Характеристика элементов по положению в Периодической системе - Теоретический материал - НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Общая характеристика металлов главных подгрупп I—III групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов

Все металлы имеют металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы и (значительно меньше) атомы металлов. Валентные электроны, осуществляя химическую связь между ионами, превращают кристалл металла в единое целое. Общность химических свойств металлов обусловлена особенностями строения их атомов: сравнительно большими атомными радиусами, слабым притяжением валентных электронов к ядру, низкими значениями энергий ионизации. Характерное химическое свойство всех металлов — их восстановительная активность. Во всех химических реакциях атомы металлов отдают электроны, проявляя восстановительные свойства. Восстановительные свойства металлов весьма различны и зависят от положения элементов в Периодической системе.

Главную подгруппу I группы (группу IA) образуют щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. На внешнем уровне атомов щелочных металлов содержится по одному валентному электрону ns¹. Приведем полные и сокращенные электронные формулы их атомов:

Наличие одного валентного (внешнего) электрона объясняет существование единственной степени окисления щелочных металлов в соединениях, равной +1.

С увеличением радиуса атома от Li к Fr энергия ионизации атомов уменьшается, следовательно, наблюдаемая химическая активность металлов в этом ряду увеличивается. Щелочные металлы среди всех металлов обладают наибольшей химической активностью, являясь очень сильными восстановителями.

Химическая связь в соединениях щелочных металлов — ионная. Ионные кристаллические решетки образуют гидриды щелочных металлов (NaH, КН), галогениды (NaCl, КВr), оксиды (Na₂O), соли (NaNO₃, K₂SO₄), гидроксиды (NaOH) и т.д. Оксиды и гидроксиды элементов IA группы проявляют сильноосновный характер, гидроксиды МОН относятся к щелочам. Сила оснований возрастает в ряду от LiOH к CsOH. Соли щелочных металлов не подвергаются гидролизу по катиону.

Главную подгруппу II группы (IIА группу) образуют элементы бериллий, магний и щелочноземельные металлы кальций, стронций, барий и радий. На внешнем уровне атомы этих элементов имеют по два электрона (общая электронная конфигурация ns²), обуславливая степень окисления +2:

Простые вещества в свободном виде менее реакционноспособны по сравнению с щелочными металлами. Химическая активность возрастает при переходе от бериллия к радию. Оксид и гидроксид бериллия обладают амфотерными свойствами, оксиды и гидроксиды остальных элементов IIА группы проявляют свойства оснований. Сила оснований по ряду Ве(ОН)₂ — Rа(ОН)₂возрастает. Если соли бериллия существенно гидролизованы в растворе, то соли магния — лишь в малой степени, а соли остальных металлов IIА группы не подвергаются гидролизу.

Типичным представителем элементов IIIA группы является алюминий. Электронная конфигурация внешнего уровня атома алюминия 3s²3p¹. Три валентных электрона обуславливают характерную степень окисления алюминия +3. По значению стандартного электродного потенциала алюминий должен относиться к химически активным металлам, однако прочная оксидная пленка уменьшает наблюдаемую химическую активность. Алюминий легко взаимодействует как с простыми, так и со сложными веществами (кислотами, солями). Возможна также реакция с водой и щелочами. Оксид и гидроксид алюминия относятся к амфотерным соединениям, легко взаимодействуя как с кислотами, так и с щелочами. Соли алюминия в водном растворе подвергаются гидролизу.

Характеристика переходных элементов — меди, цинка, хрома, железа по их положению в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностям строения их атомов

Особенностью атомов переходных элементов является заполнение электронами внутренних d- или f-подуровней. Элементы, в атомах которых достраивается (n-1)d-подуровень, называют d-элементами. Элементы, в атомах которых достраивается (n-2)f-подуровень, называют f-элементами. Переходные элементы образуют побочные подгруппы (В группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Все переходные элементы образуют простые вещества-металлы.

Валентными в атомах переходных элементов являются внешние s- и пред внешние d-электроны, что предполагает наличие нескольких степеней окисления и разнообразие в химических свойствах d-элементов.

Типичными переходными элементами являются медь, цинк, хром, железо. Электронные конфигурации атомов этих элементов, а также проявляемые ими степени окисления приведены в таблице 6.

Таблица 6

Элемент	Группа	Электронная конфигурация	Степени окисления
Сr	VIB	[Ar]3d54s1	+2, +3, +6
Fe	VIIIB	[Ar]3d64s2	+2, +3, +6
Сu	IB	[Аr]3d104s1	+1, +2
Zn	IIB	[Ar]3d104s2	+2

Обращает на себя внимание “проскок” электрона в атомах хрома и меди с внешнего на предвнешний уровень.

