Периодичность свойств химических элементов

Многие свойства химических элементов зависят от их электронной конфигурации. В их изменении по мере увеличения порядкового номера элемента проявляется периодичность. К таким свойствам атомов элементов относятся: атомный радиус, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления (валентность), оптические и магнитные свойства. Эти свойства позволяют предсказать и объяснить химические свойства элементов, которые также закономерно изменяются с ростом порядкового номера и периодически повторяются у элементов одной группы.

Радиусы нейтральных атомов. Наибольшими радиусами обладают атомы щелочных металлов, являющиеся сильнейшими восстановителями. По мере увеличения порядкового номера в периодах слева направо радиусы атомов постепенно уменьшаются.

Для переходных элементов (d-элементов) также происходит уменьшение радиусов атомов, однако немонотонно и гораздо меньше по сравнению с уменьшением, наблюдаемым для типичных элементов. Причина этого в том, что у переходных элементов электроны прибавляются во внутренний (n-1)dслой.

В шестом периоде у атомов лантаноидов при общем падении радиусов, приводящем к сжатию объемов атомов (эффект называется лантаноидной контракцией) — у атомов 63-го и 70-го элементов наблюдается увеличение радиусов. Это вызвано тем, что электроны заполняют наполовину или полностью 4f-подуровень (f7 и f14).

В группах s-, pи в третьей группе d-элементов радиусы атомов возрастают сверху вниз. В группах d-элементов, кроме третьей группы, радиусы изменяются не монотонно: от первого элемента в группе ко второму радиус атома несколько увеличивается, а от второго к третьему — практически не изменяется, что объясняется влиянием лантаноидной контракции.

Энергия ионизации атомов (I) равна энергии, которую необходимо затратить, чтобы перенести один электрон из атома в бесконечность с образованием положительного иона:

Na — e > Na+.

Измеряется энергия ионизации в кДж/моль или эВ/моль. Энергия ионизации служит количественной характеристикой восстановительной способности химических элементов.

В периодах слева направо энергия ионизации, в общем, возрастает, а восстановительная активность уменьшается.

В группах s-, p-элементов и в третьей группе d-элементов сверху вниз величины I уменьшаются и восстановительная активность увеличивается. В группах d-элементов, кроме третьей группы, энергия ионизации уменьшается, как правило, в обратном направлении, т. е. снизу вверх, и соответственно нарастают восстановительные свойства.

Сродство к электрону (Е) — энергия, которая выделяется при присоединении к нейтральному атому одного электрона с образованием отрицательного иона:

Cl + e > Cl;

Измеряется энергия сродства к электрону в кДж/моль или эВ/моль. Энергия сродства к электрону служит количественной характеристикой окислительной способности элементов.

Сродство к электрону возрастает по мере уменьшения радиуса, т. е. в периодах слева направо и в группах неметаллов — снизу вверх. В этих же направлениях происходит увеличение окислительной активности элементов.

Электроотрицательность (ЭО) определяется как способность атомов в молекуле или кристалле удерживать свои и притягивать чужие электроны. Общее стремление атома к присоединению электрона определяется полусуммой значений энергии ионизации и сродства к электрону.

В периодах ЭО возрастает слева направо; в группе ЭО больше у элемента, расположенного выше. Наиболее электроотрицательным из всех элементов является фтор.