Какой из элементов обладает более выраженными металлическими свойствами

Периодическая таблица Дмитрия Ивановича Менделеева очень удобна и универсальна в своём использовании. По ней можно определить некоторые характеристики элементов, и что самое удивительное, предсказать некоторые свойства ещё неоткрытых, не обнаруженных учёными, химических элементов (например, мы знаем некоторые свойства предполагаемого унбигексия, хотя его ещё не открыли и не синтезировали).

Что такое металлические и неметаллические свойства

Эти свойства зависят от способности элемента отдавать или притягивать к себе электроны. Важно запомнить одно правило, металлы – отдают электроны, а неметаллы – принимают. Соответственно металлические свойства – это способность определённого химического элемента отдавать свои электроны (с внешнего электронного облака) другому химическому элементу. Для неметаллов всё в точности наоборот. Чем легче неметалл принимает электроны, тем выше его неметаллические свойства.

Металлы никогда не примут электроны другого химического элемента. Такое характерно для следующих элементов;

• натрия;
• калия;
• лития;
• франция и так далее.

С неметаллами дела обстоят похожим образом. Фтор больше всех остальных неметаллов проявляет свои свойства, он может только притянуть к себе частицы другого элемента, но ни при каких условиях не отдаст свои. Он обладает наибольшими неметаллическими свойствами. Кислород (по своим характеристикам) идёт сразу же после фтора. Кислород может образовывать соединение с фтором, отдавая свои электроны, но у других элементов он забирает отрицательные частицы.

Список неметаллов с наиболее выраженными характеристиками:

1. фтор;
2. кислород;
3. азот;
4. хлор;
5. бром.

Неметаллические и металлические свойства объясняются тем, что все химические вещества стремятся завершить свой энергетический уровень. Для этого на последнем электронном уровне должно быть 8 электронов. У атома фтора на последней электронной оболочке 7 электронов, стремясь завершить ее, он притягивает ещё один электрон. У атома натрия на внешней оболочке один электрон, чтобы получить 8, ему проще отдать 1, и на последнем уровне окажется 8 отрицательно заряженных частиц.

Благородные газы не взаимодействуют с другими веществами именно из-за того, что у них завершён энергетический уровень, им не нужно ни притягивать, ни отдавать электроны.

Как изменяются металлические свойства в периодической системе

Периодическая таблица Менделеева состоит из групп и периодов. Периоды располагаются по горизонтали таким образом, что первый период включает в себя: литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород и так далее. Химические элементы располагаются строго по увеличению порядкового номера.

Группы располагаются по вертикали таким образом, что первая группа включает в себя: литий, натрий, калий, медь, рубидий, серебро и так далее. Номер группы указывает на количество отрицательных частиц на внешнем уровне определённого химического элемента. В то время, как номер периода указывает на количество электронных облаков.

Металлические свойства усиливаются в ряду справа налево или, по-другому, ослабевают в периоде. То есть магний обладает большими металлическими свойствами, чем алюминий, но меньшими, нежели натрий. Это происходит потому, что в периоде количество электронов на внешней оболочке увеличивается, следовательно, химическому элементу сложнее отдавать свои электроны.

В группе все наоборот, металлические свойства усиливаются в ряду сверху вниз. Например, калий проявляется сильнее, чем медь, но слабее, нежели натрий. Объяснение этому очень простое, в группе увеличивается количество электронных оболочек, а чем дальше электрон находится от ядра, тем проще элементу его отдать. Сила притяжения между ядром атома и электроном в первой оболочке больше, чем между ядром и электроном в 4 оболочке.

Сравним два элемента – кальций и барий. Барий в периодической системе стоит ниже, чем кальций. А это значит, что электроны с внешней оболочки кальция расположены ближе к ядру, следовательно, они лучше притягиваются, чем у бария.

Сложнее сравнивать элементы, которые находятся в разных группах и периодах. Возьмём, к примеру, кальций и рубидий. Рубидий будет лучше отдавать отрицательные частицы, чем кальций. Так как он стоит ниже и левее. Но пользуясь только таблицей Менделеева нельзя однозначно ответить на этот вопрос сравнивая магний и скандий (так как один элемент ниже и правее, а другой выше и левее). Для сравнения этих элементов понадобятся специальные таблицы (например, электрохимический ряд напряжений металлов).

