Периодический закон и периодическая система д.И. Менделеева. Периодичность изменения радиусов атомов и ионов, энергии ионизации и сродства к электрону, электроотрицательности элементов.

Д.И.Менделеев (1870) сформулировал открытый им закон следующим образом: “Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса”

В определении свойств Д.И.Менделеев пользовался правилом среднего арифметического. Например: какие свойства должен иметь H₂S?

H₂O

PH₃ H₂S HCl

H₂Se

Находясь между сильной кислотой HCl и РH₃, который ни основных, ни кислотных свойств практически не проявляет, а также между амфотерной водой и кислотой средней силы H₂Se, он должен быть слабой кислотой. Это подтверждается значениями констант диссоциации: К_дисс. H₂Se (Ι)=1,7∙10^-4 и К_дисс. H₂S (Ι)= 6∙10^-8.

Современная формулировка периодического закона:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда атомных ядер в результате периодического повторения электронных конфигураций внешнего энергетического уровня.

Какие, конкретно, свойства?

Для атомов - атомный и ионный радиусы, электроотрицательность, степени окисления, энергия ионизации (потенциал ионизации), энергия сродства к электрону и т. д.

Для простых веществ и соединений: физические свойства - ковкость, твердость, коэффициент расширения, преломления, плотность;

химические свойства - металл - неметалл, формулы оксидов, гидридов, галогенидов, реакционная способность, теплоты образования соединений, сольватации и т.д.

Атомные и ионные радиусы. Радиусы атомов рассчитывают, исходя из межъядерных расстояний в твёрдых веществах или молекулах газов. Радиус катиона всегда меньше, а радиус аниона больше радиуса соответствующего электронейтрального атома.

Радиус, N⁺⁵ N⁰ N^-3

нм 0,015 0,071 0,148

увеличение

В пределах одного периода с увеличением заряда ядра проявляется тенденция к уменьшению атомных и ионных радиусов. Объяснить это можно тем, что с увеличением заряда ядра увеличивается сила притяжения электронов к ядру, которая превалирует над силами взаимного отталкивания электронов. В главных подгруппах (А) атомные радиусы, как правило, увеличиваются при увеличении номера периода (r_H = 0,037нм; r_Cs = 0,268 нм).

Подгр. А

п ериод уменьшение

увеличение

Энергия (потенциал) ионизации (I) – это минимальное количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы оторвать один электрон от нейтрального атома с образованием положительно заряженного иона.

Например:

Li 1s²2s¹ I₁ = 520,0 кДж/моль

I₂ = 7295,8 кДж/моль

I₃ = 11770,6 кДж/моль

Следует отметить, что энергия, необходимая для удаления второго электрона из атома лития, почти в 14 раз превышает энергию, необходимую для удаления первого электрона, а третьего почти в 23 раза.

Энергия ионизации в главных подгруппах (А) уменьшается, а в периодах увеличивается.

Подгр. А

п ериод увеличение

уменьшение

Чем меньше энергия ионизации для данного атома, тем выше восстановительная способность нейтральных атомов.

Атом Mg Ba

I, кДж/моль 738,1 502,7

Увеличение восстановительной способности

Энергия сродства к электрону (сродство к электрону Е_а) – количество энергии, которое выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому с образованием отрицательно заряженного иона A + e = A^-. Например,

Н⁰ + 1е = Н^- Е_а(Н) = 73 кДж/моль (энергия выделяется)

1s¹ 1s²

Чем больше сродство к электрону, тем выше окислительная способность данного атома.

Атом Ba Cl

E_а, кДж/моль -47 348,7

Увеличение окислительной способности

Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно. Из этого следует, что для металлов присоединение электронов энергетически не выгодно. Сродство же к электрону атомов неметаллов всегда положительно и наиболее высокое у атомов галогенов. Энергия сродства к электрону по периоду увеличивается, а по подгруппе (А) уменьшается.

Подгр. А

п ериод увеличение

уменьшение

Электроотрицательность (c) – характеризует способность атома в молекуле смещать электронную плотность химической связи на себя. Мерой электроотрицательности является полусумма энергии ионизации и сродства к электрону. Вычисление по формуле c=1/2(I₁ + E_a) предложено Малликеном. Трудность применения такого способа нахождения c состоит в том, что сродство к электрону определено лишь для немногих атомов.

Принято пользоваться относительными значениями электроотрицательности по шкале Полинга, в которой за единицу принято абсолютное значение электроотрицательности атома лития. Максимальное значение электроотрицательности у фтора, равное 4.

С увеличением порядкового номера электроотрицательность атомов элементов в периодах увеличивается, а в подгруппах (А) снижается.

Подгр. А

п ериод увеличение

уменьшение

Периодичность изменения свойств легко продемонстрировать, двигаясь вдоль периода: Li - металл, далее металлические свойства убывают; фтор - неметалл, не говоря уж об инертных газах. Добавив еще один положительный заряд к ядру, вновь получаем металл - натрий, свойства которого подобны свойствам атома лития.

 

14