Периодичен закон и периодична таблица на химичните елементи
ПЕРИОДИЧЕН ЗАКОН И ПЕРИОДИЧНА СИСТЕМА
Основата на съвременната химия е периодичният закон, откритпрез 1869 г.от Д. И. Менделеев, чието графично представяне е периодичната таблица (PS).
Според теорията за структурата на атомаосновната характеристика на атомаеположителният заряд на ядрото, който определяброя на електронитев атома и неговатаелектронна структура. Химичните свойства на атомите и техните съединения се определят главно от структурата навъншните енергийни нива. Зарядът на ядрото на атома определя всички свойства на елемента и неговото положение в PS.
Следователно съвременната формулировка на ПП е следната:
Свойствата на атомите на химичните елементи, както и съставът и свойствата на образуваните от тях прости и сложни вещества са в периодична зависимост от зарядите на атомните ядра.
Увеличаването на заряда на ядрото на атомите на елементите от +1 до +118 води до постепенно "изграждане" на електронната структура на атомите, докато структурата на електронните обвивки периодично се променя и повтаря, и тъй като свойствата на елементите зависят от структурата на електронната обвивка (предимно външното енергийно ниво), те също периодично се променят и повтарят.Това е физическото значение на PZ.
В ПС всички химични елементи са подредени във възходящ редядрен заряд, което отговаря на т.нар. атомен (пореден) номер (PN) на химичен елемент.Това е физическото значение на PN.
Структурата на ПС е свързана с електронната структура на елементите. В зависимост от това кое енергийно подниво е последно запълнено с електрони, се разграничаватчетири семействаелементи: за елементиs-иp-семействапоследните са запълнени съответно с s и p-поднива на външното енергийно ниво: y d-елементи - d-подниво на предпоследното енергийно ниво, f-елементи - f-подниво на третото външно енергийно ниво.
Седемте хоризонтални реда на PS се наричат периоди, вертикалните редове се наричат групи.
Период- последователен ред от елементи, подредени във възходящ ред на зарядите на ядрата на техните атоми), чиято електронна конфигурация на външното енергийно ниво се променя отns1доns2np6(за 1 период от1s1до1s2). В този случай номерът на периода съвпада с номера на външното енергийно ниво. Тези. за елементи от същия период електроните запълват същия брой енергийни нива, равен на броя на този период.Това е физическото значение на числото на периода.
Елементите, които имат подобна електронна структура, са групирани в колони, наречени групи. За елементи отA-групи (основни), s и p-поднивана външнотоенергийно ниво се запълват последни, заB-групи (вторични)елементи,d- и f-поднива на второ и третовъншноенергийно ниво, съответно, се запълват последни.
Елементи от A- и B-групи с еднакъв номер (например VIA и VIB) се различават по свойства, но имат известно сходство (например съставът и свойствата на висшите оксиди и хидроксиди: CrO3 и SO3 са киселинни оксиди, H2CrO4 и H2SO4 са силни киселини). Това се дължи на факта, че броят навалентните електрони(електрони, способни да образуват химични връзки) за елементите А и В групите с еднакъв номер е еднакъв, но за елементите от А групите електроните на външното енергийно ниво са валентни иелементи в групи - електрони на външните и предпоследните енергийни нива. Това е основната разлика между елементите от групи А и В. По този начин номерът на групата показва броя на валентните електрони.Това е физическото значение на номера на групата.
Групатае вертикален ред от елементи, подредени по ред на увеличаване на зарядите на атомните ядра, които съдържат еднакъв брой валентни електрони.
ПЕРИОДИЧНОСТ НА СВОЙСТВАТА НА АТОМИТЕ НА ХИМИЧНИТЕ ЕЛЕМЕНТИ
Атомни и йонни радиуси:
От гледна точка на квантовата механика атомът няма строго определени граници, така че е невъзможно да се установят неговите абсолютни размери.
В химическата практика най-широко използвани са така нареченитеефективни радиуси- ковалентни, метални, йонни - изчислени от експериментални данни от междуядрени разстояния в молекули или кристали. Така че радиусите на катионите винаги са по-малки от радиусите на съответните неутрални атоми, а радиусите на анионите са по-големи, т.к. катиони се образуват, когато се даряват електрони, а аниони се образуват, когато се добавят електрони (Rcat Rat).
Понастоящем се използва и понятието"орбитален радиус"- теоретично изчисленото разстояние от ядрото до главния максимум на електронната плътност на външната орбитала. Орбиталният радиус е характеристика на свободен, химически несвързан атом.
За елементи от една и съща PS група, когато се движат отгоре надолу с увеличаване на заряда на ядрото, броят на енергийните нива се увеличава, което означава, че разстоянието от външните електрони до ядрото се увеличаварадиусът на атомите и йоните се увеличава.
За елементи от същия период, с увеличаване на положителния заряд на ядрото при движение отляво надясно (→), силата на привличане на електрони към ядрото се увеличава, коетоводи до намаляване на атомните и йонните радиуси.
Йонизираща енергия. Енергия на електронен афинитет (електронен афинитет):
Способността на атомите на химичните елементи да дават или прикрепват електрони определя проявлението на метални или неметални свойства от атома. Тази способност зависи от електронната структура на атома, неговия радиус и силата на привличане на електрона към ядрото.