Как изменяются неметаллические свойства в периодической системе

Неметаллические свойства в периодической системе Менделеева изменяются с точностью до наоборот, нежели металлические. По сути, эти два признака являются антагонистами.

Неметаллические свойства усиливаются в периоде (в ряду справа налево). Например, сера способна меньше притягивать к себе электроны, чем хлор, но больше, нежели фосфор. Объяснение этому явлению такое же. Количество отрицательно заряженных частиц на внешнем слое увеличивается, и поэтому элементу легче закончить свой энергетический уровень.

Неметаллические свойства уменьшаются в ряду сверху вниз (в группе). Например, фосфор способен отдавать отрицательно заряженные частицы больше, чем азот, но при этом способен лучше притягивать, нежели мышьяк. Частицы фосфора притягиваются к ядру лучше, чем частицы мышьяка, что даёт ему преимущество окислителя в реакциях на понижение и повышение степени окисления (окислительно-восстановительные реакции).

Сравним, к примеру, серу и мышьяк. Сера находится выше и правее, а это значит, что ей легче завершить свой энергетический уровень. Как и металлы, неметаллы сложно сравнивать, если они находятся в разных группах и периодах. Например, хлор и кислород. Один из этих элементов выше и левее, а другой ниже и правее. Для ответа придётся обратиться к таблице электроотрицательности неметаллов, из которой мы видим, что кислород легче притягивает к себе отрицательные частицы, нежели хлор.

Периодическая таблица Менделеева помогает узнать не только количество протонов в атоме, атомную массу и порядковый номер, но и помогает определить свойства элементов.

Видео

Видео поможет вам разобраться в закономерности свойств химических элементов и их соединений по периодам и группам.

В настоящий момент науке известно сто пять химических элементов, систематизированных в виде периодической таблицы. Подавляющее большинство из них причисляют к металлам, что подразумевает наличие у этих элементов особых качеств. Это так называемые металлические свойства. К таким характеристикам, в первую очередь, относятся пластичность, повышенная тепло- и электропроводимость, способность к образованию сплавов, низкое значение потенциала ионизации. 

Металлические свойства того или иного элемента обусловлены способностью его атомов при возникновении взаимодействия с атомными структурами других элементов смещать в их направлении электронные облака или же «отдавать» им свои свободные электроны. Самыми активными металлами являются те, что имеют низкую энергию ионизации и электроотрицательность. Также ярко выраженные металлические свойства характерны для элементов, имеющих максимально большой радиус атома и предельно малое число внешних (валентных) электронов.

По мере наполнения валентной орбиты количество электронов во внешнем слое атомной структуры возрастает, и радиус, соответственно, уменьшается. В связи с этим атомы начинают стремиться к присоединению свободных электронов, а не к их отдаче. Металлические свойства таких элементов приобретают тенденцию к уменьшению, а их неметаллические свойства – к увеличению. И, наоборот, при увеличении атомного радиуса отмечается усиление металлических свойств. Поэтому характерной общей чертой всех металлов являются, так называемые, восстановительные качества – та самая способность атома отдавать свободные электроны.

Наиболее ярко металлические свойства элементов проявляются у веществ первой, второй групп главных подгрупп периодической таблицы, а также у щелочных и щелочноземельных металлов. Но самые сильные восстановительные качества наблюдаются у франция, а в водной среде – у лития благодаря более высокому показателю энергии гидратации.

Количество элементов, у которых проявляются металлические свойства, в пределах периода возрастает с увеличением номера периода. В периодической таблице металлы от неметаллов отделены диагональной линией, которая тянется от бора к астату. По этой разделительной черте расположены элементы, у которых в равной степени проявляются и те, и другие качества. К таким веществам относятся кремний, мышьяк, бор, германий, астат, сурьма и теллур. Данная группа элементов называется металлоидами.

Каждый период характеризуется наличием своеобразной «пограничной зоны», в которой располагаются элементы с двойственными качествами. Следовательно, переход от ярко выраженного металла к типичному неметаллу осуществляется постепенно, что и нашло отражение в периодической таблице.

