Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 2. Явище періодичної зміни властивостей елементів і їхніх сполук на основі уявлень про електронну будову атомів

Інформаційна довідка

• Хімічний елемент — це вид атомів з однаковим зарядом ядра.

• Періодичною системою називають упорядковану множину хімічних елементів та їх класифікацію.

• Існують різні варіанти графічного зображення періодичної системи. Найбільш вживаними є дві табличні форми — коротка і довга. У структурі обох варіантів таблиці розрізняють періоди та групи.

• Період — горизонтальний ряд елементів, розташованих у порядку зростання порядкових номерів, який розпочинається лужним металічним елементом і закінчується інертним елементом. Виняток становлять перший період, який починається Гідрогеном і містить лише два елементи, і останній, який ще не завершений, а тому інертний елемент у ньому відсутній.

• В обох варіантах періодичної системи по сім періодів, їх позначено арабськими цифрами від 1 до 7.

• Група — вертикальний стовпчик елементів, подібних за властивостями та формою їхніх сполук. У короткій системі 8 груп, у межах яких здійснено розподіл елементів на головну і побічну підгрупи.

• У довгому варіанті періодичної системи груп 18, їх позначено літерами А та Б. У групах А розташовані ті самі хімічні елементи, що в головних підгрупах короткої системи, групи Б відповідають складу побічних підгруп.

ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН — ЗАГАЛЬНИЙ ЗАКОН ПРИРОДИ. Відкритий у 1869 р. закон посів чільне місце серед загальних законів природи. Формулювання закону його відкривачем Дмитром Івановичем Менделєєвим відрізняється від сучасного. Учений класифікував хімічні елементи на основі характеристики, притаманної всім без винятку хімічним елементам і незмінної під час хімічних явищ — атомної ваги (так у часи Д. І. Менделєєва називали атомні маси) хімічних елементів.

Який період не розпочинається лужним металічним елементом, а який не завершується інертним елементом?

Формулювання періодичного закону Д. І. Менделєєвим: властивості простих речовин, а також властивості сполук хімічних елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних ваг.

Пригадайте, перестановку яких хімічних елементів було зроблено в періодичній системі, щоб ця закономірність не порушувалася.

Встановлення вченими складної будови атома підтвердило, що періодичний закон описує залежність між будовою атомів і властивостями хімічних елементів та їхніх сполук. Виявилося, що всі без винятку хімічні елементи розташовані в періодичній системі за зростанням заряду ядер їхніх атомів. Це дало підстави для такого сучасного формулювання періодичного закону:

властивості хімічних елементів, а також утворених ними сполук перебувають у періодичній залежності від величини зарядів ядер їх атомів.

Порівняно з іншими загальними законами природи в періодичного закону відсутній кількісний вираз у вигляді формули чи рівняння, що його відображають. Натомість цей єдиний із-поміж інших законів має графічне вираження у вигляді періодичної системи хімічних елементів.

ПЕРІОДИЧНА ЗМІНА ВЛАСТИВОСТЕЙ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Місце кожного хімічного елемента в періодичній системі чітко визначене (виняток становить Гідроген, його розташовують і в першій, і в сьомій групах). За кожним елементом закріплений його порядковий номер — протонне число.

Протонне число від елемента до елемента постійно змінюється, збільшуючись на одиницю. Властивості хімічних елементів та утворених ними сполук також змінюються, але періодично. Вдамося до конкретних прикладів (табл. 4).

Таблиця 4

Порівняння елементів третього періоду, простих і складних речовин, утворених ними

Ознаки порівняння

Елементи третього періоду

11Na

12Mg

13Аl

14Si

15Р

16S

17Cl

18Ar

Формула простої речовини

Na

Мg

Аl

Si

Р4, Рn, P

S8

Cl2

Ar

Група простих речовин

метали

неметали

Формула вищого оксиду і відповідного йому гідрату оксиду

Na2O

NaOH

МgО

Мg(ОН)2

Аl2О3

Аl(ОН)з

SiO2

H2SiO3

P2O5

H3PO4

SO3

H2SO4

Cl2O7

HClO4

Хімічні властивості оксиду

основні

амфотерні

кислотні

Леткі сполуки з Гідрогеном

SiH4

PH3

H2S

HCl

У тому, що розглянуті зміни носять періодичний характер, переконує схожість властивостей Флуору (порядковий номер 9) з властивостями Хлору (порядковий номер 17), а також Брому, що розташований у періодичній системі під номером 35.

Пригадайте і назвіть відомі вам спільні властивості галогенів.

Періодична зміна властивостей характерна й для металічних елементів. Так, властивості Літію 3Li — елемента другого періоду, Натрію 11Na — елемента третього періоду, і розташованого у четвертому періоді Калію 19K періодично (через вісім хімічних елементів) повторюються:

  • 1) утворені ними прості речовини — найактивніші метали, тому в ряді активності розташовані першими;
  • 2) їхні оксиди мають загальну формулу Ме2О, активно взаємодіють з водою, утворюючи гідроксиди загальної формули МеОН;
  • 3) гідроксиди лужних елементів належать до лугів і є сильними електролітами.

У чому ж причина періодичної зміни властивостей хімічних елементів та їхніх сполук?

Попрацюйте групами

Завдання 1. Розгляньте малюнок 4, що стосується будови атомів лужних елементів Літію, Натрію, Калію. Знайдіть спільні і відмінні риси у зображеній будові електронних оболонок атомів. Переконайтесь, що в атомах лужних елементів однакова кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні.

Мал. 4. Схеми будови електронних оболонок атомів лужних елементів

Мал. 5. Схеми будови електронних оболонок атомів галогенів

Завдання 2. Складіть електронні формули атомів Літію, Натрію, Калію, і ви побачите, що все це — s-елементи. Тому для них можемо зробити такий загальний запис електронної формули зовнішнього енергетичного рівня: ns1.