Анализ изменения кислотно-основных свойств соединений переходных элементов показывает, что с повышением степени окисления элемента основные свойства его оксидов и гидроксидов уменьшаются, а кислотные свойства возрастают. Так, в ряду соединений хрома производные в степени окисления +2 проявляют отчетливые основные свойства, в то время как в степени окисления +6 — кислотные свойства. Производные в степени окисления +3 — типичные амфотерные соединения:

Анализ изменения окислительно-восстановительных свойств показывает, что производные в низких степенях окисления могут проявлять заметные восстановительные свойства, в то время как в высших степенях окисления — сильные окислительные свойства. Так, в ряду соединений железа производные в степени окисления +2 являются хорошими восстановителями, а в степени окисления +6 — сильными окислителями:

В то же время соединения железа (III) могут проявлять и восстановительные, и окислительные свойства.

Общая характеристика неметаллов главных подгрупп IV—VII групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов

Элементы-неметаллы располагаются в правом верхнем углу Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. К неметаллам относятся:

Период	Группа
	IIIA	IVA	VA	VIA	VIIA	VIIIA
1					H	He
2	В	С	N	O	F	Ne
3		Si	Р	S	Cl	Ar
4		Ge	As	Se	Br	Kr
5			Sb	Те	I	Xe
6					At	Rn

Общая электронная конфигурация валентных электронов атомов неметаллов ns²np^1-6 объясняет многообразие степеней окисления неметаллов в их соединениях.

По сравнению с металлами атомы неметаллов имеют большее число электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, имеют большую тенденцию к присоединению электронов до скорейшего завершения внешнего энергетического уровня. Отсюда — ярко выраженная окислительная способность неметаллов и высокие значения электроотрицательностей их атомов.

Водород — первый элемент в Периодической системе Д.И. Менделеева, помещаемый обычно и в IA группу (вместе с щелочными металлами), и в VIIA, группу (вместе с галогенами). Это объясняется особенностями его электронного строения. Атом водорода имеет электронную конфигурацию 1s¹, сходную с электронной конфигурацией атомов щелочных металлов (ns¹). В то же время атому водорода, как и атомам галогенов, не хватает до завершения внешнего уровня одного электрона. Поэтому водород может проявлять две степени окисления: +1 (как щелочные металлы) и -1 (как галогены). Примерами таких соединений являются:

Галогены — элементы VIIA группы. К галогенам относятся фтор, хлор, бром, иод и астат. Астат — радиоактивный элемент, полученный искусственно, в природе практически не содержится. Многие свойства астата изучены недостаточно.

Атомы галогенов характеризуются аналогией в строении внешней электронной оболочки. Все галогены имеют внешнюю электронную конфигурацию ns²np⁵:

Сходство в строении внешней электронной оболочки объясняет и сходство в свойствах самих галогенов.

Так, все галогены — окислители. Атомы галогенов стремятся присоединить электрон до завершения внешнего энергетического уровня, поэтому все галогены образуют устойчивые производные в степени окисления -1. Поскольку фтор является самым электроотрицательным элементом, он проявляет единственную степень окисления -1. Остальные галогены образуют производные и в положительных степенях окисления: +1, +3, +5 и +7.

Молекулы галогенов двухатомны. В ряду простых веществ: фтор — хлор — бром — иод температуры кипения и плавления возрастают.

Элементы кислород, сера, селен, теллур и полоний образуют VIA группу. Первые 4 из них имеют неметаллический характер, полоний относится к металлам. Элементы VIA группы имеют одинаковую электронную конфигурацию валентных электронов ns²np⁴. До завершения внешнего уровня не хватает двух электронов, поэтому низшая степень окисления кислорода, серы, селена и теллура равна -2. Высшая степень окисления равна номеру группы, а именно +6. Для кислорода не существует производных в высшей степени окисления. Для кислорода возможны степени окисления -1 (в пероксидах Н₂O₂, Na₂O₂, ВаO₂), +1 и +2 (во фторидах кислорода O₂F₂ И OF₂). В ряду кислород, сера, селен, теллур, полоний увеличивается радиус атома, уменьшается энергия ионизации, уменьшается электроотрицательность. По химическим свойствам кислород и его аналоги — типичные неметаллы, хотя и менее активные, чем галогены.

Элементы азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут образуют VA группу. С увеличением атомного радиуса по подгруппе увеличивается атомный радиус, уменьшается энергия ионизации, уменьшается электроотрицательность. Это приводит к ослаблению неметаллических и к возрастанию металлических свойств — так, висмут относится к металлам. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня ns²np³ объясняет существование низшей степени окисления -3 и высшей, равной +5. Степень окисления -3 проявляется в водородных соединениях состава Н₃Э, положительные степени окисления характерны для оксидов, гидроксидов (кислот) и солей, например Э₂O₃, Э₂O₅, Э(ОН)₃, НЭO₂.

Элементы углерод, кремний, германий, олово и свинец образуют IVА группу. Радиусы атомов увеличиваются от углерода к свинцу, энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются. Это приводит к ослаблению неметаллических свойств и к усилению металлических. Так, углерод и кремний относятся к типичным неметаллам, у германия появляются признаки металлических свойств, а олово и свинец являются металлами. Степени окисления неметаллов IVA группы могут быть от низшей, равной -4, до максимально возможной +4. Наряду с этими степенями окисления существуют устойчивые производные и в степени окисления +2. Оксиды углерода и кремния(IV) проявляют кислотные свойства, оксиды остальных элементов этой группы амфотерны.