Периодичность свойств химических элементов

 

Современная формулировка периодического закона Д.И. Менделеева, как правило, такова: «Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер Z их атомов».

Наблюдаемая с увеличением порядкового номера элемента Z периодичность таких свойств атомов, как их размер, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления и другие, связанные с электронной конфигурацией атомов, представлена  на рис.3.2.

                   Радиус атома   R ат       Металлические свойства

 Энергня ионизации  I                   Основные свойства оксидов

Сродство к электрону E          Неметаллические свойства

Электроотрицательность ЭО    Кислотные свойства оксидов

Рис. 3.2. Периодичность изменения свойств элементов

главных подгрупп

Пример 1. Закономерности изменении энергий ионизации атомов элементов.

Объяснить ход изменения энергии ионизации (в эВ) в ряду Ве – В - С:

                                           Be           B     C

I₁. .. 9, 3  8, 3       11, 3

I₂. .. 18, 2  25, 2      24, 4

I₃. ..153, 9 37, 9      47, 9

 

Решение

Энергией ионизации I называют энергию, которую необходимо затратить для отрыва и удаления электрона от атома или иона.

Для данного атома или иона энергия, необходимая для отрыва и удаления первого электрона, называется первой энергией ионизации I ₁, второго - второй энергией ионизации I ₂ и т.д. Причем энергия ионизации последовательно уве-личивается в следующем порядке: I ₁ < I ₂ < I ₃ < ... < I_n, так как удаление элект-рона от электронейтрального атома происходит легче, чем от иона (см.табл.2 приложения).

Сравним электронно-графические конфигурации атомов 2-го периода бериллия ₄Ве, бора ₅В и углерода ₆С:

₄Ве…1s²2s²                     ₅В... 1s²2s²2p¹               ₆C.. . 1s²2s²2p²

      s       р                         s      p                     s      p

                                                                                 

n=2                                   n=2                              n=2

      s                                                        s                                                  s

n=1                                   n=1                               n=1

Энергия ионизации (I₁, I₂, I₃.) зависит от электронной конфигурации атома или иона. Схема отрыва электрона от атома и иона в ряду Ве – В – С представлена на рис.3.3.

Основная тенденция: I₁ < I₂ < I₃, как видно из табличных данных для каждого из атомов, сохраняется. Однако особенно резко возрастает энергия ионизации при отрыве электрона с главным квантовым числом мé ньшим, чем у пре-дыдущего электрона.

Рис. 3.3. Схема отрыва электрона от атома и иона в ряду Ве – В - С

Так, в случае бериллия Ве разность между I₁ (9, 3 эВ) и I₂ (18, 2 эВ) намного меньше, чем между I₂  и   I₃ (153, 9 эВ). Это связано с большей затратой энергии на удаление третьего электрона, находящегося, в отличие от двух предыдущих (n = 2) на более близком от ядра расстоянии (n = 1), и, кроме того, находящегося на подуровне полностью заполненном электронами (1s²) и обладающем повышенной устойчивостью.

Именно последняя причина – устойчивость подуровня полностью заполненного электронами – объясняет для атома бора В: почему (I₂-I₁) > (I₃-I₂), а для атома углерода С: почему (I₃-I₂) > (I₂-I₁).

Что же касается изменения энергии ионизации I по мере роста порядкового номера элемента Z, например, то на рис.3.2 приведена эта зависимость. Однако в пределах одного периода энергии ионизации атомов I₁ (I₂, I₃…) могут изменяться не монотонно. При этом могут наблюдаться вторичные максимумы, соответствующие электронной конфигурации атома, обладающей повышенной устойчивостью.

Так, в ряду первых энергий ионизации I₁, где в направлении от бериллия Be к углероду C повышается заряд ядра Z и уменьшается радиус атома:

₄Be           ₅B          ₆C,

               Rат, нм… 0, 113        0, 091     0, 077.

I₁ для атома бериллия (9, 3 эВ) соответствует повышенной энергии ионизации по сравнению с I₁ для атома бора В (8, 3 эВ). Это связано с тем, что атом бериллия Ве имеет устойчивую электронную конфигурацию с полностью за-полненным электронами 2 s – подуровнем. А у бора В, несмотря на возрастание заряда ядра Z и уменьшение радиуса атома, отрыв неспаренного 2 р – электрона требует меньшей затраты энергии.

По аналогии с этим, в ряду вторых энергий ионизации I ₂ повышенное значение I₂  имеет атом бора, а в ряду I₃ – атом углерода.

Пример 2. Определение энергии ионизации элемента

Рассчитать энергию ионизации натрия (кДж/моль), если потенциал ионизации натрия равен 5, 14 В.

Решение

Мерой энергии ионизации элемента может служить его ионизационный потенциал, представляющий собой наименьшее напряжение в вольтах (В), необходимое для отрыва электрона от атома и удаления его на бесконечно большое расстояние.

