"Химия", Журин А.А.
Свойства химических элементов меняются закономерно: их периодическое повторение связано с зарядом атомного ядра и строением электронных оболочек. По положению элемента в периодической системе можно судить, насколько охотно его атомы отдают или принимают электроны. Это помогает предсказывать свойства высших оксидов и гидроксидов: в периоде их характер обычно меняется от основного через амфотерный к кислотному. Такие закономерности позволяют сравнивать элементы и предсказывать свойства их соединений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодическое изменение свойств — закономерное повторение сходных свойств элементов и их соединений при увеличении заряда атомного ядра. Иными словами, при продвижении по таблице свойства не меняются случайно: после некоторого числа элементов возникают похожие особенности. Это понятие помогает сравнивать элементы и объяснять устройство периодической системы.
Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны; их усиление связано с ослаблением удерживания внешних электронов. Если внешние электроны удерживаются слабо, атому легче их отдать и образовать положительно заряженный ион. Поэтому это свойство помогает предсказывать поведение элемента в химических реакциях.
Неметаллические свойства — способность атомов принимать электроны или притягивать их в химической связи. Такие атомы способны присоединять электроны либо сильнее притягивать общие электроны связи. Это понятие нужно, чтобы сравнивать элементы и понимать, какую роль они могут играть при образовании соединений.
Амфотерность — способность соединения проявлять как основные, так и кислотные свойства. Например, гидроксид алюминия Al(OH)₃ может вступать в реакции и с кислотами, и со щёлочами. Амфотерность важна потому, что показывает: свойства соединения не всегда укладываются только в одну из двух групп — основных или кислотных.
Металлические и неметаллические свойства зависят от электронного слоя, который находится дальше всего от ядра. Именно его электроны обычно участвуют в химических связях. Если атом легко отдаёт такие электроны, сильнее выражены металлические свойства; если стремится принять их или притягивает электроны связи, сильнее неметаллические. Поэтому строение внешнего слоя помогает объяснить поведение элемента, а не просто запомнить его место в таблице.
В одном периоде число электронных слоёв остаётся постоянным, а заряд ядра при движении слева направо увеличивается. Притяжение между ядром и внешними электронами усиливается, поэтому отдавать их становится труднее. По этой причине металлические свойства ослабевают. Одновременно атомам проще принимать электроны или притягивать их в связи, и неметаллические свойства усиливаются.
В главной подгруппе при движении сверху вниз у атомов появляется всё больше электронных слоёв. Внешние электроны находятся дальше от ядра, а внутренние слои ослабляют его притяжение к ним. Поэтому внешние электроны удерживаются слабее и атомам легче их отдавать: металлические свойства усиливаются. Принимать чужие электроны и притягивать электроны связи, напротив, становится менее выгодно, поэтому неметаллические свойства обычно ослабевают.
Изменение свойств атомов отражается на их высших оксидах — соединениях элемента с кислородом, где элемент проявляет характерную для него наибольшую степень окисления. У металлов высшие оксиды чаще имеют основной характер, у неметаллов — кислотный; у некоторых элементов встречаются амфотерные оксиды. Соответствующие гидроксиды — соединения, в которых к элементу и кислороду присоединены группы OH, — также могут быть основными, кислотными или амфотерными. Например, оксиду серы SO₃ соответствует кислота H₂SO₄.
В начале периода находятся активные металлы: они легко отдают внешние электроны, поэтому их высшие оксиды и гидроксиды обычно основные. По мере усиления притяжения электронов характер соединений меняется: некоторые из них становятся амфотерными и могут реагировать как с кислотами, так и со щёлочами. Ближе к концу периода усиливаются неметаллические свойства, поэтому высшие оксиды и соответствующие гидроксиды обычно имеют кислотный характер. Так постепенное изменение строения атомов объясняет переход от основных свойств к кислотным.