Общие свойства металлических элементов (высокая электропроводимость, теплопроводность, ковкость, характерный блеск, пластичность и др.) обусловлены схожестью их внутреннего строения, а точнее – наличием кристаллической решетки. Однако существует немало качеств (плотность, твердость, температура плавления), которые придают всем металлам сугубо индивидуальные физико-химические свойства. Эти характеристики зависят от строения кристаллической решетки каждого конкретного элемента.

Задание 47.
Какой из элементов четвертого периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов?
Решение:

+23V 1s22s22p63s23p63d34s2;         +33Аs 1s22s22p63s23p63d104s24p3. 

Ванадий d-элемент VВ- группы, а мышьяк – р-элемент VА- группы. На внешнем энергетическом уровне у атома ванадия два электрона, а у атома мышьяка – пять. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, и, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Эти атомы обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трёх электронов, обладают определённым сродством к электрону, и, следовательно, приобретают определённую отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, ванадий, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для мышьяка, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у ванадия сильнее выражены, чем у мышьяка. 

Мышьяк с водородом образует газообразный гидрид AsH3 – арсин, где мышьяк проявляет отрицательную степень окисления -3, так как атом мышьяка способен присоединять три электрона до полного заполнения внешнего энергетического уровня:

Задание 48. 
Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).
Решение:
Марганец в своих соединениях проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7.
Формулы оксидов, отвечающих этим степеням окисления: 

MnO – оксид марганца (II); 
Mn2O3 – оксид марганца(III); 
MnO2 – оксид марганца(IV); 
MnO3 – ; оксид марганца(VI); 
Mn2O7 – оксид марганца(VII). 

Формулы гидроксидов марганца: 

Mn(OH)2 – гидроксид марганца(II);
Mn(OH)3 – гидроксид марганца(III);
Mn(OH)4 – гидроксид марганца(IV);
H2MnO4 – марганцовистая кислота;
HMnO4 – марганцовая кислота.

Mn(OH)4 – гидроксид марганца(IV) – амфотерное основание, которое реагирует как с кислотами, так и со щелочами:

Mn(OH)4 + 4HCl = MnCl4 + 4H2O;
Mn(OH)4 + 4NaOH = Na4MnO4 + 4H2O

Задание 49. 
У какого элемента четвертого периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.
Решение:
Электронные формулы хрома и селена:

+24Cr 1s22s22p63s23p63d54s1;         +34Se 1s22s22p63s23p63d104s24p4. 

Хром d-элемент VIВ- группы, а селен – р-элемент VIА – группы. На внешнем энергетическом уровне у атома хрома один электрон, а у атома селена – шесть. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, и, следовательно, тенденцией терять их. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трёх электронов, обладают определённым сродством к электрону, и, следовательно, приобретают определённую отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, хром, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для селена, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у хрома сильнее выражены, чем у селена. К тому же селен, присоединив два электрона к наружному р-подуровню, проявляет отрицательную степень окисления и образует с водородом газообразное соединение H2Se, которое называют селеноводород.

Задание 50. 
Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?
Решение:
Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того числа электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2p6). Элементы хлор, сера, азот и углерод находятся соответственно в VIIА-, VIА-, VА-, IVА- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2p5, s2p4, s2p3, s2p2. Следовательно, низшая степень окисления хлора, серы, азота и углерода равны соответственно -1, -2, -3 и -4.

Формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления:

AlCl3 – хлорид алюминия;
Al2S3 – сульфид алюминия;
AlN – нитрид алюминия;
Al4C3 – карбид алюминия.

Задание 51. 
У какого из р-элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.
Решение:
Фосфор и сурьма находятся в VА- группе и имеют следующие электронные формулы:

+15Р 1s22s22p63s23p3;  +51Sb 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3 

На внешнем энергетическом уровне оба элемента содержат по пять валентных электронов, из которых два s-и три р-электрона. 
Так как фосфор – элемент третьего периода, а сурьма – пятого, то из этого следует, что радиус атома фосфора значительно меньше, чем у атома сурьмы. В группах с увеличением порядкового номера элементов закономерно увеличиваются радиусы их атомов, что приводит к уменьшению связи внешних электронов; поэтому атом фосфора обладает определённым сродством к электрону, и, следовательно, приобретает отрицательную степень окисления и имеет больше шансов образовывать отрицательные ионы. Таким образом, фосфор, как все неметаллы, обладает только очень слабыми восстановительными свойствами и более сильными окислительными функциями. Сурьма, имея большие размеры атома, будет легче отдавать электроны внешнего энергетического уровня, чем принимать и поэтому будет проявлять восстановительные функции, т. е. обладать характерными металлическими свойствами.