Йонизационна енергия (Eи, I)- минималната енергия, необходима за отделяне на най-големия слабо свързан електрон от невъзбуден атом
Изразено в kJ/mol. Определя се от заряда на ядрото, радиуса на атома и конфигурацията на външните електронни обвивки.
По период, отляво надясно, с увеличаване на ядрения заряд и намаляване на атомния радиус, Eисе увеличават. В А-групи, отгоре надолу, с увеличаване на атомния радиус, Euнамалява.Йонизационната енергия (Ei) характеризира проявата наметаличноств атомите на елемента. Колкото по-малък е Ei, толкова по-изразена е способността на атома да отдава електрони, неговите редуциращи и метални свойства.
Металните и редуциращите свойства на атомите намаляват отляво надясно през периода и се увеличават отгоре надолу в групата.
Количествена характеристика на способността на атомите да присъединяват електрони е енергията на електронен афинитет Eср, F).
Енергията на електронен афинитете енергията, която се освобождава, когато електрон е прикрепен към неутрален атом
E o + ē → E - + Esr
Колкото повече Еср, толкова по-лесно атомът прикрепя електрони и толкова по-силно се проявяват неговите окислителни и неметални свойства на елементите.
Обикновено се изразява в kJ/mol.
В периоди отляво надясно с увеличаване на заряда на ядрото и намаляване на радиуса на атомаEavнараства, в групата отгоре надолу с увеличаване на атомния радиус Еavнамалява.
Така че Ecp на повечето метали е малък или дори отрицателен, така че те не образуват стабилни аниони.
Неметалните и окислителните свойства на елементите нарастват отляво надясно в период и намаляват в група отгоре надолу.
Атомите получават или отдават електрони в процеса на химично взаимодействие. Комплексна характеристика на атома, отчитаща способността му да прикрепя и отдава електрони, е електроотрицателността - EO (χ).
EO на елементе условна стойност, която характеризира способността на неговите атоми в химични съединения да привличат електрони от партньорски атоми (тези, с които този атом е пряко свързан).
Стойността на EO зависи от Eu и Esr и може да бъде опростена, за да бъде определена
За практическа оценка на тази способност на атомите се използва условна скала на относителна електроотрицателност. Според нея най-ЕО елементът е F, а най-малко ЕО е Fr.
Очевидно е, че в периода отляво надясно с намаляване на радиуса на атома и увеличаване на Eии Eсрсе увеличава NEO, настъпва намаляване и засилване на окислителните свойства, а в групата отгоре надолу с увеличаване на радиуса на атома и намаляване на Eии EсрНЕО намалява,има отслабване на окислителните и засилване на редукционните свойства на атомите на химичните елементи.
Според стойността на OEE, даден елемент може да бъде приписан на метали или неметали.
Като правило, неметалите имат стойности на EER по-големи от 2 (според други източници, повече от 1,7). Разположени са в А-групите на дясната горна част на ПС над условния диагонал В - Ат. За метали, стойността на OEE
Характеристиките на атомите на елементите - Eu, Esp, χ - са пряко свързани с видовете химични реакции, в които могат да влизат атомите на тези елементи, както и с видовете и свойствата на веществата, които образуват.
С промяната на електронната конфигурация на атомите на елементите за периода от ns1до ns2np6най-високата степен на окисление на атомите на елементитесе променя(от +1 до +7 (+8)), което води до промяна в състава и свойства на висшите оксиди и хидроксиди. Тази промяна също е периодична.
По време на периодаотляво надясно, с намаляване на металните свойства на атомите на елементите и образуваните от тях прости вещества, иманамаляване на основнитесвойства на оксидите и хидроксидите и съответно технитекиселинни свойства се увеличават.
В групатаотгоре надолу, с намаляване на неметалните и увеличаване на металните свойства на атомите на елементите, иманамаляване на киселиннитеиувеличаване на основнитесвойства на оксидите и хидроксидите.
Този преход обикновено се осъществява чрез така нареченитеамфотерни хидроксиди, способни да се дисоциират както като киселина, така и като основа.
Най-ниската степен на окисление на металите е 0, а на неметалите - (Група No - 8), т.е. се определя от броя на електроните, липсващи до завършване на външното енергийно ниво.И така, когато електронната конфигурация на неметален атом се промени отns2np2доns2np5, най-ниското състояние на окисление се променя от -4 на -1. Тази промяна също е периодична. Това води до периодична промяна в състава и свойствата налетливите водородни съединения на неметалите(RH4, RH3, H2R, RH).
Киселинно-базовият характер на техните водни разтвори се променя, както следва: отляво надясно киселинните свойства се увеличават през периода поради увеличаване на NEO на неметала, което води до увеличаване на полярността на R - H връзката; отгоре надолу, киселинните свойства също се увеличават в резултат на увеличаване на атомните радиуси, което води до увеличаване на дължината на R-H връзката и нейното отслабване.
Металите не образуват летливи водородни съединения, техните хидриди са солеподобни (NaH, CaH2) или металоподобни.
Промяната в свойствата на химичните елементи и техните съединения може да се илюстрира с примера на периоди 2 и 3: