Периодичность изменения свойств элементов и их соединений

Периодичность - это повторяемость химических и некоторых физических свойств у простых веществ и их соединений при изменении порядкового номера элементов. Она связана, в первую очередь, с повторяемостью электронного строения атомов по мере увеличения порядкового номера (а, следовательно, заряда ядра и числа электронов в атоме).

Химическая периодичность проявляется в аналогии химического поведения, однотипности химических реакций. При этом число валентных электронов, характерные степени окисления, формулы соединений могут быть разными. Периодически повторяются не только сходные черты, но и существенные различия химических свойств элементов по мере роста их порядкового номера.

Некоторые физико-химические свойства атомов (потенциал ионизации, атомный радиус), простых и сложных веществ могут быть не только качественно, но и количественно представлены в виде зависимостей от порядкового номера элемента, причем для них периодически проявляются четко выраженные максимумы и минимумы.

Вертикальная периодичность заключается в повторяемости свойств простых веществ и соединений в вертикальных столбцах Периодической системы. Это основной вид периодичности, в соответствии с которым все элементы объединены в группы. Элементы одной группы имеет однотипные электронные конфигурации. Химия элементов и их соединений обычно рассматривается на основе этого вида периодичности. В пределах каждой подгруппы сверху вниз радиусы атомов увеличиваются и соответственно уменьшаются ионизационный потенциал, сродство к электрону и электроотрицательность, т. е. уси­ливаются металлические свойства простых веществ.

Горизонтальная периодичность заключается в появлении максимальных и минимальных значений свойств простых веществ и соединений в пределах каждого периода. Она особенно заметна для элементов VIIIБ-группы и лантаноидов (например, лантаноиды с четными порядковыми номерами более распространены, чем с нечетными). Для элементов главных подгрупп по периоду слева направо умень­шаются радиус атома и увеличиваются ионизационный по­тенциал, сродство к электрону и электроотрицательность, т. е, уменьшаются металлические и усиливаются неметаллические признаки. Соответственно свойства про­стых веществ изменяются от типичного металла — щелоч­ного до типичного неметалла — галогена, после чего пе­риод завершается благородным газом.

Диагональная периодичность - повторяемость свойств простых веществ и соединений по диагоналям Периодической системы. Она связана с возрастание неметаллических свойств в периодах слева направо и в группах снизу вверх. Поэтому литий похож на магний, бериллий на алюминий, бор на кремний, углерод на фосфор.

В результате объединения вертикальной, горизонтальной и диагональной периодичности появляется так называемая звездная периодичность. Так, свойства германия напомина ют свойства окружающих его галлия, кремния, мышьяка и олова. На основании таких " геохимических звезд" можно предсказать присутствие элемента в минералах и рудах.

Многие свойства элементов в группах изменяются не монотонно, а периодически, особенно для элементов IIIA-VIIA-групп. Такое явление носит название вторичной периодичности. Так, германий по своим свойствам больше похож на углерод, чем на кремний.

В ряду d -элементов происходит уменьшение радиуса атомов, которое на­зывают «d - сжатием». Эта общая закономерность приводит к уменьшению радиуса атома вниз по подгруппе, начиная с III груп­пы.

Изменение свойств элементов побочных подгрупп по пе­риодам и группам имеет свои особенности. Десять d -элементов каждого большого периода располагаются в III—VIII и I—II группах. Число внешних электронов для них обыч­но равно двум (ns ²), а иногда одному (пs¹). Это различие объясняется эффектом так называемого «проскока» электро­на. Энергетически более выгодны наполовину или полно­стью заполненные d -подуровни (d ⁵ и d ¹⁰), поэтому когда до завершения таких конфигураций не хватает одного элект­рона, он переходит в d -подуровень с внешней s -орбитали: d ⁴ s ² → d ⁵ s ¹ (Сr, Мо), d ⁹ s ² → d ¹⁰ s ¹ (Сu, Аg, Au).

Заполнение d - и особенно f -подуровня экранирует внеш­ний электронный слой от ядра, что приводит к сравнитель­но небольшому уменьшению радиуса атомов этих элементов и соответственно их свойства меняются не так резко по пе­риоду, как свойства элементов главных подгрупп. Все они являются металлами и отрицательных степеней окисления не проявляют.

Характерной особенностью d -элементов является их способность к образованию химической связи за счет элект­ронов (n - 1) d -подуровня. Первый и пос­ледний члены ряда d -элементов имеют постоянную и устойчивую степень окисле­ния, равную номеру группы. Промежуточные элементы проявляют переменную степень окисления, а устойчивость максимальной из них падает в ряду слева направо, и вместе с тем возрастают окисли­тельные свойства соответствующих соединений.

Элементы III группы, начинающие ряд d -элементов в периоде (Sс, I, La, Ас), по своим свойствам являются пере­ходными от предшествующих им s -элементов к d -элементам Их металлические свойства и основной характер соединений, также как и в главных подгруппах, усиливается сверху вниз. Начиная с IV группы свойства d -элементов внутри груп­пы меняются иначе и в соответствии с общей для них зако­номерностью сверху вниз уменьшаются их металлические свойства и активность простых веществ. В том же направле­нии повышается устойчивость высоких степеней окисления, кислотный характер гидроксидов и склонность элементов к образованию анионных комплексов.

Благодаря эффекту «лантаноидного сжатия» радиусы атомов d -элементов, находящихся в одной группе, но в разных периодах (5-м и 6-м), практически остаются одина­ковыми, что приводит к такому сходству между ними, за которое их иногда называют элементами-близнецами.

 

Задачи:

1. Как изменяются радиусы атомов, ионизационные потенциалы, сродство к электрону и электроотрицатель­ность элементов внутри периода и при переходе от одного периода к другому в пределах данной группы? Атомы каких элементов имеют максимальные и минимальные значения этих величин?

2. Как изменяются металлические и окислительно-восстановительные свойства элементов главных под­групп по периодам и в пределах одной группы? Что явля­ется причиной этих изменений? Назовите два резко отличающиеся по своим свойствам элемента: а) одного и того же периода, б) одной и той же группы.

3. Какие из s -элементов в виде простых веществ явля­ются: а) газообразными неметаллами, б) металлами? Какой из них образует амфотерные оксид и гидроксид?

4. Приведите примеры p -элементов, которые в виде простых веществ являются металлами и неметаллами. На­зовите гидроксиды элементов, относящиеся к классу кис­лот, оснований, проявляющие кислотно-основную двой­ственность,

5. Какое место в периодической системе занимают два элемента, один из которых характеризуется наибольшим значением ионизационного потенциала и электроотрица­тельности, а другой — наименьшим значением этих вели­чин?

6. Почему свойства таких элементов, как углерод и сви­нец, азот и висмут, калий и бром, хлор и аргон, магний и неон резко отличаются друг от друга?

7. Как изменяется конфигурация валентных электро­нов и максимальная степень окисления s - и p -элементов в периоде и как это связано с порядковым номером и номером группы?

8. Как изменяется конфигурация валентных электро­нов, максимальная степень окисления и ее устойчивость в ряду d -элементов периода? Для каких d -элементов число валентных электронов и максимальная степень окисления совпадают с номером группы, меньше и больше номера груп­пы?

9. На примере элементов 4-го периода покажите и объяс­ните, почему максимальная степень окисления d -элементов сначала возрастает, а затем уменьшается. Какие d -элементы имеют постоянную степень окисления?

10. Сравните изменение свойств р- и d -элементов в пе­риоде и в пределах группы. Чем объяснить сходство: а) d -элементов III группы с р -элементами той же группы, б) лантаноидов, в) актиноидов.

11. В каких степенях окисления d -элементы проявляют определенное сходство с р -элементами той же группы? По­кажите это на примере элементов VI и VII групп.

12. В атомах каких элементов осуществляется так назы­ваемый «проскок» электронов? Объясните причину этого эффекта.

13. Чем определяется большое сходство d -элементов 5-го и 6-го периодов, находящихся в одной и той же группе?

14. Почему гидроксид лития по силе основных свойств, растворимости и способности отщеплять воду при нагрева­нии проявляет сходство с гидроксидами магния и кальция?

15. Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов s - и p -элементов в периоде? Объясните причину и покажи­те различие в свойствах гидроксидов первого и предпослед­него элемента 3-го периода.

16. Почему основные свойства гидроксида галлия вы­ражены не сильнее, а слабее основных свойств гидроксида алюминия?

17. Покажите и объясните различие в окислительно-восстановительных свойствах однотипных соединений марган­ца и рения, например перманганата и перрената калия.

18. Зная закономерность в изменении свойств элементов в побочных подгруппах, объясните, почему природные соединения хрома и вольфрама не однотипны: основная руда первого элемента — хромистый железняк Fе(СrО₂)₂, а второго шеелит СаWО₄.

19. Какой из оксидов должен быть более сильным окис­лителем: ТiO₂ или Мn₂О₇, СrО₃ или WО₃?

20. Укажите, какая из двух сравниваемых щелочей более хи­мически активна: а) NаОН или СsОН; б) Са(ОН)₂ или Ва(ОН)₂?

21. Какой из двух сравниваемых оксидов обладает более ясно выраженным кислотным характером: а) Сr₂О₃ или СrО₃; б) МnО или Мn₂О₇?

22. Укажите характер оксидов железа: FеО, Fе₂О₃ и FеО₃. Напишите химические формулы железной кислоты и ее солей: феррата калия и феррата бария.

 

Задачи для самостоятельного решения:

1. Пользуясь таблицей элементов, напишите формулы:

а) угольной, кремниевой, ванадиевой, вольфрамовой, ниобиевой, свинцовой, висмутовой, рениевой кислот (по типу метакислот);

б) гидроксида, сульфата и ортофосфата индия;

в) гидроксида франция, нитрата технеция, карбоната цезия, астатоводорода, ванадата калия, ниобата натрия, титаната кальция.

2. Учитывая, что элементы Ве, Zn, А1 образуют амфотерные гидроксиды, напишите химические формулы соединений:

а) нитрата бериллия, бериллиевой кислоты, бериллата калия;

б) гидроксида цинка, сульфата цинка, цинката натрия;

в) гидроксида алюминия, нитрата алюминия, мета- и ортоалюминиевых кислот, метаалюмината натрия, ортоалюмината калия.

3. Гидроксид хрома Сr(ОН)₃ амфотерен. Напишите формулы: а) сульфата хрома; б) ортохромистой кислоты и ортохромита нат­рия; в) метахромистой кислоты и метахромита кальция.

4. С каким элементом более сходен молибден по свойствам — с селеном или с хромом? Чем это объясняется?

5. Исходя из положения элементов в периодической системе, определите: а) у какого из гидроксидов — Sn(ОН)₂ или Pb(ОН)₂ — более выражены основные свойства; б) какая из солей гидролизуется в большей степени; станнат натрия или плюмбат натрия; в) какой из оксидов является более сильным окислителем: SnO₂ или РbО₂?

6. Какими химическими свойствами обладает искусственно полученный элемент с порядковым номером 87? С каким из элементов периодической системы он наиболее сходен?

Занятие №9.