Завдання 3. Знайдіть спільні і відмінні риси в будові електронних оболонок атомів Флуору, Хлору, Брому, зображених на малюнку 5. Запишіть, скільки електронів міститься в атомах галогенів на зовнішньому енергетичному рівні.

Завдання 4. Виконайте завдання, аналогічне завданню 2, але для галогенів. Складіть загальну електронну формулу зовнішнього енергетичного рівня атомів галогенів.

Завдання 5. Висловте судження про причину подібності властивостей лужних елементів та їхніх сполук, галогенів та їхніх сполук.

Періодична зміна властивостей елементів і їхніх сполук пов'язана з особливостями будови атомів хімічних елементів. Елементи з подібними властивостями й однаковою формою оксидів, гідроксидів, летких сполук з Гідрогеном мають однакову електронну конфігурацію зовнішнього енергетичного рівня, яка з певною періодичністю повторюється.

ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА Й БУДОВА АТОМА. З'ясування фізичної суті періодичного закону значно розширило інформаційну функцію періодичної системи:

  • порядковий номер (атомний номер, протонне число) хімічного елемента вказує на величину заряду ядра атома, кількість протонів у ядрі та кількість електронів в електронній оболонці атома;
  • за різницею між відносною атомною масою хімічного елемента та його порядковим номером встановлюють кількість нейтронів у ядрі атома;
  • номер періоду збігається з кількістю енергетичних рівнів (електронних шарів) в електронній оболонці атома;
  • атоми хімічних елементів однієї підгрупи мають однакову кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні (електронному шарі);
  • в атомах елементів головних підгруп (груп А) кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні збігається з номером групи;
  • вища валентність хімічного елемента груп А у сполуках дорівнює номеру групи (існують винятки);
  • для визначення валентності неметалічних елементів у сполуках з Гідрогеном потрібно від 8 відняти номер групи.

Сторінка ерудита

Радіус атома (простого йона). Внаслідок того, що електрон одночасно виявляє властивості і мікрочастинки, і хвилі, атом не має чітких меж. Тому безпосередньо виміряти абсолютні розміри атомів неможливо. Їхні радіуси було розраховано теоретично.

Радіусом атома називається відстань від центра ядра до сферичної поверхні електронної оболонки, ймовірність перебування на якій електронів зовнішнього енергетичного рівня найбільша.

Що більша кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома, то більший його радіус. Та це не означає, що за наявності в елементів одного періоду однакової кількості енергетичних рівнів їх радіуси однакові. Теоретичні розрахунки показали, що в межах одного періоду зі збільшенням заряду ядра радіуси атомів не збільшуються, а дещо зменшуються. Так, радіус атома Літію становить 0,157 нм, тоді як радіус атома Флуору — елемента одного з Літієм періоду — 0,042 нм. Це можна пояснити тим, що в періоді зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента послідовно зростає заряд ядра і кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Електрони зі збільшенням заряду ядра притягуються до нього сильніше, і тому в періоді радіус атомів поступово зменшується.

В атомів хімічних елементів одного періоду кількість електронних шарів однакова, а радіуси різні: зі збільшенням протонного числа вони дещо зменшуються.

В елементів малих періодів зменшення радіусів відбувається помітніше, ніж це має місце у великих періодах.

У головних підгрупах зі збільшенням протонного числа елементів (згори вниз) зростає кількість енергетичних рівнів, а отже й радіус. У межах однієї підгрупи простежується протилежна закономірність — зі збільшенням заряду ядра радіуси атомів збільшуються. У Літію радіус атома становить 0,157 нм, а в Рубідію, що розташований в одній підгрупі з Літієм, — 0,265 нм.

Зміна радіусів атомів у групах пояснює зміну металічних властивостей елементів однієї групи. Що далі від ядра розташовані валентні електрони (задіяні в утворенні хімічного зв'язку), то вони менше притягуються до ядра, а значить, їх легше віддавати. Через це металічні властивості, що обумовлені здатністю елементів віддавати електрони, у групах зростають. Водночас неметалічні властивості елементів у групах зі збільшенням радіуса атомів (порядкового номера) зменшуються.

З огляду на розглянуте серед усіх хімічних елементів найбільш активним металічним елементом є Францій (оскільки Францій у природі не виявлений, а добутий штучно ядерним синтезом, то серед наявних у природі елементів найбільш активний металічний елемент — Цезій). А найбільш активний неметалічний елемент — Флуор.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Наведіть сучасне формулювання періодичного закону.
  • 2. Що спільного в електронній будові атомів елементів підгрупи Карбону?
  • 3. Що спільного в електронній будові атомів галогенів?
  • 4. Схарактеризуйте структуру короткої і довгої форм періодичної системи.
  • 5. Назвіть два хімічних елементи однієї з Нітрогеном підгрупи і три хімічні елементи одного з Ферумом періоду.

Застосовуємо

  • 1. На підставі сучасного формулювання періодичного закону, поясність, чому Аргон, атомна маса якого більша за атомну масу Калію, розташований у періодичній системі вісімнадцятим, а не дев'ятнадцятим.
  • 2. Поясніть причину періодичної зміни властивостей елементів і їхніх сполук. Проілюструйте конкретними прикладами.
  • 3. Як ви поясните, що Магній і Кальцій мають однакову загальну формулу оксиду та гідроксиду й характеризуються схожими хімічними властивостями.
  • 4. З якою періодичністю та які хімічні елементи мають подібні з Літієм властивості? Відповідь підтвердьте формулами речовин і прикладами рівнянь реакцій.