ХИМИЯ 10

Сейчас мы можем дать более точное определение понятия группа.

Группа — вертикальный столбец элементов с одинаковым числом валентных электронов в атомах.

Таким образом, строгая периодичность расположения химических элементов в периодической системе полностью объясняется последовательным характером заполнения энергетических уровней и подуровней их атомов.

Главной характеристикой атома является положительный заряд ядра, который численно равен атомному номеру элемента.

Каждый химический элемент имеет свой атомный (порядковый) номер, находится в определённом периоде и определённой группе.

Горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания их атомных номеров, начинающийся щелочным металлом и заканчивающийся благородным газом, называется периодом.

Вертикальный столбец элементов, атомы которых имеют одинаковое строение внешних электронных слоев, называется группой.

Вопросы и задания

1.В чём причина периодичности изменения свойств атомов химических элементов?

2.Чем отличаются по электронному строению элементы групп А и В?

3.Дайте определение понятия «группа». На основе каких признаков элементы объединяют в одну группу? Как называются такие элементы?

4.Какие элементы называются s-элементами, а какие р-элементами? Какое число s- и р-элементов в каждом периоде? Сколько всего таких элементов в периодической системе?

5.Составьте электронные схемы атомов: а) Li и K; б) Cl и I. Нарисуйте их полные электронно-графические схемы и запишите сокращённые электронные формулы.

6.Назовите химические элементы и определите их положение в периодической системе (период, группа) по электронным конфигурациям:

а) 1s2 2s2; б) 1s2 2s2 2p6; в) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2.

7. Назовите химические элементы по электронным конфигурациям внешнего слоя их атомов: а) 3s2 3p6; б) 2s2 2p5. Приведите их полные электронные конфигурации и нарисуйте электронно-графические схемы.

72 Строение атома и периодический закон

§ 15. Периодичность изменения свойств атомов химических элементов и их соединений

Поскольку электронная конфигурация атомов химических элементов изменяется периодически с ростом заряда их ядер, все их свойства, определяемые электронным строением, закономерно изменяются по периодам и группам периодической системы. К таким свойствам относятся прежде всего различные характеристики атомов: атомные и ионные радиусы, электроотрицательность, степень окисления и др. Периодически изменяются также многие химические и физические свойства простых и сложных веществ, образованных элементамианалогами.

Атомные и ионные радиусы

С точки зрения квантовой механики атом не имеет строго определённых границ, так как орбитали, на которых расположены его электроны, также не имеют точных размеров. О размерах атомов и ионов судят по экспериментальным данным о расстояниях между соседними атомами в молекулах или кристаллах. Условно форму атома или иона считают шарообразной, поэтому количественной характеристикой их размера служит радиус.

Различают атомные радиусы и ионные радиусы. При этом радиусы положительных ионов (катионов) всегда меньше радиусов атомов соответствующих элементов, так как они образованы в результате отдачи электронов. Радиусы отрицательных ионов (анионов) больше радиусов атомов, поскольку они образовались путём присоединения дополнительных электронов. Например, радиус атома натрия Na — 189 пм, а иона натрия Na+ — 99 пм, радиус атома хлора Cl — 99 пм, а его иона Cl– — 181 пм (1 пм (пикометр) = 10–12 м).

Как изменяются радиусы атомов в группе и в периоде с ростом атомного номера элементов? У элементов, находящихся в одной группе, при переходе сверху вниз от одного элемента к другому увеличивается число электронных слоёв и, следовательно, увеличивается радиус как атомов, так и ионов.

Например, в группе щелочных металлов радиусы атомов: Li — 155 пм, Na — 189 пм, K — 236 пм, а ионов: Li+ — 68 пм, Na+ — 99 пм, K+ — 138 пм.

В периодах периодической системы по мере увеличения заряда ядра атомов увеличивается притяжение к нему электронов, находящихся на одном и том же электронном слое, что приводит к уменьшению радиуса атомов. Например, у

элементов третьего периода атомные радиусы уменьшаются от натрия до хлора — от 189 пм до 99 пм.

примера закономерности изменения некоторых свойств атомов и соединений элементов 3-го периода (табл. 8).

Таблица 8. Изменение свойств атомов элементов 3-го периода и их соединений

Как следует из таблицы, в периоде при переходе слева направо от одного элемента к другому происходит увеличение высшей степени окисления и понижение (по абсолютной величине) низшей степени окисления. Периоды начинаются щелочными металлами, которые образуют растворимые в воде основные

оксиды и гидроксиды. При переходе от одного элемента к другому наблюдается ослабление основных и усиление кислотных свойств высших оксидов и гидроксидов.

Элементы, расположенные в одной группе, имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек атомов и поэтому их атомы проявляют сходные химические свойства.

