Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)
§ 27. Будова електронних оболонок і властивості хімічних елементів
Причина інертності інертних елементів
Знаючи електронну будову атома, можна передбачити властивості хімічних елементів і утворених ними сполук. Ці властивості зумовлені електронами, що перебувають на зовнішніх енергетичних рівнях.
Розгляньмо вплив будови зовнішнього енергетичного рівня на властивості хімічних елементів.
З-поміж хімічних елементів особливу групу становлять інертні елементи. Їхня особливість полягає в тому, що вони не «прагнуть» утворювати сполуки. В атомах інертних елементів надзвичайно стійка електронна оболонка, що зумовлює їхню хімічну інертність. У чому ж причина цієї стійкості?
Проаналізуймо склад зовнішнього енергетичного рівня інертних елементів:
В атомах Гелію на зовнішньому рівні є два електрони. Це максимальна місткість першого енергетичного рівня, отже в атомів Гелію електронна оболонка повністю заповнена. В атомах Неону зовнішній рівень також містить максимальне число електронів — вісім. В атомів інших інертних елементів (Аргону, Криптону тощо) на зовнішньому рівні також по 8 електронів. Їхній зовнішній енергетичний рівень хоча й не повністю заповнений, але в наступних елементах починає заповнюватися електронами черговий енергетичний рівень. Саме цим і пояснюється хімічна інертність цих елементів: вони зазвичай не сполучаються з іншими речовинами.
Отже, атоми із завершеними енергетичними рівнями або на зовнішньому рівні яких міститься вісім електронів, мають підвищену хімічну стійкість.
Металічні й неметалічні властивості хімічних елементів
• Для металічних елементів характерне невелике число електронів на зовнішньому енергетичному рівні (зазвичай 1-3).
• У неметалічних елементів найчастіше чотири й більше електронів на зовнішньому енергетичному рівні
Атоми всіх хімічних елементів прагнуть мати таку саму електронну оболонку, як в атомів інертних елементів. Для цього вони віддають або приєднують електрони, щоб їхня електронна оболонка стала такою, як в атома найближчого інертного елемента.
Якщо електронів на зовнішньому рівні мало, то їх легше віддати, що характерно для металічних елементів. А якщо електронів на зовнішньому рівні багато (4 і більше), то атоми прагнуть прийняти електрони, що характерно для неметалічних елементів.
Атоми більшості неметалічних елементів можуть також і віддавати електрони, але головна відмінність: атоми металічних елементів здатні лише віддавати електрони, а неметалічних — і віддавати, і приймати.
Розгляньмо лужний елемент Натрій — елемент 1-ї групи. Проста речовина, утворена Натрієм, — активний метал. Висока хімічна активність натрію пояснюється наявністю в його атомах на зовнішньому рівні єдиного електрона, який він легко віддає у хімічних реакціях. Утрачаючи цей електрон, атом Натрію перетворюється на катіон Na+, електронна будова якого така сама, як в атомів інертного елемента Неону:
Йони Na+ містяться в складі всіх сполук Натрію, зокрема соди й кухонної солі. На відміну від атомів Натрію, йони Натрію хімічно стабільні й майже не шкідливі для організму (мал. 27.1).
Мал. 27.1. Лужні метали — літій, натрій, калій (зображені ліворуч на кожному склі) — складаються з атомів відповідних металічних елементів і є м'якими та блискучими речовинами з високою реакційною здатністю. Йони цих лужних елементів, що містяться в складі хлоридів (зображені праворуч), є хімічно стабільними
Увесь Натрій, що міститься в організмі людини (близько 90 г), перебуває саме у вигляді йонів.
Розгляньмо галоген Флуор — елемент 17-ї групи. Проста речовина, утворена Флуором, — активний неметал. Висока хімічна активність фтору пояснюється тим, що в його атомах на зовнішньому рівні є сім електронів. До його завершення бракує лише одного електрона, тому для Флуору характерним є процес приєднання електрона. Так, атом Флуору, приєднуючи один електрон, перетворюється на аніон F-, що має електронну будову, як в атомів інертного елемента Неону:
Розгляньмо Карбон — елемент 14-ї групи. Його атоми на зовнішньому рівні містять по чотири електрони. Вони можуть набути електронної будови атомів Гелію, віддавши чотири електрони, або атомів Неону, прийнявши чотири електрони:
Отже, Карбон може виявляти як металічні, так і неметалічні властивості. Але Карбон відносять до неметалічних елементів, оскільки головна ознака неметалічних елементів — це здатність приєднувати електрони, і вона переважає над здатністю їх віддавати.
