁰ расположен глубже и для определения группы его не складывают с внешними электронами. Сначала определим положение и только затем применим типичные формулы для группы.
Последний электрон занимает 4p-подуровень, значит, это p-элемент. Максимальное значение n равно 4, поэтому элемент находится в четвёртом периоде.
На внешнем уровне 2 + 3 = 5 электронов. Элемент с пятью валентными электронами относится к 15 группе; это мышьяк, As.
Для 15 группы типичная высшая степень окисления равна +5, поэтому формула высшего оксида — As₂O₅. Летучее водородное соединение имеет общий вид EH₃, значит, для мышьяка это AsH₃.
Ответ: As, 4 период, 15 группа; высший оксид As₂O₅, летучее водородное соединение AsH₃. При проверке конфигурации важно не принять заполненный 3d-подуровень за внешний слой.
Задача 3. Сравнить Al, Si и P по атомному радиусу, электроотрицательности, металлическим свойствам и кислотно-основному характеру высших оксидов. Все три элемента находятся в третьем периоде, поэтому можно применить периодическую закономерность слева направо. Их порядок в периоде — Al, Si, P.
При переходе от Al к P радиус атома уменьшается. Причина — рост заряда ядра при заполнении одного и того же внешнего уровня.
Электроотрицательность и неметаллический характер возрастают. Поэтому металлические свойства ослабевают: Al — металл, Si имеет промежуточные свойства, P — неметалл.
Сопоставим высшие оксиды и соответствующие гидроксиды: Al₂O₃ амфотерен, SiO₂ кислотный, P₂O₅ (молекулярная формула P₄O₁₀) кислотный. У Si и P кислотный характер выражен сильнее, чем у оксида алюминия.
Ответ: радиус уменьшается Al > Si > P, электроотрицательность и неметаллические свойства возрастают в порядке Al < Si < P. Характер высших оксидов меняется от амфотерного Al₂O₃ к кислотным SiO₂ и P₂O₅.
Считать гелий обычным p-элементом только из-за его места в 18 группе. Такое смешение возникает, когда положение в таблице принимают за единственный критерий принадлежности к блоку. Проверьте конфигурацию: у He электрон находится на 1s-подуровне, поэтому это s-элемент.
Определять номер группы только по числу p-электронов — значит забывать два электрона на ns-подуровне. Так, конфигурация ns²np⁴ содержит шесть, а не четыре валентных электрона и соответствует 16 группе. Для проверки сложите числа электронов на обоих подуровнях внешнего слоя.
Приписывать всем p-элементам только одну степень окисления неверно, потому что число электронов, участвующих в связях, может различаться. Ошибку провоцирует запоминание одного характерного значения, например высшей степени окисления. Сверьте возможные состояния элемента и учтите, что высшая степень не обязательно наиболее устойчива.
Механически переносить свойства лёгких элементов на тяжёлые нельзя: у тяжёлых представителей проявляется эффект инертной пары. Обычно его упускают, если вывод делают только по числу электронов внешнего слоя. Проверьте, не становится ли низшая степень окисления устойчивой, как у Tl(+1), Sn(+2) или Pb(+2).
Для работы с p-блоком нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях, периодическом законе и нумерации групп и периодов. Эти опорные сведения позволяют выводить свойства из положения элемента, а не заучивать их по отдельности. Закономерности пригодятся при изучении элементов 13–18 групп, их соединений, окислительно-восстановительных и кислотно-основных реакций. Они также помогают объяснять свойства простых веществ и предсказывать поведение соединений конкретных элементов.
Почему гелий находится в p-блоке таблицы, но не является p-элементом?
Гелий помещён в 18 группу, потому что его внешний слой завершён и по свойствам он относится к благородным газам. Но его электронная конфигурация — 1s²: последний электрон находится на s-подуровне, поэтому гелий относят к s-элементам.
Как по электронной конфигурации определить, относится ли элемент к p-блоку?
Посмотрите, какой подуровень заполняется последним на внешнем энергетическом уровне. Если конфигурация заканчивается на np¹–np⁶, элемент относится к p-блоку; гелий — исключение по положению в таблице, поскольку его конфигурация заканчивается на 1s².
Почему металлические свойства p-элементов усиливаются сверху вниз?
При движении вниз по группе добавляются электронные слои, поэтому радиус атома увеличивается. Внешние электроны слабее притягиваются ядром, легче отдаются, и металлические свойства усиливаются.
Как определить число валентных электронов у элемента 14–18 группы?
Для p-элементов этих групп внешняя конфигурация обычно имеет вид ns²npˣ. Число валентных электронов равно x + 2: например, у элемента 16 группы ns²np⁴ и шесть валентных электронов.
Почему у тяжёлых p-элементов устойчивой может быть низшая степень окисления?
У тяжёлых элементов пара ns²-электронов может слабее участвовать в образовании связей. Этот эффект инертной пары делает более устойчивыми соединения, в которых используются только p-электроны, а степень окисления ниже высшей.
14.3. Общая характеристика элементов р-блока