Такой характер изменения свойств в основном повторяется во всех периодах (кроме первого), следовательно, такое изменение свойств называется пе-

риодическим.

Таким образом, при последовательном увеличении зарядов атомных ядер периодически повторяется конфигурация внешних электронных оболочек и, как следствие, периодически повторяются химические свойства атомов элементов и их соединений. В этом заключается физический смысл периодического закона.

Атомные и ионные радиусы атомов элементов с ростом атомного номера уменьшаются в периодах слева направо и увеличиваются в группах сверху вниз.

С увеличением атомного номера в пределах каждого периода электроотрицательность возрастает, а в группе — уменьшается, т. е. металлические свойства атомов элементов в периоде ослабевают, а в группе — усиливаются.

Периодическое изменение свойств атомов химических элементов при увеличении положительного заряда ядер объясняется тем, что периодически повторяется строение внешних электронных слоёв атомов.

Вопросы и задания

1.Как изменяются радиусы атомов и ионов в группах и периодах периодической системы?

2.У атома какого элемента — хлора или брома — радиус больше? Как объяснить, что радиус атома серы больше, чем атома хлора?

3.Атомы каких элементов: а) лития или натрия; б) магния или фосфора — легче теряют электроны? Почему?

4.Дайте определение электроотрицательности элемента. Что характеризует эта величина? Как она изменяется по группам и периодам периодической системы?

5.В порядке увеличения электроотрицательности элементы расположены в ряду: а) C, I, B, Si; б) As, Se, Cl, F; в) Br, P, H, Sb; г) O, S, Se, Br. Выберите правильный ответ.

6.Что такое металличность и неметалличность элементов? Какой из двух элементов обладает более выраженными неметаллическими свойствами: а) C или Si; б) Cl или Br; в) N или P; г) S или Se?

7.Напишите формулы водородных соединений элементов группы VIIA. Вычислите,

какой объём иодоводорода необходимо взять, чтобы его масса была равна массе хлороводорода объёмом (н. у.) 11,2 дм3.

§ 16. Характеристика химического элемента по его положению в периодической системе и строению атома

Периодический закон и отражающая его периодическая система элементов представляют собой как бы краткое обобщение химии элементов и их соединений. Таблица периодической системы содержит сведения, позволяющие описать строение атомов химических элементов, предсказать состав, строение и свойства образованных ими простых веществ и наиболее характерных соединений: оксидов, соответствующих им гидроксидов, солей, летучих водородных соединений и т. д. Именно поэтому таблица периодической системы является непременной составляющей любого учебного и справочного пособия по химии.

В описании любого элемента особую роль играет его атомный номер Z, с которым связано положение элемента в периодической системе. Атомный номер даёт возможность знать не только порядковый номер элемента в периодической системе, но и его место в периоде и группе, а также электронное строение его атомов.

Описание любого химического элемента необходимо проводить по определённому алгоритму, т. е. соблюдая строгую последовательность действий. В этой последовательности главными этапами являются следующие:

а) общие сведения об элементе; б) определение положения элемента в периодической системе;

в) характеристика состава атомов элемента; г) описание электронного строения атомов; д) состав и свойства простого вещества;

е) состав и свойства кислородных и водородных соединений.

Составим более детальный алгоритм такого описания химического элемента.

1. Общие сведения об элементе:

а) название химического элемента; б) его химический знак; в) относительная атомная масса.

2.Положение химического элемента в периодической системе:

а) атомный номер; б) номер периода;

в) номер группы и её тип: А или В.

3.Состав атома:

а) заряд ядра атома; б) число протонов, электронов и нейтронов (для определённого нуклида).

4.Электронное строение атомов элемента:

а) электронная схема атома; б) электронная конфигурация атома;

в) электронно-графическая схема атома; г) электронная конфигурация внешнего энергетического уровня;

д) электронный тип элемента (s-, p-, d-, f-).

5.Состав и свойства простого вещества:

а) металл — неметалл; б) формула простого вещества;

в) агрегатное состояние при обычных условиях.

6.Степени окисления элемента в высших оксидах и летучих водородных соединениях. Электроотрицательность.

7.Формулы оксидов и соответствующих им гидроксидов. Характеристика кислотно-основных свойств этих соединений.

8.Формула летучего водородного соединения.

Охарактеризуем, согласно приведённому алгоритму, два химических элемента — натрий и фосфор.

Натрий

1.Название химического элемента — натрий, химический знак — Na, относительная атомная масса — 23.

2.Натрий — элемент с атомным номером 11, находится в 3-м периоде, в группе IA.

3.Заряд ядра атома натрия 11+, следовательно, в ядре находится 11 про-

тонов, общее число электронов также 11. В ядре нуклида натрия 2311Na содер-

жатся ещё 12 нейтронов.