| Направление изменения | Металлические свойства | Неметаллические свойства | Характер высших оксидов | Характер соответствующих гидроксидов |
|---|---|---|---|---|
| Слева направо в периоде | Ослабевают | Усиливаются | От основного через амфотерный к кислотному | От основного через амфотерный к кислотному |
| Сверху вниз в главной подгруппе | Усиливаются | Обычно ослабевают | Кислотный характер обычно ослабевает, основной усиливается | Кислотный характер обычно ослабевает, основной усиливается |
| Начало периода | Выражены сильнее | Выражены слабее | Преимущественно основные | Преимущественно основные |
| Середина периода | Уменьшаются по сравнению с началом | Увеличиваются по сравнению с началом | Возможны амфотерные | Возможны амфотерные |
| Конец периода | Ослаблены | Выражены сильнее | Преимущественно кислотные | Преимущественно кислотные |
Чтобы воспользоваться таблицей, сначала найдите направление сравнения элементов: они расположены в одном периоде или в одной главной подгруппе. Затем определите, в какой части периода находится элемент, и используйте тенденцию для предположения о характере его оксида и гидроксида. Это общие закономерности: для точного вывода учитывайте конкретный элемент и формулу соединения.
Условие. Сравнить металлические и неметаллические свойства натрия, магния и хлора и расположить элементы в порядке усиления неметаллических свойств. Нужно не искать отдельные численные значения, а установить, как элементы расположены относительно друг друга в таблице. Все три элемента находятся в третьем периоде.
Расположим элементы по возрастанию заряда ядра: натрий Na, магний Mg, хлор Cl. Следовательно, переход от натрия к магнию и далее к хлору идёт слева направо в одном периоде.
Применим закономерность периода: металлические свойства ослабевают слева направо. Значит, среди этих элементов наиболее выражены они у натрия, слабее — у магния, а у хлора выражены слабо.
Неметаллические свойства в том же направлении усиливаются. Поэтому натрий проявляет их слабее магния, а хлор — сильнее обоих металлов.
Ответ. Металлические свойства убывают в порядке Na > Mg > Cl, а неметаллические усиливаются в порядке Na < Mg < Cl. Значит, порядок усиления неметаллических свойств: натрий, магний, хлор. Вывод получен по положению элементов в одном периоде.
Условие. Определить характер высших оксидов и гидроксидов натрия, алюминия, серы и хлора. При сравнении важно не смешивать кислотный характер оксида с тем, является ли само вещество кислотой или основанием. Используем формулы оксидов и соответствующих гидроксидов.
Натрий — металл в начале периода. Его высший оксид Na₂O основной, а соответствующий гидроксид NaOH — основание.
Алюминий находится дальше по периоду, где металлические свойства уже слабее. Его оксид Al₂O₃ и гидроксид Al(OH)₃ амфотерные: могут проявлять и основные, и кислотные свойства.
Сера — неметалл. Её высший оксид SO₃ кислотный, ему соответствует серная кислота H₂SO₄.
Хлор расположен ближе к концу периода, а его высший оксид Cl₂O₇ имеет кислотный характер. Соответствующая ему кислота — HClO₄.
Ответ. Na₂O и NaOH имеют основной характер; Al₂O₃ и Al(OH)₃ — амфотерный; SO₃ и H₂SO₄, Cl₂O₇ и HClO₄ — кислотный. Такая последовательность соответствует усилению неметаллических свойств слева направо в периоде. Формулу гидроксида определяют отдельно для конкретного оксида.
Условие. Элемент главной подгруппы VI группы образует высший оксид ЭО₃. Нужно сравнить его свойства со свойствами элемента, расположенного выше в той же подгруппе, и оценить характер соединения. Формула показывает, что рассматривается высший оксид, но не указывает период элемента.
Обе части сравнения находятся в одной главной подгруппе. При движении вниз по ней добавляются электронные слои, поэтому внешние электроны слабее удерживаются ядром.
Следовательно, у расположенного ниже элемента металлические свойства выражены сильнее, а неметаллические обычно слабее, чем у элемента выше. Это относительное сравнение, а не утверждение, что любой такой элемент обязательно является типичным металлом.
