Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 4. Властивості хімічних елементів та їхніх сполук на основі уявлень про електронну будову атомів

Пригадайте:

• металічні елементи утворюють прості речовини метали та сполуки переважно з основними властивостями;

• неметалічні елементи утворюють неметали та сполуки переважно з кислотними властивостями;

• окисник — частинка (речовина), що в хімічних взаємодіях приймає електрони, відновник — та, що віддає.

Періодичність у зміні будови електронних оболонок атомів

В елементів однієї підгрупи подібна електронна конфігурація атомів. Наприклад, в атомах Карбону й Силіцію, що розміщені в четвертій групі Періодичної системи, на зовнішньому рівні міститься по чотири електрони (на s- та р-орбіталях). Відмінність лише в тому, що в Карбону зовнішнім є другий енергетичний рівень, а в Силіцію — третій. Отже, ці дві пари елементів є електронними аналогами.

Будова зовнішнього енергетичного рівня атомів хімічних елементів однієї підгрупи є подібною (мал. 4.1, с. 20), вони є електронними аналогами і внаслідок цього мають подібні хімічні властивості.

Мал. 4.1. Електронна конфігурація підрівня, що заповнюється останнім в атомів елементів різних підгруп Періодичної системи (довгий варіант)

Періодичність у зміні властивостей елементів та їхніх сполук

У 8 класі ви вивчали Періодичний закон:

Властивості хімічних елементів, а також утворених ними речовин перебувають у періодичній залежності від зарядів їхніх атомних ядер.

Звертаючи увагу на будову електронних оболонок атомів, ми бачимо, що зі збільшенням заряду ядра атомів періодично повторюються електронні формули зовнішніх енергетичних рівнів атомів. Оскільки саме від зовнішнього рівня насамперед залежать властивості елементів та їхніх сполук, то така періодичність зміни електронної конфігурації атомів пояснює справедливість Періодичного закону.

Радіус атома

• Зі збільшенням порядкового номера елемента в головних підгрупах збільшується число енергетичних рівнів, що заповнюється електронами, тому радіус атомів хімічних елементів однієї групи збільшується.

• В атомів хімічних елементів одного періоду число енергетичних рівнів, що заповнюються, однакове. Але зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента заряд ядра поступово збільшується, що спричиняє сильніше притягання електронів до ядра, і тому в періоді радіус атомів поступово зменшується (мал. 4.2).

Мал. 4.2. Періодичність у зміні властивостей хімічних елементів та їхніх атомів

Електронегативність елементів

• У періодах число електронів на зовнішньому енергетичному рівні атомів поступово збільшується. Унаслідок цього зменшується здатність віддавати електрони і збільшується здатність їх приймати, а отже, й збільшується притягання спільних електронних пар, тобто в періодах електронегативність збільшується.

• В елементів однієї групи електронна конфігурація атомів подібна, але число заповнених електронних шарів поступово збільшується. І чим далі від ядра перебуває зовнішній електронний шар, тим важче ядру притягувати спільні електронні пари. Унаслідок цього у групах електронегативність зменшується (мал. 4.2).

Металічні й неметалічні властивості

• Чим більше електронів на зовнішньому рівні, тим складніше атомам їх віддавати, тому зі збільшенням числа електронів на зовнішньому рівні (у періодах) металічні властивості елементів послаблюються.

Чим більше електронів бракує до завершення електронного шару, тим важче їх приєднувати, тож чим менше електронів на зовнішньому шарі, тим слабшими є неметалічні властивості елементів.

Отже, у періоді зі збільшенням порядкового номера металічні властивості елементів послаблюються, а неметалічні — посилюються.

• В елементів однієї підгрупи електронна конфігурація атомів зовнішнього рівня однакова, але металічні властивості залежать від числа заповнених енергетичних рівнів. Зі збільшенням радіуса зовнішні електрони легше втрачати, тому в групах металічні властивості посилюються. Разом із цим зі збільшенням радіуса в групах атомів неметалічні властивості елементів послаблюються. Металічні властивості елементів однієї підгрупи найсильніше виражені в елементів із найбільшим радіусом (найбільшим порядковим номером), а неметалічні — в елементів із найменшим радіусом (найменшим порядковим номером) (мал. 4.2).

Окисно-відновні властивості простих речовин

З металічними та неметалічними властивостями хімічних елементів тісно пов'язані й окисно-відновні властивості простих речовин, що вони утворюють.

Оскільки металічні властивості пов'язані зі здатністю атомів віддавати електрони, то чим активніший метал, тим сильнішим відновником він є. Так само щодо неметалічних властивостей, що пов'язані зі здатністю приймати електрони. Чим активніші неметалічні властивості, тим сильнішим окисником є речовина.

• Зі збільшенням порядкового номера в періодах відновні властивості послаблюються, а окисні — посилюються.

• У групах відновні властивості посилюються, а окисні послаблюються.

