§ 44. Радиус атома. Электроотрицательность и полярность связи

Определения и обозначения

Атомный радиус — условная мера размера атома, связанная с расстоянием от ядра до внешней области электронного облака. У атома нет твёрдой поверхности: вероятность обнаружить электрон постепенно уменьшается с удалением от ядра. Поэтому нельзя указать точную границу, как у шарика; радиус оценивают, в частности, по расстояниям между ядрами атомов.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Чем она выше, тем сильнее атом удерживает общую пару по сравнению с атомом-партнёром. Это понятие помогает сравнить поведение атомов именно в связях, а не просто определить количество электронов в атоме.

Полярная ковалентная связь — связь, в которой общая электронная пара смещена к одному из связанных атомов. Так происходит, если один атом сильнее притягивает электроны, то есть обладает большей электроотрицательностью. Пара остаётся общей для атомов, но распределяется между ними неравномерно.

Полярность связи — неравномерное распределение общей электронной пары, связанное с различием электроотрицательностей атомов. На более электроотрицательном атоме возникает частичный отрицательный заряд δ−, на другом — частичный положительный заряд δ+. Эти обозначения показывают частичный, а не полный перенос электронов.

Как это устроено

Внешние электроны образуют наиболее удалённую от ядра часть электронного облака, поэтому число электронных слоёв помогает оценить размер атома. Чем больше слоёв, тем дальше от ядра обычно расположены внешние электроны и тем больше радиус. Однако одной только удалённости недостаточно: на неё также влияют заряд ядра и экранирование со стороны внутренних электронов. Экранирование ослабляет притяжение ядра к внешним электронам.

В периоде атомы имеют одинаковое число занятых электронных слоёв, но заряд ядра при движении слева направо увеличивается. Внутренние слои не добавляются, поэтому экранирование меняется не так сильно, как притяжение ядра. В результате ядро сильнее удерживает внешние электроны и электронное облако становится компактнее. Поэтому атомный радиус в периоде обычно уменьшается.

В группе сверху вниз у каждого следующего элемента появляется дополнительный электронный слой. Внешние электроны оказываются дальше от ядра, а внутренние слои сильнее экранируют его притяжение. Хотя заряд ядра тоже увеличивается, добавление слоя и экранирование обычно перевешивают это усиление. Поэтому радиус атома в группе возрастает.

Электроотрицательность отражает, насколько сильно атом притягивает общую пару, поэтому она связана с притяжением внешних электронов ядром. В периоде заряд ядра растёт, а число слоёв остаётся прежним: атомы сильнее притягивают общие электроны, и электроотрицательность обычно возрастает слева направо. В группе вниз слоёв становится больше и экранирование усиливается, поэтому притяжение общей пары ослабевает. Изменение особенно заметно при сравнении неметаллов; фтор обладает очень высокой электроотрицательностью.

Чтобы определить полярность, сравнивают электроотрицательности двух связанных атомов. Общая пара смещается к тому, у которого значение больше: на нём отмечают δ−, а на втором — δ+. Чем больше разность электроотрицательностей, тем сильнее смещение и полярность ковалентной связи. При очень большой разности связь может иметь ионный характер, поэтому не всякую связь следует автоматически называть ковалентной.

Изменение атомного радиуса, электроотрицательности и полярности связи

Сначала определи, где расположены элементы, и оцени число слоёв и притяжение ядра. Затем сравни электроотрицательности именно связанных атомов: направление пары задаёт более высокое значение. Для вывода о полярности учитывай разность значений, а не положение одного атома отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Расположить атомы Na и Mg по увеличению атомного радиуса

Натрий и магний находятся в одном периоде, поэтому число их электронных слоёв одинаково. При переходе от Na к Mg заряд ядра возрастает и сильнее притягивает электроны. Значит, радиус магния меньше, несмотря на то что в атоме Mg больше электронов.

1. Устанавливаем, что Na и Mg принадлежат одному периоду.
2. Учитываем усиление заряда ядра при движении слева направо.
3. Делаем вывод: у Mg радиус меньше, поэтому порядок возрастания начинается с Mg.

Ответ: Mg, Na.

Задача 2. Расположить Li, Na и K по увеличению электроотрицательности

Литий, натрий и калий находятся в одной группе, причём Li расположен выше Na, а Na выше K. При движении вниз добавляются электронные слои и усиливается экранирование. Внешние электроны дальше от ядра, поэтому притяжение общей пары ослабевает и электроотрицательность уменьшается.

1. Располагаем элементы сверху вниз: Li, Na, K.
2. Учитываем, что электроотрицательность в группе при движении вниз обычно падает.
3. Чтобы получить порядок возрастания, записываем элементы в обратном направлении.

Ответ: K, Na, Li.

Задача 3. Какая связь полярнее: H–Cl или H–F?

В обеих связях один атом — водород, поэтому сравнивать нужно электроотрицательности Cl и F. Фтор притягивает общую электронную пару сильнее, чем хлор, и разность электроотрицательностей в связи H–F больше. Следовательно, пара в H–F сильнее смещена от H к F, а полярность этой связи выше.

1. Сравниваем электроотрицательности: F выше, чем Cl.
2. В H–Cl направляем общую пару к Cl, а в H–F — к F.
3. Ставим частичные заряды: Hδ+–Clδ− и Hδ+–Fδ−.
4. Сопоставляем разности: для H–F она больше, значит, связь полярнее.

Ответ: полярнее H–F; электронная пара смещена к F, на H — δ+, на F — δ−.

Типичные ошибки

Путать изменения радиуса и электроотрицательности. Ошибка возникает, когда обе характеристики запоминают как просто «растущие» или «уменьшающиеся» в одном направлении. В периоде радиус обычно уменьшается, а электроотрицательность увеличивается; в группе наблюдается обратная тенденция. Проверь себя, назвав отдельно причину для каждой характеристики.

Считать, что радиус зависит только от числа электронов. Такое рассуждение кажется удобным, потому что больше электронов связывают с большей оболочкой. Но нужно учитывать и заряд ядра, и экранирование: в одном периоде электронов становится больше, а радиус обычно уменьшается. Для проверки сравни число слоёв и изменение притяжения ядра.

Называть любую ковалентную связь полярной. Наличие общей электронной пары само по себе не означает, что она смещена. Если электроотрицательности одинаковы или почти одинаковы, смещение отсутствует или очень мало. Сначала сравни атомы: лишь затем решай, есть ли полярность и насколько она выражена.

Ставить частичный заряд не на тот атом. Ошибку часто допускают, принимая δ− за заряд атома, который «отдал» электроны. На деле δ− получает более электроотрицательный атом, потому что общая пара смещена к нему; менее электроотрицательный получает δ+. Проверь направление стрелки или словесно укажи, к кому перемещается электронная пара.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома, электронных слоях, периодическом законе и положении элемента в периодической таблице. Эти сведения помогают объяснить, почему меняются радиус и электроотрицательность, а не только запомнить направления изменений. Позже сравнение электроотрицательностей пригодится при изучении типов химической связи и строения молекул. Полярность также помогает объяснять растворимость веществ и некоторые химические свойства соединений.

Что запомнить

• Атомный радиус характеризует условный размер атома.
• В периоде атомный радиус обычно уменьшается слева направо.
• В группе атомный радиус увеличивается сверху вниз.
• Электроотрицательность в периоде обычно возрастает слева направо.
• Электроотрицательность в группе обычно уменьшается сверху вниз.
• Чем больше различие электроотрицательностей, тем сильнее поляризована ковалентная связь.
• Общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому.