Какие закономерности наблюдают в изменении свойств

Важнейшей природной аксиомой без преувеличения можно назвать периодический закон Д.И. Менделеева. Это гениальное открытие великий химик сделал тогда, когда ещё не было знаний об атомном строении.

Основной закон химической науки

Менделеев в начале марта 1869 года создал прообраз будущей систематизации, назвав его «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом родстве». В течение последующих 2-х лет он дорабатывал свой труд. Ввёл понятия о группах, рядах, периодах, придав системе очертания, близкие к современной.

Из-за отсутствия знаний о реальной атомной структуре в редакции первооткрывателя закон гласил: «свойства всех элементов, а вследствие и качества образуемых ими простых, а также сложных веществ, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Более того, Дмитрий Иванович сумел этот постулат изобразить графически в виде таблицы. Сегодня усовершенствованная периодическая менделеевская систематизация вполне отвечает нынешним знаниям о строении вещества.

С учётом современных воззрений на атомное строение периодический закон (ПЗ) сегодня читается так: «Свойства атомов хим. элементов и образованных ими простых веществ состоят в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов».

Устройство таблицы периодической системы

Матрица таблицы ПЗ фиксирует хим. элементы в конкретных клеточках во взаимосвязи с определённой физико-химической характеристикой. В таблице образца 1869 г. систематизировались в её рядах и столбиках 60 открытых к тому времени элементов. Сегодня их открыто 118 и ещё 8 принято считать гипотетическими.

Их расположение позволяет получить представление о валентности хим. элементов, числе электронов и других его параметрах.

Упорядочение хим. элементов в конструкции таблицы производится по горизонтали в рядах и по вертикали в столбцах.

Ряды носят названия периодов. Элементы располагаются в них по возрастающей порядкового номера и соответственно атомного веса.

В табличной матрице – 7 периодов. На первых 3-х, получивших название малых, распределилось 2,8 и 8 хим.элементов. Следующие периодические ряды – большие. В 4-м и 5-м рядах – по 18 элементов, в периоде под №6 их 32, в незаконченном седьмом – пока 31элемент.

Номер периода служит указателем количества энергетических уровней вокруг ядра атома с расположившимися на них отрицательно заряженными электронами. В частности, фосфор P, сера S и хлор Cl – элементы 3-го периода. Атомные ядра их окружены трёхслойной оболочкой из электронов.

Столбцы названы группами. В табличной матрице их 8. Хим. элементы в них находятся в самой высокой окислительной степени в отвечающих им окислах.

В группах происходит разделение на подгруппы: главные и побочные. Главные – содержат элементы, размещённые в малых периодах. В них также входят элементы с подобными характеристиками больших периодов.

В состав побочных подгрупп включены только те хим. элементы, которые находятся в больших периодах.

Физической сутью порядкового номера нужно считать число протонов и электронов в атоме.

ПЗ – источник любой информации о веществе!

Не надо зубрить тексты о природе и особенностях хим. соединений, надо понять лишь логику менделеевской систематики элементов и правила видоизменений по группам и периодам.

Развитие свойств по группам:

По структуре электронных оболочек элементы в группах похожи.

Замечание первое: Размеры атомов в группе сверху донизу растут. Это означает:

у электронов, находящихся на наружной орбите притяжение к атомному ядру слабеет;
у атома растёт склонность к потере электронов;
эта возрастающая способность отдавать электроны говорит об усилении металлических свойств.

Отсюда первая закономерность:В группах в направлении сверху донизу идёт возрастание металлических свойствхим.элементов, а также усиливаются основные свойства соединений этих элементов.

Внутри одного периода при увеличении количества электронов ядро атома сжимается, возрастает энергия связи каждого электрона внешнего уровня с ядром. Например, ядро атома хлора будет удерживать электроны своего внешнего уровня намного сильнее, чем ядро атома натрия единственный электрон внешнего электронного уровня. При образовании химической связи между атомом натрия и хлора хлор «отберет» единственный электрон у атома натрия, то есть электронная оболочка хлора станет такой же, как у благородного газа аргона, а у натрия — такой же, как у благородного газа неона. Способность атома какого-либо химического элемента оттягивать на себя электроны другого химического элемента при столкновении при образовании химической связи называется электроотрицательностью. Электроотрицательность, как и многие другие параметры химических элементов, также подчиняется периодическому закону Д.И. Менделеева. Внутри одной подгруппы химических элементов электроотрицательность убывает, а при движении по ряду одного периода вправо электроотрицательность возрастает.

Если представить себе циферблат обычных круглых часов и его центр поместить в правый нижний угол таблицы Д.И. Менделеева, то свойства химических элементов будут однообразно изменяться при движении по ней вверх и вправо (по часовой стрелке) и противоположно вниз и влево (против часовой стрелки)

Развитие свойств в периодах:

Замечание второе:

при движении в периоде с левой стороны в правую сторону величина атомов уменьшается;
растёт число электронов на наружных орбитах атома, при этом происходит рост его электроотрицательности;
электроотрицательность характеризует неметаллические свойства.

Вторая закономерность: с движением в периоде в правую сторону наблюдаетсярост неметаллических свойств и электроотрицательности элементов. Также усиливаются кислотные свойства образованных этими элементами соединений.

Основные направления эволюции свойств можно запомнить по следующей таблице.

Закон Д.И. Менделеева о периодичности химических явлений универсален. Он объективно функционирует в природе и всегда будет актуален. Более того, учёные установили, что периодическим изменениям подчиняется не только электронная структура атома, но ещё более тонкое строение атомного ядра. А это значит, что существует периодический характер изменения свойств в сложнейшем мире элементарных частиц.

Смотри также:

Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов
Общая характеристика металлов IА–IIIА групп
Характеристика переходных элементов (меди, цинка, хрома, железа)
Общая характеристика неметаллов IVА–VIIА групп

Источник

В современной науке таблицу Д. И. Менделеева называют периодической системой химических элементов, т. к. общие закономерности в изменении свойств атомов, простых и сложных веществ, образованных химическими элементами, повторяются в этой системе через определенные интервалы — периоды. Таким образом, все существующие в мире химические элементы подчиняются единому, объективно действующему в природе периодическому закону, графическим отображением которого является периодическая система элементов. Этот закон и система носят имя великого русского химика Д. И. Менделеева.

Периоды — это ряды элементов, расположенные горизонтально, с одинаковым максимальным значением главного квантового числа валентных электронов. Номер периода соответствует числу энергетических уровней в атоме элемента. Периоды состоят из определенного количества элементов: первый — из 2 , второй и третий — из 8 , четвертый и пятый — из 18, шестой период включает 32 элемента. Это зависит от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Седьмой период является незавершенным. Все периоды (исключение составляет первый) начинаются щелочным металлом (s-элементом), а заканчиваются благородным газом. Когда начинает заполняться новый энергетический уровень, начинается новый период. В периоде с увеличением порядкового номера химического элемента слева направо металлические свойства простых веществ уменьшаются, а неметаллические возрастают.

Металлические свойства — это способность атомов элемента при образовании химической связи отдавать свои электроны, а неметаллические свойства — это способность атомов элемента при образовании химической связи присоединять электроны других атомов. У металлов электронами заполняется внешний s-подуровень, что подтверждает металлические свойства атома. Неметаллические свойства простых веществ проявляются при формировании и заполнении электронами внешнего р-подуровня. Неметаллические свойства атома усиливаются в процессе заполнения электронами р-подуровня (от 1 до 5). Атомы с полностью заполненным внешним электронным слоем (ns2np6) образуют группу благородных газов, которые являются химически инертными.

В малых периодах с ростом положительного заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 — в первом периоде и от 1 до 8 — во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого периода) находится щелочной металл, затем металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические. В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение уровней электронами происходит сложнее, что объясняет и более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда число электронов на внешнем уровне остается постоянным и равно 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются крайне медленно. Лишь в нечетных рядах, когда с ростом заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем уровне (от 1 до 8), свойства элементов начинают изменяться так же, как у типических.

Группы — это вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равных номеру группы. Существует деление на главные и побочные подгруппы. Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов. Валентные электроны этих элементов расположены на внешних ns- и nр-подуровнях. Побочные подгруппы состоят из элементов больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns-подуровне и внутреннем (n — 1) d -подуровне (или (n — 2) f-подуровне). В зависимости от того, какой подуровень (s-, p-, d- или f-) заполняется валентными электронами, элементы разделяются на:

1) s-элементы — элементы главной подгруппы I и II групп;

2) р-элементы — элементы главных подгрупп Ш—VII групп;

3) d -элементы — элементы побочных подгрупп;

4) f-элементы — лантаноиды, актиноиды.

Сверху вниз в главных подгруппах металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Элементы главных и побочных групп отличаются по свойствам. Номер группы показывает высшую валентность элемента. Исключение составляют кислород, фтор, элементы подгруппы меди и восьмой группы. Общими для элементов главных и побочных подгрупп являются формулы высших оксидов (и их гидратов). У высших оксидов и их гидратов элементов I—III групп (исключение составляет бор) преобладают основные свойства, с IV по VIII — кислотные. Для элементов главных подгрупп формулы водородных соединений общие. Элементы I—III групп образуют твердые вещества — гидриды, так как степень окисления водорода -1 . Элементы IV-VII групп — газообразные. Водородные соединения элементов главных подгрупп IV группы (ЭН4) — нейтральны, V группы (ЭН3) являются основаниями, VI и VII групп (Н2Э и НЭ) — кислотами.

Радиусы атомов, их периодические изменения в системе химических элементов

Радиус атома с увеличением зарядов ядер атомов в периоде уменьшается, т. к. притяжение ядром электронных оболочек усиливается. Происходит своеобразное их «сжатие». От лития к неону заряд ядра постепенно увели-чивается (от 3 до 10), что обуславливает возрастание сил притяжения электронов к ядру, размеры атомов уменьшаются. Поэтому в начале периода расположены элементы с небольшим числом электронов на внешнем электронном слое и большим радиусом атома. Электроны, находящиеся дальше от ядра, легко от него отрываются, что характерно для элементов-металлов.

В одной и той же группе с увеличением номера периода атомные радиусы возрастают, т. к. увеличение заряда атома оказывает противоположный эффект. С точки зрения теории строения атомов принадлежность элементов к металлам или неметаллам определяется способностью их атомов отдавать или присоединять электроны. Атомы металлов сравнительно легко отдают электроны и не могут их присоединять для достраивания своего внешнего электронного слоя.

Радиусы атомов

Закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений по периодам и группам

Д. И. Менделеев в 1869 г. сформулировал периодический закон, который звучит так: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс элементов. Систематизируя химические элементы на основе их относительных атомных масс, Менделеев уделял большое внимание также свойствам элементов и образованных ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы — группы. В соответствии с современными представлениями о строении атома, основой классификации химических элементов являются заряды их атомных ядер, и современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер. Периодичность в изменении свойств элементов объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней их атомов. Именно число энергетических уровней, общее число расположенных на них электронов и число электронов на внешнем уровне отражают принятую в периодической системе символику.

Периодическая система химических элементов

a) Закономерности, связанные с металлическими и неметаллическими свойствами элементов.

При перемещении СПРАВА НАЛЕВО вдоль ПЕРИОДА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства р-элементов УСИЛИВАЮТСЯ. В обратном направлении — возрастают неметаллические. Это объясняется тем, что правее находятся элементы, электронные оболочки которых ближе к октету. Элементы в правой части периода менее склонны отдавать свои электроны для образования металлической связи и вообще в химических реакциях.
Например, углерод — более выраженный неметалл, чем его сосед по периоду бор, а азот обладает еще более яркими неметаллическими свойствами, чем углерод. Слева направо в периоде также увеличивается и заряд ядра. Следовательно, увеличивается притяжение к ядру валентных электронов и затрудняется их отдача. Наоборот, s-элементы в левой части таблицы имеют мало электронов на внешней оболочке и меньший заряд ядра, что способствует образованию именно металлической связи. За понятным исключением водорода и гелия (их оболочки близки к завершению или завершены!), все s-элементы являются металлами; p-элементы могут быть как металлами, так и неметаллами, в зависимости от того — в левой или правой части таблицы они находятся.
У d- и f-элементов, как мы знаем, есть «резервные» электроны из «предпоследних» оболочек, которые усложняют простую картину, характерную для s- и p-элементов. В целом d- и f-элементы гораздо охотнее проявляют металлические свойства.
Подавляющее число элементов является металлами и только 22 элемента относят к неметаллам: H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te, а также все галогены и инертные газы. Некоторые элементы в связи с тем, что они могут проявлять лишь слабые металлические свойства, относят к полуметаллам. Что такое полуметаллы? Если выбрать из Периодической таблицы p-элементы и записать их в отдельный «блок» (это сделано в “длинной” форме таблицы), то обнаружится закономерность, показанная на Левая нижняя часть блока содержит типичные металлы, правая верхняя — типичные неметаллы. Элементы, занимающие места на границе между металлами и неметаллами, называются полуметаллами.
Полуметаллы расположены примерно вдоль диагонали, проходящей по p-элементам от левого верхнего к правому нижнему углу Периодической таблицы
Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной «октетной» ковалентной связи (как в боре), либо они не удерживаются достаточно прочно (как в тeллуре или полонии) из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер. Некоторые полуметаллы (кремний, германий) являются полупроводниками. Полупроводниковые свойства этих элементов объясняются многими сложными причинами, но одна из них — существенно меньшая (хотя и не нулевая) электропроводность, объясняемая слабой металлической связью. Роль полупроводников в электронной технике чрезвычайно важна.
При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ вдоль групп УСИЛИВАЮТСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ свойства элементов. Это связано с тем, что ниже в группах расположены элементы, имеющие уже довольно много заполненных электронных оболочек. Их внешние оболочки находятся дальше от ядра. Они отделены от ядра более толстой «шубой» из нижних электронных оболочек и электроны внешних уровней удерживаются слабее.

б) Закономерности, связанные с окислительно-восстановительными свойствами. Изменения электроотрицательности элементов.

Перечисленные выше причины объясняют, почему СЛЕВА НАПРАВО УСИЛИВАЮТСЯ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ свойства, а при движении СВЕРХУ ВНИЗ — ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ свойства элементов.
Последняя закономерность распространяется даже на такие необычные элементы, как инертные газы. У «тяжелых» благородных газов криптона и ксенона, которые находятся в нижней части группы, удается «отобрать» электроны и получить их соединения с сильными окислителями (фтором и кислородом), а для «легких» гелия, неона и аргона это осуществить не удается.
В правом верхнем углу таблицы находится самый активный неметалл-окислитель фтор (F), а в левом нижнем углу — самый активный металл-восстановитель цезий (Cs). Элемент франций (Fr) должен быть еще более активным восстановителем, но его химические свойства изучать крайне трудно из-за быстрого радиоактивного распада.
По той же причине, что и окислительные свойства элементов, их ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ ВОЗРАСТАЕТ тоже СЛЕВА НАПРАВО, достигая максимума у галогенов. Не последнюю роль в этом играет степень завершенности валентной оболочки, ее близость к октету.
При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ по группам ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ УМЕНЬШАЕТСЯ. Это связано с возрастанием числа электронных оболочек, на последней из которых электроны притягиваются к ядру все слабее и слабее.
в) Закономерности, связанные с размерами атомов.
Размеры атомов (АТОМНЫЕ РАДИУСЫ) при перемещении СЛЕВА НАПРАВО вдоль периода УМЕНЬШАЮТСЯ. Электроны все сильнее притягиваются к ядру по мере возрастания заряда ядра. Даже увеличение числа электронов на внешней оболочке (например, у фтора по сравнению с кислородом) не приводит к увеличению размеров атома. Наоборот, размеры атома фтора меньше, чем атома кислорода.
При перемещении СВЕРХУ ВНИЗ АТОМНЫЕ РАДИУСЫ элементов РАСТУТ, потому что заполнено больше электронных оболочек.

г) Закономерности, связанные с валентностью элементов.

Элементы одной и той же ПОДГРУППЫ имеют аналогичную конфигурацию внешних электронных оболочек и, следовательно, одинаковую валентность в соединениях с другими элементами.
s-Элементы имеют валентности, совпадающие с номером их группы.
p-Элементы имеют наибольшую возможную для них валентность, равную номеру группы. Кроме того, они могут иметь валентность, равную разности между числом 8 (октет) и номером их группы (число электронов на внешней оболочке).
d-Элементы обнаруживают много разных валентностей, которые нельзя точно предсказать по номеру группы.
Не только элементы, но и многие их соединения — оксиды, гидриды, соединения с галогенами — обнаруживают периодичность. Для каждой ГРУППЫ элементов можно записать формулы соединений, которые периодически «повторяются» (то есть могут быть записаны в виде обобщенной формулы).

Итак, подытожим закономерности изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:

Изменение некоторых характеристик элементов в периодах слева направо:

заряд ядер атомов увеличивается;
радиус атомов уменьшается;
электроотрицательность элементов увеличивается;
количество валентных электронов увеличивается от 1 до 8 (равно номеру группы);
высшая степень окисления увеличивается (равна номеру группы);
число электронных слоев атомов не изменяется;
металлические свойства уменьшается;
неметаллические свойства элементов увеличивается.

Изменение некоторых характеристик элементов в группе сверху вниз:

заряд ядер атомов увеличивается;
радиус атомов увеличивается;
число энергетических уровней (электронных слоев) атомов увеличивается (равно номеру периода);
число электронов на внешнем слое атомов одинаково (равно номеру группы);
прочность связи электронов внешнего слоя с ядром уменьшается;
электроотрицательность уменьшается;
металличность элементов увеличивается;
неметалличность элементов уменьшается.

Z — порядковый номер, равен числу протонов; R — радиус атома; ЭО — электроотрицательность; Вал е- —количество валентных электронов; Ок. св. — окислительные свойства; Вос. св. — востановительные свойства; Эн. ур. — энергитические уровни; Ме — металические свойства; НеМе — неметаллические свойства; ВСО — высшая степень окисления

Шпаргалки

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости

Источник