Кислотно-основні властивості оксидів та гідратів оксидів

З металічними та неметалічними властивостями хімічних елементів також тісно пов'язані кислотно-основні властивості їх оксидів та гідратів їх оксидів. Так, ви вже вивчали, що металічні елементи утворюють переважно основні речовини, а неметалічні — кислотні. Проаналізуйте зміну властивостей сполук у таблиці 3.

Як можна побачити, з послабленням металічних та посиленням неметалічних властивостей хімічних елементів характерно змінюються властивості їхніх оксидів та гідратів оксидів. Елементи на початку періоду утворюють основні речовини (оксиди та гідроксиди). Потім основні властивості послаблюються: Алюміній утворює вже амфотерні сполуки, які виявляють і кислотні, і основні властивості. А неметалічні елементи утворюють кислотні речовини, причому на прикладі гідратів оксидів добре видно, як вони змінюються: від слабкої силікатної кислоти до дуже сильної перхлоратної кислоти (HClO4 — одна з найсильніших кислот).

Таблиця 3. Кислотно-основні властивості оксидів та їхніх гідратів елементів третього періоду

Ознака для порівняння

Формули та властивості

Характер елемента

Металічний

Металічний

Металічний

Неметалічний

Неметалічний

Неметалічний

Неметалічний

Вищий оксид

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

P2O5

SO3

CI2O7

Характер властивостей вищого оксиду

Основний

Основний

Амфотерний

Кислотний

Кислотний

Кислотний

Кислотний

Гідрат вищого оксиду

NaOH

Mg(OH)2

Аl(ОН)3

H2SiO3

H3PO4

H2SO4

HClO4

Характер гідрату вищого оксиду

Сильна основа (луг)

Основа

Амфотерний гідроксид

Слабка кислота

Кислота середньої сили

Сильна кислота

Дуже сильна кислота

Отже, властивості хімічних елементів та їхніх сполук періодично змінюються, що значною мірою зумовлено періодичністю змін у будові електронних оболонок атомів. А Францій та Флуор — рекордсмени за багатьма властивостями (мал. 4.3).

Мал. 4.3. Хімічні елементи з рекордними властивостями

Ключова ідея

Періодичність змін властивостей хімічних елементів та їхніх сполук пов'язана з періодичністю повторюваності електронної будови атомів.

Сер Вільям Рамзай (1852-1916)

Нобелівський лауреат 1904 р. Відкрив інертні елементи, обґрунтував їх місце в Періодичній системі

Контрольні запитання

48. Чим зумовлені металічні та неметалічні властивості елементів?

49. Як за Періодичною системою визначити число валентних електронів в електронних оболонках атомів хімічних елементів головних підгруп?

50. Чому атоми приймають або віддають електрони в хімічних реакціях?

51. Схарактеризуйте та поясніть зміни в періодах та групах: а) сили притягання валентних електронів до ядра; б) металічних та неметалічних властивостей; в) радіуса атомів; г) електронегативності елементів; д) окисно-відновних властивостей простих речовин; е) кислотно-основних властивостей оксидів та гідратів оксидів.

52. Назвіть елемент, що має: а) найбільшу електронегативність; б) найменшу електронегативність; в) найбільший радіус атома; г) найменший радіус атома; д) найсильніші металічні властивості; е) найсильніші неметалічні властивості.

Завдання для засвоєння матеріалу

53. Поясніть, чому Натрій і Калій є електронними аналогами.

54. Який елемент другого періоду є електронним аналогом Магнію?

55. Які хімічні елементи є електронними аналогами: а) Карбону; б) Нітрогену? Складіть електронну формулу атома одного з них та схарактеризуйте, у чому полягає подібність у властивостях елементів та їхніх сполук.

56. Складіть графічні електронні формули атомів елементів із порядковими номерами 11, 13 та 15. Складіть формули їхніх вищих оксидів та гідратів оксидів. Порівняйте їхні: а) металічні та неметалічні властивості; б) електронегативності; в) окисно-відновні властивості простих речовин; г) кислотно-основні властивості оксидів і гідратів оксидів.

57. Наведіть по одному прикладу елемента третього періоду, що: а) є активнішим металічним елементом за Літій; б) є активнішим неметалічним елементом за Фосфор; в) має електронегативність більшу за Нітроген; г) є менш активним окисником за Сульфур; д) є більш активним відновником за Алюміній; е) утворює гідрат вищого оксиду із сильнішими за Силіцій кислотними властивостями.

Завдання з розвитку критичного мислення

58. Як ви вважаєте, зміною яких властивостей атомів чи елементів можна пояснити зміну: а) неметалічних та металічних властивостей елементів; б) окисно-відновних властивостей речовин?

59. Схарактеризуйте причинно-наслідкові зв'язки між характером вищих оксидів та гідратів вищих оксидів елементів з: а) неметалічними чи металічними властивостями цих елементів; б) електронегативністю цих елементів; в) радіусом атомів цих елементів.

• Перевірте свої знання за темою «Періодичний закон і Періодична система хімічних елементів», виконавши тестові завдання на сайті.