Какие свойства характерны для атома na
Положение металлов в периодической системе
В перечне простых веществ, составленном великим французским химиком Лавуазье в 1789 г. присутствует 17 металлов, в первом варианте периодической таблицы Д.И. Менделеева (1869) – их уже 47. Из 114 химических элементов 92 являются металлами. В традиционном варианте Периодической системе элементы-металлы расположены в начале периодов, а также в побочных подгруппах. Условной границей, отделяющей металлы от неметаллов, служит прямая, проведенная от бора до астата в длинном варианте периодической таблицы. Металлы оказываются левее и ниже этой прямой, неметаллы – правее и выше, а элементы, находящиеся вблизи прямой имеют двойственную природу, иногда их называют металлоидами. В Периодической системе, утвержденной ИЮПАК, металлы расположены в 1-12 группах.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Атомы металлов на внешнем уровне содержат не более четырех электронов, как правило, от одного до трех. Отдавая эти электроны, они приобретают устойчивую оболочку ближайшего инертного газа:
$Ca^0 hspace{10pt}-2bar{e}rightarrow Ca^{+2}$
$overbrace{1s^22s^22p^63s^23p^64s^2}hspace{10pt}-2bar{e}rightarrowoverbrace{1s^22s^22p^63s^2 3p^6}$
Таким образом, металлы в химических реакциях являются восстановителями – они приобретают положительную степень окисления. В этом заключается их принципиальное отличие от элементов-неметаллов.
Определение
Способность атома элемента смещать на себя электроны химической связи называют электроотрицательностью.
Вследствие низких значений электроотрицательности металлы легче отдают электроны, чем притягивают их, и, следовательно проявляют восстановительные свойства.
Слова «металл» и «неметалл» применимы не только к химическим элементам, но и к простым веществам. Например, говоря, что простое вещество является металлом, мы подразумеваем не только что оно состоит из атомов элемента-металла, но и определенную общность физических (металлический блеск, пластичность) и химических (восстановитель) свойств. Металлические свойства простых веществ убывают при движении по периоду слева направо, а по группе – снизу вверх. В наибольшей степени металлические свойства выражены у элементов главной подгруппы I группы Периодической системы – щелочных металлов. Их атомы настолько легко отдают валентный электрон, что в природе эти элементы встречаются исключительно в виде соединений.
Кристаллическая решетка и металлическая связь
Металлы имеют металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой расположены отдельные атомы. Они слабо удерживают валентные электроны, которые по этой причине свободно перемещаются по всему объему металла, формируя единое электронное облако и в равной степени притягиваются всеми атомами. Такая связь называется металлической.
Общие свойства металлов – пластичность, способность отражать свет, тепло- и электропроводность – объясняются особенностями их строения. При сильном надавливании кусок металла изменяет форму – часть атомов смещается, но не рассыпается: общее электронное облако прочно удерживает все атомы вместе. В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, такое упорядоченное движение электронов называют электрическим током.
Чем больше в металле свободных электронов и чем сильнее колебания атомов, находящихся в узлах решетки, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всем куске металла, то есть тем больше его теплопроводность. Поэтому относительные значения тепло- и электропроводности для многих металлов близки.
Физические свойства металлов
Агрегатное состояние и температуры плавления. Температуры плавления металлов меняются в очень широких пределах. Самый легкоплавкий из металлов – ртуть – при комнатной температуре является жидкостью. Металл галлий плавится от теплоты человеческого тела. Из металлов широко применяемых в технике, наиболее легкоплавкие – олово и свинец. Наибольшую температуру плавления имеет вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания лампочек. Металлы с температурой плавления выше $1000^oC$ принято называть тугоплавкими.
ртуть галлий вольфрам
Окраска. Среди металлов немногие обладают характерной окраской. «Золото через свой изрядно желтый цвет и блещущую светлость от прочих металлов отлично», – писал Михаил Васильевич Ломоносов. Медь имеет розово-красный цвет, серебро и платина – белый, щелочной металл цезий – бледно-желтый. Для описания цвета других металлов трудно подобрать слова. Все они кажутся нам серыми с тем или иным едва заметным оттенком.
медь литий
Плотность. Металлы сильно различаются по плотности. Наиболее легкими являются щелочные металлы литий, натрий и калий. Литий плавает даже на поверхности керосина – жидкости с плотностью меньшей плотности воды. Металлы с плотностью ниже 5 г/см$^3$ называют легкими. К ним, помимо щелочных и щелочно-земельных металлов, принадлежат магний, алюминий и другие. В число наиболее тяжелых входят переходные металлы, расположенные в шестом периоде, а также актиноиды. Ртуть, например, имеет плотность 13,6 г/см$^3$, то есть литровая банка, заполненная ртутью, весит 13,6 кг!
Твердость вещества оценивают по его способности оставлять царапину на другом веществе. Наиболее твердым веществом является алмаз – он оставляет след на любых поверхностях. Из металлов по твердости к алмазу приближается хром – он царапает стекло. Наиболее мягкие металлы – щелочные. Они легко режутся ножом. Мягкими являются также свинец, олово, цинк, серебро.
Электро- и теплопроводность. Все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток. Наибольшей электропроводностью обладает серебро, немного уступают ему медь и золото. Серебро – очень дорогой металл. Его используют в электротехнике при изготовлении высокоточных дорогостоящих приборов. Самые хорошие провода, применяемые в быту, медные. Они во много раз превосходят по самим характеристикам провода, изготовленные из алюминия. При прохождении через металл электрического тока часть электрической энергии преобразуется в тепловую – металл нагревается. Использование алюминиевых проводов при больших нагрузках на электрическую сеть может привести к их плавлению. Особенно опасны места стыка алюминиевых и медных проводов – они нагреваются намного быстрее. Неисправная электропроводка является причиной многих пожаров.
Пластичность. Многие металлы пластичны, то есть обладают способностью изменять форму, например, расплющиваться при ударе молотком. Наибольшей пластичностью обладают золото, серебро, медь, олово. Их можно раскатывать в фольгу.
Фольга из меди Фольга из золота
Источник
Элементы-неметаллы расположены в конце периодов, и имеют электронную конфигурацию внешнего слоя, близкую к конфигурации ближайшего инертного газа или равную ей. Таким образом, до достижения этой конфигурации атомам элементов-неметаллов не хватает от нуля до четырех электронов, поэтому в химических реакциях они являются окислителями.
В периодической системе элементы-неметаллы расположены выше диагонали, проведенной от бора к астату. Все они входят в состав главных подгрупп.
В наибольшей степени свойства неметаллов проявляют галогены – элементы главной подгруппы VII группы и халькогены – элементы главной подгруппы VI группы.
Рассмотрим электронное строение некоторых неметаллов.
В атоме хлора 17 электронов распределено по трем энергетическим уровням. Два внутренних электронных слоя полностью заполнены, находящиеся на них электроны не принимают участия в химических реакциях. На внешнем энергетическом уровне находится 7 электронов. Эти электроны являются валентными, то есть атом может отдавать их в химических реакциях.
Максимальная степень окисления хлора как раз и равна +7, то есть она реализуется в том случае, если атом отдаст все семь электронов. Однако для хлора, как и для других неметаллов, более характерно принимать электроны, чем отдавать их. Принимая один электрон, атом хлора превращается в ион $mathrm{Cl^-}$ c конфигурацией инертного газа аргона.Такой ион в отличие от атома хлора гораздо более устойчив и гораздо менее вреден для организма (он содержится в поваренной соли, а свободный хлор – это отравляющее вещество). Таким образом, минимальная степень окисления хлора равна –1. Она реализуется в соединениях с металлами и водородом.
Атом кислорода содержит всего восемь электронов, занимающих два энергетических уровня. Внешние электроны (их число для неметаллов всегда равно номеру группы, в которой находится элемент, у кислорода 6) обычно участвуют в образовании химических связей.
Однако кислород не способен в химической реакции отдать все 6 электронов, то есть степень окисления +6 (высшая для элементов шестой группы) для него недостижима. Будучи типичным неметаллом, кислород имеет тенденцию принимать электроны. Для приобретения электронной конфигурации ближайшего инертного газа неона ему не хватает двух электронов. Принимая их, атом кислорода становится отрицательно заряженным ионом $mathrm{О^{2-}}$, то есть приобретает степень окисления –2. Именно она и характерна для кислорода.
Атом азота содержит на один электрон меньше, чем атом кислорода. Соответственно, у него всего 5 валентных электронов. Высшая степень окисления этого элемента равна +5 (например, в оксиде $mathrm{N_2O_5}$), а низшая –3 (в аммиаке $mathrm{NH_3}$).
Физические свойства неметаллов
Простые вещества-неметаллы, как правило, не обладают металлическим блеском, не проводят электрический ток, являются плохими проводниками тепла. Среди них есть газы ($mathrm{O_2, N_2, O_3}$), жидкости ($mathrm{Br_2}$), твердые вещества ($mathrm{С, Р_4}$). Таким образом, в противоположность металлам, для неметаллов нельзя выделить обших свойств, некоторые из них, подобно металлам, имеют даже металлический блеск (йод). Химическая связь в простых веществах – ковалентная неполярная, они имеют либо молекулярную, либо атомную кристаллические решетки. Для неметаллов характерно явление аллотропии.
Определение
Аллотропия – существование элемента в форме различных простых веществ, различающихся либо строением и составом молекул (кислород и озон), либо способом упаковки (алмаз и графит).
Например, фосфор имеет следующие аллотропные модификации:
Источник
Общая характеристика
неметаллов.
Неметаллы ― химические элементы, которые
образуют простые тела, не обладающие свойствами, характерными для металлов.
Качественной характеристикой неметаллов является электроотрицательность.
Электроотрицательность ― это способность
поляризовать химическую связь, оттягивать к себе общие электронные пары.
К неметаллам относят 22 элемента.
Положение неметаллических
элементов в периодической системе химических элементов
| Группа | I | III | IV | V | VI | VII | VIII |
| 1-й период | Н | He | |||||
| 2-й период | В | С | N | O | F | Ne | |
| 3-й период | Si | P | S | CL | Ar | ||
| 4-й период | As | Se | Br | Kr | |||
| 5-й период | Te | I | Xe | ||||
| 6-й период | At | Rn |
Как видно из таблицы,
неметаллические элементы в основном расположены в правой верхней части
периодической системы.
Строение
атомов неметаллов
Характерной особенностью
неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на
внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность
к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой
окислительной активности, чем у металлов. Особенно сильные окислительные
свойства, т. е. способность присоединять электроны, проявляют неметаллы,
находящиеся во 2-ом и 3-м периодах VI-VII групп. Если сравнить расположение
электронов по орбиталям в атомах фтора, хлора и других галогенов, то можно
судить и об их отличительных свойствах. У атома фтора свободных орбиталей нет.
Поэтому атомы фтора могут проявить только валентность I и степень окисления ―
1. Самым сильным окислителем является фтор.
В атомах других галогенов, например в атоме хлора, на том же энергетическом уровне
имеются свободные d-орбитали. Благодаря этому распаривание электронов может
произойти тремя разными путями. В первом случае хлор может проявить степень
окисления +3 и образовать хлористую кислоту HClO2, которой
соответствуют соли ― хлориты, например хлорит калия KClO2. Во втором
случае хлор может образовать соединения, в которых степень окисления хлора +5.
К таким соединениям относятся хлорноватая кислота HClO3 и ее соли ―
хлораты, например хлорат калия КClO3 (бертолетова соль). В третьем
случае хлор проявляет степень окисления +7, например в хлорной кислоте HClO4
и в ее солях, ― перхлоратах (в перхлорате калия КClO4).
Строения
молекул неметаллов. Физические свойства неметаллов
В
газообразном состоянии при комнатной температуре находятся:
·
водород
― H2;
·
азот
― N2;
·
кислород
― O2;
·
фтор
― F2;
·
хлор
― CI2.
И
инертные газы:
·
гелий
― He;
·
неон
― Ne;
·
аргон
― Ar;
·
криптон
― Kr;
·
ксенон
― Xe;
·
радон
― Rn).
В жидком ― бром ― Br.
В твердом:
·
бор ―
B;
·
углерод
― C;
·
кремний
― Si;
·
фосфор
― P;
·
сера
― S;
·
мышьяк
― As;
·
селен
― Se;
·
теллур
― Te;
·
йод ―
I;
·
астат
― At.
Гораздо богаче у неметаллов и
спектр цветов: красный ― у фосфора, бурый ― у брома, желтый ― у серы,
желто-зеленый ― у хлора, фиолетовый ― у паров йода и т. д.
Самые типичные неметаллы имеют
молекулярное строение, а менее типичные ― немолекулярное. Этим и объясняется
отличие их свойств.
Состав и свойства простых
веществ – неметаллов
Неметаллы образуют как
одноатомные, так и двухатомные молекулы. К одноатомным
неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми
активными веществами. Инертные газы расположены в VIII группе периодической
системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He,
Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.
Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это H2, F2,
Cl2, Br2, Cl2 (элементы VII группы
периодической системы), а также кислород O2 и азот N2. Из
трехатомных молекул состоит газ озон (O3).
Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую
формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом
различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах
затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с
металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов.
Химические формулы, при этом, записываются без индексов: C, Si, S и т. д.
Такие простые вещества, как озон и кислород, имеющие одинаковый качественный состав
(оба состоят из одного и того же элемента ― кислорода), но различающиеся по
числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не
имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время
грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый
качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий,
алмаз твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его
качественным составом, но и тем, сколько атомов содержится в молекуле вещества
и как они связаны между собой. Неметаллы в виде простых тел находятся в твердом
или газообразном состоянии (исключая бром ― жидкость). Они не имеют физических
свойств, присущих металлам. Твердые неметаллы не обладают характерным для
металлов блеском, они обычно хрупки, плохо проводят электрический ток и тепло
(за исключением графита). Кристаллический бор В (как и кристаллический кремний)
обладает очень высокой температурой плавления (2075°С) и большой твердостью.
Электрическая проводимость бора с повышением температуры сильно увеличивается,
что дает возможность широко применять его в полупроводниковой технике. Добавка
бора к стали и к сплавам алюминия, меди, никеля и др. улучшает их механические
свойства. Бориды (соединения бора с некоторыми металлами, например с титаном:
TiB, TiB2) необходимы при изготовлении деталей реактивных
двигателей, лопаток газовых турбин. Как видно из схемы 1, углерод ― С, кремний
― Si, бор ― В имеют сходное строение и обладают некоторыми общими свойствами.
Как простые вещества они встречаются в двух видоизменениях ― в кристаллическом
и аморфном. Кристаллические видоизменения этих элементов очень твердые, с
высокими температурами плавления. Кристаллический кремний обладает
полупроводниковыми свойствами. Все эти элементы образуют соединения с металлами
― карбиды, силициды и бориды (CaC2, Al4C3, Fe3C,
Mg2Si, TiB, TiB2). Некоторые из них обладают большей
твердостью, например Fe3C, TiB. Карбид кальция используется для
получения ацетилена.
Источник
В предыдущих частях мы, во-первых, ввели понятие атомного радиуса, к которому не раз сегодня обратимся. Во-вторых, ввели понятие о металлических и неметаллических свойствах. И, в-третьих, научились отличать металлы от неметаллов по таблице Менделеева.
Сегодня поговорим о том, какие закономерности можно выделить в рамках таблицы Менделеева благодаря всем вышеперечисленным знаниям.
Обо всём по порядку
Напомню:
Атомный радиус – условная величина, характеризующая удалённость электронов на внешнем энергетическом уровне от ядра атома.
Условное изображение атомного радиуса атома не примере атома углерода
Металлические свойства – способность атомов химических элементов отдавать электроны
Неметаллические свойства – способность атомов химических элементов эти электроны принимать.
Выделять закономерности в пределах таблицы Менделеева мы будем в двух направлениях:
В пределах подгруппы (сверху – вниз)
Сделаю акцент на том, что работать мы будем исключительно в пределах главных подгрупп
О том, почему атомный радиус в пределах подгруппы (сверху вниз) возрастает, мы говорили здесь.
- А почему же в пределах подгруппы (сверху вниз) усиливаются металлические свойства?
Дело в том, что с в пределах подгруппы с увеличением атомного радиуса возрастает удалённость электронов на внешнем энергетическом уровне от ядра, а чем более электроны удалены от ядра, тем выше запас их свободной энергии, тем менее прочно они связаны с ядром (об этом здесь) – это значит, что тем проще эти электроны будет отдать! А металлические свойства как раз-таки характеризуют способность атомов химических элементов отдавать электроны.
Ещё раз. Чем больше электроны удалены от ядра, тем менее прочно они связаны с ядром, тем проще их оказывается отдать. Я думаю, Вы интуитивно чувствуете эту простую логику, согласно которой прочность связи обратно пропорциональна расстоянию.
- Почему же в пределах подгруппы (сверху вниз) неметаллические свойства ослабевают?
Всё очень просто, неметаллические свойства – прямо противоположное понятие металлическим свойствам, и если одно усиливается, то другое ослабевает.
Как можно проследить данные закономерности? Посмотрим в таблицу Менделеева, а именно в главную подгруппу четвёртой группы.
Белый, зелёный – металлы, красный – неметаллы.
В пределах главной подгруппы четвёртой группы мы видим, как неметаллы углерод (C) и кремний (Si) в какой-то момент сменяет металл германий (Ge), и это неслучайно! Мы знаем, что металлические свойства в пределах подгруппы усиливаются, а неметаллические – ослабевают, и именно поэтому в какой-то момент при движении в пределах подгруппы сверху вниз металлические свойства усилились настолько, а неметаллические свойства ослабли настолько, что неметаллы в какой-то момент уступают место металлам.
И данную закономерность Вы можете пронаблюдать в пределах главной подгруппы любой группы!
Почему именно главные подгруппы? Дело в том, что классический вариант таблицы Менделеева, с которым мы чаще всего и работаем, в угоду компактности размещает элементы побочных подгрупп, которые, мы знаем, являются исключительно металлами, таким образом, что они, кажется, игнорируют рассматриваемые нами закономерности, то есть, попросту говоря оказываются исключениями. Ради интереса можете посмотреть на развёрнутый вариант таблицы.
В пределах периода (слева – направо)
Здесь попроще. здесь никаких подгрупп.
Итак, мы знаем, что в пределах периода (слева направо) атомный радиус убывает (об этом здесь). Так что же из этого вытекает?
А то, что металлические свойства будут убывать, а неметаллические – возрастать! Судите сами:
чем меньше атомный радиус, тем ближе электроны на внешнем энергетическом уровне оказываются к ядру, то есть тем более прочно эти электроны оказываются связаны с ядром и тем труднее их оказывается отдать, то есть тем менее выражены оказываются металлические свойства и более выражены неметаллические.
Мы легко можем проследить данную закономерность по таблице Менделеева, пользуясь тем же способом размышления, что и выше:
Белый, зелёный – металлы, красный – неметаллы.
В переделах любого периода (слева – направо) металлы закономерно начинают сменяться неметаллами, так как металлические свойства ослабевают, а неметаллические – возрастают.
Осталось сделать последний штрих – ввести понятие электроотрицательности.
Электроотрицательность – способность атомов химических элементов оттягивать на себя электронную плотность.
Электроотрицательность – понятие тождественное по смыслу неметаллическим свойствам и используется для характеристики неметаллических свойств атома. Оно даже изменяется в пределах таблицы Менделеева аналогичным образом! То есть, в пределах подгруппы (сверху вниз) убывает, а в пределах периода (слева – направо) возрастает.
Таблица электроотрицательности по Полингу
А на этом у меня всё. В следующий раз продолжим обозревать типы химической связи. Спасибо. Пока.
Источник