Періодичні тенденції: як змінюються атомний радіус, електронегативність та енергія йонізації
Періодичні тенденції — це регулярні закономірності у властивостях елементів у періодичній таблиці. Зліва направо вздовж періоду атомний радіус зазвичай зменшується, а електронегативність та енергія йонізації зростають; униз по групі атомний радіус збільшується, а електронегативність та енергія йонізації зменшуються. Металічність змінюється навпаки й найбільша в нижньому лівому куті таблиці.
Дві ідеї за кожною тенденцією
Майже кожна тенденція випливає з двох ефектів. Перший — заряд ядра. Вздовж періоду кожен елемент має на один протон більше, тож ядро сильніше притягує електрони. Електрони, додані на ту саму оболонку, мало екранують один одного, тому зовнішні електрони відчувають дедалі сильніше притягання, яке називається ефективним зарядом ядра, зліва направо.
Другий — кількість оболонок. Униз по групі кожен елемент має на одну заповнену оболонку більше, тож зовнішні електрони розташовані далі від ядра й екрановані більшою кількістю внутрішніх електронів. Вони утримуються слабше, хоча ядро має більше протонів.
Атомний радіус
Атомний радіус вимірює розмір атома. Вздовж періоду він зазвичай зменшується, бо сильніше притягання стягує електронну хмару всередину. Униз по групі він збільшується, бо кожна нова оболонка розташована далі. Позитивні йони менші за свої атоми, а негативні — більші.
Лужні метали чітко показують тенденцію в групі за даними цього сайту: літій 182 pm, натрій 227 pm, калій 275 pm, рубідій 303 pm і цезій 343 pm. Значення радіусів залежать від способу вимірювання (ковалентні, металічні або ван-дер-ваальсові радіуси), тому різні таблиці дають різні числа, а тенденція вздовж періоду — це загальна закономірність, а не абсолютно плавна зміна.
Електронегативність
Електронегативність вимірює, наскільки сильно атом притягує спільні електрони в хімічному зв’язку. За шкалою Полінга вона зростає вздовж періоду й спадає вниз по групі.
У 2-му періоді вона зростає від літію (0,98) через вуглець (2,55) і кисень (3,44) до фтору (3,98), найелектронегативнішого елемента. Униз по 17-й групі вона спадає від фтору до хлору (3,16), брому (2,96) та йоду (2,66). Найнижчі значення — у нижньому лівому куті, наприклад цезій має 0,79. Гелій, неон і аргон не мають значення, бо не утворюють стабільних сполук.
Різниця електронегативностей передбачає тип зв’язку. Велика різниця, як між натрієм (0,93) і хлором (3,16), дає йонний зв’язок, а мала різниця — ковалентний.
Енергія йонізації
Енергія йонізації — це енергія, потрібна для відщеплення зовнішнього електрона від атома в газовій фазі. Вона зростає вздовж періоду, бо електрони утримуються міцніше, і спадає вниз по групі, бо зовнішній електрон розташований далі від ядра.
Вздовж 3-го періоду вона зростає від 5,139 eV для натрію до 15,76 eV для аргону, а вниз по 1-й групі спадає від 5,392 eV для літію до 3,894 eV для цезію. Гелій має найвищу першу енергію йонізації з усіх елементів — 24,587 eV. По дорозі трапляються невеликі провали: у бору вона нижча, ніж у берилію, бо його зовнішній електрон перебуває на підоболонці 2p з вищою енергією, а в кисню нижча, ніж в азоту, бо його четвертий електрон 2p ділить орбіталь, де відштовхування полегшує його відщеплення.
Металічність і реакційна здатність
Металічність описує, наскільки легко атом віддає електрони. Вона має протилежну до енергії йонізації закономірність: зменшується вздовж періоду й збільшується вниз по групі. Тому найбільш металічні елементи, як-от цезій і францій, розташовані в нижньому лівому куті, а найбільш неметалічні, як-от фтор і кисень, — у верхньому правому.
Реакційна здатність випливає з цих тенденцій, але залежить від групи. Лужні метали стають реакційноздатнішими вниз по групі, бо їхній єдиний валентний електрон легше віддати: літій реагує з водою спокійно, а калій — бурхливо. Галогени стають менш реакційноздатними вниз по групі, бо більші атоми слабше притягують додатковий електрон, тож фтор — найреакційноздатніший галоген.
Головне
- Вздовж періоду атомний радіус зменшується, а електронегативність та енергія йонізації зростають.
- Униз по групі атомний радіус збільшується, а електронегативність та енергія йонізації зменшуються.
- Фтор — найелектронегативніший елемент (3,98), а гелій має найвищу енергію йонізації (24,587 eV).
- Металічність зростає до нижнього лівого кута таблиці, а неметалічність — до верхнього правого.
- Тенденції зумовлені зарядом ядра, що стягує електрони, і додатковими оболонками, що тримають їх далі.
Перевірте себе
Три швидкі запитання за цим уроком.
1. Що зазвичай відбувається з атомним радіусом під час руху зліва направо вздовж періоду?
Показати відповідь
Він зменшується — Зростаючий заряд ядра притягує електрони тієї самої оболонки ближче, тож атоми стають меншими.2. Який елемент найелектронегативніший?
Показати відповідь
Фтор — Фтор має найвищу електронегативність з усіх елементів — 3,98 за шкалою Полінга.3. Чому енергія йонізації зменшується вниз по групі?