Водородное соединение сурьмы (SbH3 – стибин) обладает более сильными восстанови-тельными свойствами, чем водородное соединение фосфора (РН3 – фосфин). Это объясняется тем, что в группах с ростом порядкового номера элемента закономерно возрастают радиусы атомов элементов и, соответственно ионные радиусы. Ион Sb3- имеет больший диаметр, чем ион Р3-, поэтому иону сурьмы значительно легче отдать электроны (из-за большего радиуса иона требуется меньше энергии на отрыв электрона).

Задание 52. 
Исходя из положения металла в периодической системе, дайте  мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более сильное основание: Ва(ОН)2 или Мg(OH)2; Ca(OH)2 или Fе(ОН)2; Сd(ОН)2 или Sr(OH)2.
Решение:
Гидроксиды можно изобразить общей формулой ЭОН, где Э – металл. Гидроксиды могут диссоциировать по схеме:

Диссоциация зависит от прочности и полярности связей Э — О и О — Н и может протекать по двум направлениям:

Прочность связей определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами ионов. Если прочность связей Э — О и О — Н близки или равны , то диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по основному (I), и по кислотному типу (II). В этом случае речь идёт об амфотерных электролитах (амфолитах):

где Э – элемент (металл или неметалл); n+ – положительная степень окисления элемента.

а) Ва(ОН)2 будет более сильным основанием, чем Mg(OH)2, так как эти элементы стоят во IIА- группе главной подгруппе, а в группе у элементов с увеличением порядкового номера увеличиваются размеры атомов (ионов), что уменьшает прочность связей Ва2+  с ОН-, чем у Mg2+ с ОН-.

б) Ca и Fe – элементы большого ряда четвёртого периода периодической системы химических элементов, поэтому с ростом порядкового номера элемента будет наблюдаться рост эффективного заряда, что приводит к уменьшению размеров атома (радиус атома железа будет намного меньше, чем радиус атома кальция). Из-за чего связь между Са2+ и ОН- будет значительно меньше, чем между Fe2+ с ОН-, значит, Са(ОН)2 будет проявлять сильнее основные свойства, чем Fe(ОН)2.

в) Стронций – типичный р-элемент IIА- группы, а кадмий – d-элемент IIВ- группы и у их атомов на внешнем энергетическом уровне содержатся по два электрона, поэтому они в своих соединения будут проявлять степень окисления +2. У кадмия порядковый номер (48) значительно больше, чем у стронция (38), поэтому радиус иона кадмия (Cd2+) имеет большее численное значение, чем у иона стронция (Sr2+), значит, связь между ионами Cd2+  и ОН- будет прочнее, чем связь между Sr2+ и ОН-, Sr(OH)2 будет проявлять меньше основных свойств чем Cd(ОН)2.

Задание 53. 
Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: СuОН Или Сu(OH)2; Fе(ОН)2 или Fе(ОН)3; Sn(ОН)2 или Sn(ОН)4? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).
Решение:
Если данный элемент проявляет переменную степень окисления (валентность) и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства послед-них меняются от основных к амфотерным и кислотным. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э — О и О — Н может протекать по двум направлениям:

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами ионов. Диссоциация по кислотному типу (II) протекает, если
ЕО—Н < < ЕЭ—О (высокая степень окисления), а по основному типу (I), если ЕО—Н >> ЕЭ—О (низкая степень окисления). 

Если прочности связей Э — О и О — Н близки или равны, то диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по основному (I), и по кислотному типу (II). В этом случае речь идёт об амфотерных электролитах (амфолитах):

где Э – элемент (металл или неметалл); n+ – положительная степень окисления элемента. Таким образом, исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, можно уверенно считать, что, если элемент образует два гидроксида, то более сильным основанием будет тот гидроксид, в котором степень окисления элемента имеет меньшее численное значение.  

Отсюда вытекает, что гидроксид меди (I) CuOH более сильное основание, чем гидроксид меди (II) Cu(OH)2; а Fe(OH)2 более сильное основание, чем Fe(OH)3; Sn(OH)2 более сильное основание, чем Sn(OH)4.