Периодические закономерности: как меняются атомный радиус, электроотрицательность и энергия ионизации
Периодические закономерности — это регулярные изменения свойств элементов по периодической таблице. При движении слева направо вдоль периода атомный радиус, как правило, уменьшается, а электроотрицательность и энергия ионизации растут; при движении вниз по группе атомный радиус растёт, а электроотрицательность и энергия ионизации уменьшаются. Металлические свойства меняются в обратную сторону и наиболее выражены в левом нижнем углу таблицы.
Две идеи за каждой закономерностью
Почти каждая закономерность объясняется двумя эффектами. Первый — заряд ядра. Вдоль периода у каждого следующего элемента на один протон больше, поэтому ядро сильнее притягивает электроны. Электроны, добавляемые на ту же оболочку, мало экранируют друг друга, поэтому внешние электроны слева направо ощущают всё более сильное притяжение, называемое эффективным зарядом ядра.
Второй — число оболочек. Вниз по группе у каждого элемента на одну занятую оболочку больше, поэтому внешние электроны находятся дальше от ядра и экранируются большим числом внутренних электронов. Они удерживаются слабее, хотя в ядре больше протонов.
Атомный радиус
Атомный радиус измеряет размер атома. Вдоль периода он, как правило, уменьшается, потому что более сильное притяжение стягивает электронное облако внутрь. Вниз по группе он растёт, потому что каждая новая оболочка расположена дальше. Положительные ионы меньше своих атомов, а отрицательные — больше.
Щелочные металлы чётко показывают закономерность по группе в данных этого сайта: литий 182 pm, натрий 227 pm, калий 275 pm, рубидий 303 pm и цезий 343 pm. Значения радиусов зависят от способа измерения (ковалентные, металлические или ван-дер-ваальсовы радиусы), поэтому в разных таблицах числа различаются, а закономерность вдоль периода — это общая тенденция, а не идеально плавное изменение.
Электроотрицательность
Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом притягивает общие электроны в химической связи. По шкале Полинга она растёт вдоль периода и уменьшается вниз по группе.
Во 2-м периоде она поднимается от лития (0,98) через углерод (2,55) и кислород (3,44) до фтора (3,98) — самого электроотрицательного элемента. Вниз по 17-й группе она убывает от фтора к хлору (3,16), брому (2,96) и иоду (2,66). Самые низкие значения — в левом нижнем углу, например у цезия 0,79. У гелия, неона и аргона значений нет, поскольку они не образуют устойчивых соединений.
Разность электроотрицательностей позволяет предсказать тип связи. Большая разность, как между натрием (0,93) и хлором (3,16), даёт ионную связь, а малая — ковалентную.
Энергия ионизации
Энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления внешнего электрона из атома в газовой фазе. Она растёт вдоль периода, потому что электроны удерживаются прочнее, и уменьшается вниз по группе, потому что внешний электрон находится дальше от ядра.
Вдоль 3-го периода она растёт от 5,139 eV у натрия до 15,76 eV у аргона, а вниз по 1-й группе падает от 5,392 eV у лития до 3,894 eV у цезия. У гелия самая высокая первая энергия ионизации среди всех элементов — 24,587 eV. По пути встречаются небольшие провалы: у бора она ниже, чем у бериллия, потому что его внешний электрон находится на более высокой по энергии 2p-подоболочке, а у кислорода ниже, чем у азота, потому что его четвёртый 2p-электрон делит орбиталь с другим, и отталкивание облегчает его удаление.
Металлические свойства и реакционная способность
Металлические свойства описывают, насколько легко атом теряет электроны. Они следуют закономерности, обратной энергии ионизации: уменьшаются вдоль периода и растут вниз по группе. Поэтому наиболее металлические элементы, такие как цезий и франций, находятся в левом нижнем углу, а наиболее неметаллические, такие как фтор и кислород, — в правом верхнем.
Реакционная способность следует из этих закономерностей, но зависит от группы. Щелочные металлы становятся активнее вниз по группе, потому что их единственный валентный электрон легче потерять: литий реагирует с водой спокойно, а калий — бурно. Галогены вниз по группе становятся менее активными, потому что более крупные атомы слабее притягивают лишний электрон, поэтому фтор — самый активный галоген.
Главное
- Вдоль периода атомный радиус уменьшается, а электроотрицательность и энергия ионизации растут.
- Вниз по группе атомный радиус растёт, а электроотрицательность и энергия ионизации уменьшаются.
- Фтор — самый электроотрицательный элемент (3,98), а у гелия самая высокая энергия ионизации (24,587 eV).
- Металлические свойства усиливаются к левому нижнему углу таблицы, а неметаллические — к правому верхнему.
- Закономерности возникают из-за того, что заряд ядра притягивает электроны внутрь, а дополнительные оболочки удерживают их дальше.
Проверьте себя
Три быстрых вопроса по этому уроку.
1. Что обычно происходит с атомным радиусом при движении слева направо вдоль периода?
Показать ответ
Он уменьшается — Растущий заряд ядра сильнее притягивает электроны той же оболочки, поэтому атомы становятся меньше.2. Какой элемент самый электроотрицательный?
Показать ответ
Фтор — У фтора самая высокая электроотрицательность среди всех элементов — 3,98 по шкале Полинга.3. Почему энергия ионизации уменьшается вниз по группе?