В атомів хімічних елементів 3-12 груп на зовнішньому енергетичному рівні переважно є по два електрони. Тому всі ці елементи є металічними, як і всі хімічні елементи родин лантаноїдів й актиноїдів.
Зміна металічних і неметалічних властивостей хімічних елементів і простих речовин
У різних хімічних елементів — металічних або неметалічних — різна хімічна активність. Це також зумовлене числом електронів на зовнішньому енергетичному рівні їхніх атомів.
Атомам елементів 1-ї групи потрібно віддати один електрон, а 2-ї групи — два електрони. Один електрон віддати легше, ніж два. Отже, що більше електронів на зовнішньому рівні, тим атомам складніше їх віддавати. Саме тому зі збільшенням числа електронів на зовнішньому рівні (у періодах) металічні властивості елементів послаблюються.
Що більше електронів бракує атому до завершення енергетичного рівня, тим важче їх приєднувати. Тому чим менше електронів на зовнішньому шарі, тим слабшими є неметалічні властивості елементів.
У періоді зі збільшенням порядкового номера металічні властивості елементів і утворених ними простих речовин послаблюються, а неметалічні — посилюються (мал. 27.2).
Мал. 27.2. Зміна властивостей хімічних елементів 3-го періоду й утворених ними простих речовин
В елементів однієї групи на зовнішньому енергетичному рівні є однакове число електронів. Наприклад, у лужних елементів в усіх атомів по одному електрону, але вони розташовані на різних енергетичних рівнях: в атомів Літію — на другому, Натрію — на третьому тощо. Що далі від ядра розташовані зовнішні електрони, тим слабше вони притягуються до нього. Тому атоми Натрію втрачають електрони легше, ніж атоми Літію, унаслідок чого натрій більш хімічно активний, ніж літій.
Зі збільшенням числа енергетичних рівнів зовнішні електрони легше втрачати, тому металічні властивості в групах посилюються. Разом із цим неметалічні властивості елементів у групах зі збільшенням розміру атомів послаблюються. Металічні властивості елементів однієї групи найсильніше виражені в елементів із найбільшим порядковим номером, а неметалічні — в елементів із найменшим порядковим номером (мал. 27.3).
Мал. 27.3. Зміна властивостей хімічних елементів 15-ї групи й утворених ними простих речовин
Зі збільшенням порядкового номера:
- у періодах металічні властивості послаблюються, а неметалічні — посилюються;
- у групах металічні властивості посилюються, а неметалічні — послаблюються
З-поміж усіх хімічних елементів найсильніше металічні властивості виражені у Францію (оскільки Францій у природі не трапляється, а добутий штучно, то з-поміж існуючих елементів — у Цезію). А найсильніші неметалічні властивості — у Флуору.
Робота з інформацією
336. Чим зумовлені металічні та неметалічні властивості хімічних елементів?
337. Чому атоми приймають або віддають електрони в хімічних реакціях?
338. Як змінюється сила притягання електронів зовнішнього енергетичного рівня до ядра в періоді й у групі?
339. Як змінюються металічні й неметалічні властивості елементів у групах і періодах Періодичної таблиці зі збільшенням порядкового номера? Чим можна пояснити такі зміни?
340. Скільки протонів і електронів містить: а) атом Алюмінію; б) йон Аl3+ ?
341. Атом якого хімічного елемента містить стільки ж електронів, скільки їх у йоні Na+?
342. Порівняйте електронну будову йонів S2-, Сl-, К+, Са2+ із будовою атома Аргону.
343. Скільки електронів бракує до завершення зовнішнього енергетичного рівня атомам: а) Оксигену; б) Хлору; в) Силіцию?
344. Йон певного хімічного елемента Е2+ має таку саму електронну будову, як і атом Неону. Визначте цей елемент.
345. За Періодичною таблицею визначте число електронів, яке максимально може віддавати та приєднувати в хімічних реакціях атом Фосфору.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
346. Чому істотно відрізняються за властивостями хімічні елементи 1-ї та 17-ї груп? Поясніть відповідь із погляду будови їхніх електронних оболонок.
347. У чому полягає відмінність електронної оболонки йона Натрію від електронних оболонок: а) атома Натрію; б) атома Неону; в) йона К+?
348. Чому хімічні елементи Флуор і Хлор мають подібні властивості?