Кратко состав этого атома выражается так:

2311Na 11p, 12n, 11e–.

4. Электронная схема атома натрия:

11Na 2e–, 8e–, 1e–.

Электронная конфигурация:

11Na 1s22s22p63s1 .

Электронно-графическая схема:

3s

2p ↑

2s ↑↓ ↑↓ ↑↓

1s ↑↓

11Na ↑↓

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня: 3s1, следовательно, это s-элемент.

5.Так как на внешнем энергетическом уровне у натрия находится 1 электрон, то этот элемент относится к группе металлов. Простое вещество при обычных условиях — твёрдый металл. Формула простого вещества — Na.

6.Степень окисления в высшем оксиде +1. Летучих водородных соединений не образует. Электроотрицательность натрия (Na) = 1,01.

7.Формула высшего оксида — Na2O, он имеет основный характер. Гидроксид, соответствующий ему, представляет собой основание NaOH, растворимое

вводе, т. е. щёлочь.

8.Летучего водородного соединения не образует.

Следующий элемент — фосфор — проанализируем по тому же алгоритму, но более сжато.

Фосфор

1.Фосфор P, Ar(P) = 31.

2.Z = 15. Положение в периодической системе: 15P — 3-й период, группа VA.

3.Состав атома (нуклида 31P): 3115P = 15p, 16n, 15 e–.

4.Электронная схема: 15P 2e–, 8e–, 5e–.

Электронная конфигурация: 15P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. Электронно-графическая схема:

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня: 3s23p3, p-элемент.

5.Фосфор — неметалл. При обычных условиях — твёрдое вещество; молекулярная формула — P4.

6.Степени окисления:

а) в высших оксидах — +5; б) в летучих водородных соединениях — –3.

Электроотрицательность: (P) = 2,1.

7.Формула высшего оксида — P2O5; кислотный. Формула высшего гидроксида — H3PO4 (фосфорная кислота).

8.Летучее водородное соединение — PH3.

Периодический закон Д. И. Менделеева — один из наиболее общих и фундаментальных законов природы. Он является основой развития не только химии, но и всего естествознания в целом, позволяет раскрывать новые закономерности природы и проникать в их суть.

Периодическая система химических элементов представляет собой естественно-научную классификацию элементов по электронному строению их атомов, на основе которой строится изучение химии и решение её практических задач.

Вопросы и задания

1.Опишите, согласно приведённому алгоритму, следующие химические элементы: а) бериллий; б) фтор; в) алюминий; г) сера; д) хлор; е) калий.

2.Чему равен атомный номер элемента, если электронная конфигурация внешнего

слоя атома: а) ...2s2 2p2; б) ...3s2 3p2; в) ...3s2 3p5? В каком периоде и в какой группе они находятся? Назовите их элементы-аналоги.

3.Напишите формулы высших оксидов и гидроксидов для всех элементов группы IVA. Какими свойствами обладают эти соединения?

4.При взаимодействии с водой оксида магния химическим количеством 3 моль выделяется 111 кДж теплоты, а при взаимодействии с водой оксида кальция химическим количеством 1,5 моль — 87,5 кДж. Какой из этих оксидов обладает более основными свойствами? Как это согласуется с положением магния и кальция в периодической системе?

5.* При взаимодействии металла группы IIA массой 8 г с водой выделился водород объёмом (н. у.) 4,48 дм3. Какой металл был взят?

6.Массовая доля кислорода в оксиде металла равна 0,471. Определите, какой это металл, если степень окисления его атомов в данном оксиде равна +3.

Глава IV

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

ИСТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

§17. Природа и типы химической связи. Ковалентная связь

При обычных условиях химические элементы существуют в форме различных атомных частиц (атомов или ионов) в составе простых и сложных веществ. Из них только простые вещества благородных газов (элементов группы VIIIA) являются одноатомными молекулами, а остальные представляют собой самые разнообразные соединения. Число атомов в таких соединениях колеблется от двух до сотен и тысяч. Взаимодействие, т. е. совокупность сил, которые обеспечивают существование таких агрегатов (молекул, радикалов, кристаллов и др.), получило название химическая связь.

Химическая связь — это взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в более сложные системы (молекулы, кристаллы и т. д.).

Причина образования химической связи — это стремление атомов путём взаимодействия с другими атомами достичь более устойчивого состояния, т. е. состояния с минимально возможным запасом энергии. Следовательно, основным условием образования химической связи является понижение полной энергии Е многоатомной системы по сравнению с суммарной энергией изолированных атомов. Например, в случае образования вещества АВ из атомов А и В

EAB < EA + EB.

Таким образом, образование химической связи всегда сопровождается выделением энергии.