Потенциал ионизации, выраженный в вольтах, численно равен энергии ионизации ( I ), которую обычно выражают в электронвольтах* (эВ/атом). Но иногда энергию ионизации относят не к единичному атому, а к молю, т.е. к 6, 02× 10²³ атомов, и выражают в килоджоулях (кДж/моль).

Пользуясь соотношением между различными единицами энергии, находим: если 1 эВ = 1, 6× 10^{− 19} Дж, то 1 эВ/атом = 1, 6× 10^{− 22} кДж/атом.

А 1, 6× 10^{− 22}× 6, 02× 10²³ кДж/моль = 96, 5 кДж/моль.

Таким образом, 1эВ соответствует энергия ионизации 96, 5 кДж/моль.

Так как энергия ионизации атома натрия численно равна его ионизацион-ному потенциалу, то, используя соотношения между единицами энергии (см. выше), находим: I_Na = 5, 14× 96, 5 = 496 кДж/моль.

*) Примечание: 1 эВ равен энергии, которую приобретает электрон, проходя через поле с разностью потенциалов в 1 В.

 

Пример 3. Расчет относительной электроотрицательности элемента.

Вычислить относительную электроотрицательность брома, если энергия ионизации брома равна I_Br = 1140, 8 кДж/моль, а сродство брома к электрону равно E_Br = 3, 54 эВ/атом.

Решение

Электроотрицательность ( ЭО ) элемента характеризует способность атома присоединять электроны. Электроотрицательность определяют как арифметическую сумму энергии ионизации I и сродства к электрону Е, т.е.:

ЭО = I + E,

где Е – сродство к электрону – характеризуется энергией, которая выделяется или поглощается при присоединении электрона к нейтральному атому с образованием отрицательно заряженного иона. Е – выражается в тех же единицах, что и  I – энергия ионизации (см. табл.4 приложения).

 ЭО – электроотрицательность элемента имеет размерность слагаемых, из которых она образована, и может быть, следовательно, выражена в тех же единицах. Однако для удобства пользования значениями ЭО элементов при-нята система их относительных величин ( шкала Полинга ), в которой электро-отрицательность лития условно принята за единицу: ЭО_Li = 536, 0 кДж/моль.

Сродство брома к электрону равно: E_Br = 3, 54× 96, 5 = 341, 6 кДж/моль.

Тогда электроотрицательность брома будет равна:

ЭО_Br = I_Br + E_Br = 1140, 8+341, 6 = 1482, 4 кДж/моль.

А в относительных единицах (по Полингу) электроотрицательность брома равна: 1482, 4/536, 0 = 2, 8. Сравните полученную величину с ЭО _Br, приведенной в справочной литературе.

 

Задачи для самостоятельного решения

3-1. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов.

Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа.

3-2. Определить число протонов и нейтронов в следующих атомных ядрах:

3-3. Сколько различных видов молекул оксида углерода (IV) можно получить их изотопа углерода ¹²С и трех изотопов кислорода: ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О? Написать формулы всех оксидов и рассчитать их молярные массы.                                                                     (6 видов молекул)

3-4. Природный бром содержит два изотопа. Из них молярная доля изотопа ⁷⁹Br равна 50, 6 %. Какой ещё изотоп входит в состав брома, если средняя относительная масса элемента равна 79, 9?                                                                                                                              (⁸¹ Br)

3-5. Природный галлий состоит из изотопов ⁷¹Ga и ⁶⁹Ga. Определить, в каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя относительная атомная масса галлия равна 69, 72.                                                          (1: 1, 78)

3-6. Природный магний состоит из изотопов ²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg. Вычислить среднюю относительную атомную массу природного магния, если молярные доли изотопов соответственно равны 78, 6 %, 10, 1 % и 11, 3 %.                                                                               (24, 32)

3-7. Для атома с электронной конфигурацией 1s²2s²2p³ вписать в таблицу значения четырех квантовых чисел: n, l, m_l, m_s, характеризующих каждый из электронов в основном невозбужденном состоянии:

Номер электрона ……1 2 3 4 5 6 7

n...

l...

m_l...

m_s...

3-8. Энергетическое состояние внешнего электрона атома описывается следующими значениями квантовых чисел: n=3, l=0, m_l=0.

Атомы каких элементов имеют такой электрон?

3-9. В атоме элемента 5 электронных слоев и 7 внешних электронов. Какими квантовыми числами они характеризуются?

3-10. Определить по правилу Клечковского последовательность заполнения электронами подуровней в атомах элементов, если их суммы ( n + l ) соответственно равны 6, 7 и 8. Каков порядковый номер элемента, у которого:

а) заканчивается заполнение электронами 8 s - подуровня;

б) начинается заполнение электронами 5 d - подуровня?

 (4d®5p®6s; 4f®5d®6p®7s;

5f®6d®7p®8s; а) Z=120; б) Z=121)

3-11. Для скольких атомных орбиталей сумма (n+l)=8? Есть ли такие орбитали у элементов периодической системы? Атомы каких элементов имеют наибό льшее значение суммы (n+l)?