Формула ЭО₃ показывает, что в оксиде на один атом элемента приходится три атома кислорода. Для элементов верхней части VI группы такой высший оксид имеет кислотный характер; при движении вниз по группе кислотный характер обычно ослабевает.
Ответ. Элемент ниже по подгруппе обычно более металлический и менее неметаллический, чем расположенный над ним. Оксид ЭО₃ у неметалла верхней части подгруппы кислотный; точное заключение о характере оксида конкретного элемента зависит от его положения в группе. Одной формулы без указания самого элемента недостаточно, чтобы однозначно определить все свойства соединения.
Ошибка: считать, что металлические свойства усиливаются при движении вправо. Эту закономерность иногда переносят на период, хотя усиление металлических свойств относится к движению сверху вниз в главной подгруппе. В периоде заряд ядра растёт при неизменном числе электронных слоёв, поэтому внешние электроны удерживаются сильнее. Проверьте себя: если сравниваются элементы одного периода, металлические свойства при движении вправо ослабевают.
Ошибка: переносить закономерность периода на группу. Направления изменения в периоде и группе различаются, потому что вниз по группе добавляются электронные слои. Из-за этого внешние электроны слабее притягиваются ядром, и металлические свойства обычно усиливаются. Перед выводом выясните, сравниваете ли вы элементы в одной строке или в одном столбце таблицы.
Ошибка: определять характер оксида только по формуле. Похожее отношение кислорода к элементу само по себе ещё не сообщает, является ли оксид основным, кислотным или амфотерным. Характер связан со свойствами элемента и его положением в периодической системе. Сверьте формулу с положением элемента и помните о возможных исключениях, например амфотерном Al₂O₃.
Ошибка: считать амфотерное соединение нейтральным. Так думают, потому что слово может восприниматься как отсутствие выраженных свойств. На самом деле амфотерное соединение проявляет и основные, и кислотные свойства в разных реакциях. Чтобы проверить себя, спросите, с какими веществами оно взаимодействует: с кислотами и со щёлочами.
Для понимания закономерностей нужны знания о строении атома, электронных слоях и устройстве периодической системы, в том числе о периодах и группах. Они помогают объяснить, почему атомы по-разному отдают или притягивают электроны. Эти сведения применяют, когда предсказывают формулы и свойства оксидов, гидроксидов, кислот и оснований. Позже они пригодятся при изучении химических связей, реакций и общей характеристики элементов.
Почему свойства элементов изменяются периодически?
При увеличении заряда ядра электроны заполняют оболочки по определённому порядку. Внешнее строение атомов через некоторое число элементов начинает повторяться, а вместе с ним повторяются и сходные свойства.
Почему в периоде металлические свойства ослабевают слева направо?
Слева направо заряд ядра растёт, а число электронных слоёв в пределах периода остаётся тем же. Ядро сильнее притягивает внешние электроны, поэтому атомам труднее их отдавать и легче притягивать электроны в связи.
Как определить, будет ли оксид основным, амфотерным или кислотным?
Сначала учитывают положение элемента: в периоде характер высших оксидов обычно меняется от основного к кислотному. Оксиды многих металлов основные, неметаллов — кислотные, а некоторые, например оксид алюминия Al₂O₃, амфотерные. Для точного вывода полезно также учитывать свойства соответствующего гидроксида.
Почему элементы одной главной подгруппы имеют сходные свойства?
У них одинаковое число электронов на внешнем слое. Эти электроны участвуют в образовании химических связей и во многом определяют свойства атомов, поэтому элементы одной главной подгруппы образуют сходные соединения.
Как по положению элемента предсказать свойства его соединений?
Определите период и главную подгруппу элемента, а затем оцените его металлические или неметаллические свойства. По этим признакам можно предположить формулу высшего оксида и характер его гидроксида: основный, амфотерный или кислотный. Это общий прогноз, который для конкретного вещества уточняют по его составу и свойствам.
§ 31. Свойства химических элементов и их соединений