3-12. Указать среди приведенных ниже электронных конфигураций невозможные и объяснить причину невозможности их реализации:

1p³; 3p⁶; 3s²; 2s³; 2d⁵; 5d²; 3f¹²; 2p⁴; 3p⁷.

3-13. Какая из приведенных электронных конфигураций атома в основном невозбужденном состоянии является правильной?

а)                                                    б)

 

в)                                                    г)

 

д)

3-14. Написать полные и сокращенные электронные формулы атомов элементов по указанным координатам в периодической системе:

а) 4-ый период, VВ-подгруппа; г) 7-ой период, VB-подгруппа;

б) 5-ый период, IVА-подгруппа; д) 5-ый период, VIA-подгруппа;

в) 5-ый период, VIIВ-подгруппа; е) 6-ой период, VA-подгруппа.

3-15. Определить порядковый номер и название элемента по электронной конфигурации его валентных электронов:

а)…5s²5p⁴; б)…4d⁵5s¹; в)…6s²6p³;     

г)…4f⁷6s²; д)…5d¹6s²; е)…3s²3p⁶; ж)…4d¹⁰5s⁰. 

Привести полные электронные формулы атомов элементов.

3-16. Назвать элементы 4-го периода, атомы которых содержат наибольшее число неспаренных d - электронов. Написать их электронно-графические формулы и на этих примерах показать как действуют принцип Паули и правило Хунда.

3-17. Написать электронные формулы атомов элементов 4-го периода, имеющих по одному электрону на внешнем электронном уровне.

3-18. Написать электронные формулы атомов элементов 4-го периода – калия, скандия, кобальта, цинка и мышьяка. К какому семейству элементов они относятся?

3-19. Написать электронные формулы атомов элементов 5-го периода с порядковыми номерами Z = 37, 43, 48, 52 и 54. К какому семейству элементов они относятся?

3-20. Написать электронно-графические формулы атомов индия, германия и ванадия в основном и возбужденном состоянии.

3-21. На каком основании сера и хром, фосфор и ванадий расположены в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

3-22. Не пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева, изобразить полную электронно-графическую конфигурацию атома с массовым числом 112 по сокращённой формуле …4d¹⁰5s¹5p¹ и определить:

1. порядковый номер элемента Z;

2. количество нейтронов в ядре атома;

3. количество электронов в атоме;

4. количество протонов в ядре атоме;

5. номер группы в периодической системе;

6. подгруппу;

7. номер периода;

8. главное квантовое число электронов внешнего энергетического уровня;

9. количество орбиталей, полностью занятых электронами;

10. количество орбиталей, частично занятых электронами;

11. количество электронов на предпоследнем квантовом слое (уровне);

12. максимально возможную валентность элемента;

13. валентность элемента в основном (невозбужденном) состоянии атома;

14. формулу высшего оксида;

15. это основное или возбужденное состояние атома?

16. это металл или неметалл?

3-23. Написать электронные формулы элементов с порядковыми номерами Z=108 и Z=113 и указать, какое место они занимают в периодической системе.

3-24. Почему медь имеет меньший атомный объем, чем калий, расположенный в той же группе и том же периоде?

3-25. Рассчитать энергию ионизации алюминия (кДж/моль), соответствующую отрыву третьего электрона, если третий потенциал ионизации алюминия равен 28, 44 В.   (2742, 8 кДж/моль)

3-26. Энергия ионизации кислорода равна 1313, 0 кДж/моль. Вычислить ионизационный потенциал кислорода.   (13, 6 В)

3-27. Относительная электроотрицательность йода равна 2, 5, а его ионизационный потенциал 10, 45 В. Определить сродство йода к электрону.                            (332, 2 кДж/моль)

  3-28. Вычислить относительную электроотрицательность углерода, если первый ионизационный потенциал углерода равен 11, 26 В, а его сродство к электрону 2, 1 эВ. (2, 4)                                                                                         

3-29. У какого из элементов 5-го периода – молибдена или теллура – сильнее выражены металлические свойства и почему?

3-30. Какой из s - элементов IIA –подгруппы является более сильным восстановителем по отношению к хлору?

3-31. Исходя из величин потенциалов ионизации, указать, какой из приведенных элементов Li, Na, K, Rb, Cs является более сильным восстановителем.

3-32. Исходя из величин электроотрицательности, указать, какой из приведенных элементов F, Cl, Br, I является более сильным окислителем.

3-33. Указать, какое из двух соединений является более сильным основанием: а) NaOH или CsOH; б) Ca(OH)₂ или Ba(OH)₂; в) Zn(OH)₂ или Cd(OH)₂.

3-34. Как изменяется сила кислот в ряду: H₂SO₄ ® H₂SeO₄ ® ®H₂TeO₄?

3-35. Указать, какая из двух кислот является более сильной:

а) H₃PO₄ или H₃VO₄; б) HNO₃ или HasO₃; в) H₂SO₃ или H₂SeO₃.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: