§ 28. Зависимость некоторых химических свойств элементов от положения их в периодической системе Д. И. Менделеева

1. Наиболее четко периодичность химических свойств элементов проявляется в образовании ими определенных химических соединений. Состав соединений обусловливается степенью окисления элементов, образующих эти соединения. Положительная и отрицательная степень окисления элемента, как известно, определяется его положением в периодической системе Д. И. Менделеева.

С известной степенью допущения можно принять, что:

а) в соединениях с неметаллами ионы водорода можно рассматривать как однозарядные положительные ионы, т. е. как ионы, отличающиеся степенью окисления . В гидридах (например, ) ионы водорода несут по одному отрицательному заряду;

б) ионы кислорода в соединениях с металлами и неметаллами можно рассматривать как двузарядные отрицательные ионы (за исключением особых случаев соединений, например с фтором, ); т. е. как ионы, отличающиеся степенью окисления —II;

в) максимальная степень окисления элемента определяется номером группы периодической системы. Встречаются и отступления от этого правила. Например, элементы подгруппы IB, у атомов которых предпоследний электронный слой является восемнадцатиэлектронным , проявляют не только степень окисления , но и , например . Это объясняется тем, что элементы данной подгруппы относятся к -элементам, -электроны которых связаны менее прочно с ядром, чем - и р-электроны предпоследних слоев электронных оболочек атомов элементов подгруппы . Поэтому они способны терять не только по одному, но и по два, и по три электрона (исключение составляет также фтор, его характерная степень окисления —1);

г) металлы не дают соединений, в которых они входили бы в виде отрицательно заряженных ионов; неметаллы образуют соединения, в которые они входят в виде отрицательных ионов, причем максимальная отрицательная степень окисления их равна: 8 минус номер группы периодической системы, в которую входит данный элемент. Например, максимальная отрицательная степень окисления хлора и серы соответственно равны:

д) помимо соединений с максимальной положительной или отрицательной степенью окисления встречается много соединений с промежуточной степенью окисления элементов. Например, для элементов подгруппы , для которых внешний электронный слой имеет -строение, известны соединения, отвечающие различным степеням окисления, например, —III, для , относящегося к -элементам и характеризующемуся следующей электронной конфигурацией , известны соединения, характеризующиеся положительной, I, II, III, IV, V, VI, VII степенью окисления.

2. Периодичность химических свойств ясно проявляется и в отношении кислотно-основных функций, образуемых элементами гидроокисей и водородистых соединений:

а) основные свойства гидроокисей увеличиваются по мере увеличения электроположительного характера образующих их элементов. Наиболее сильными основаниями являются гидроокиси наиболее электроположительных элементов (т. е. элементов I и II главных групп). В главных подгруппах электроположительный характер элементов убывает по мере увеличения номера группы.

В пределах одной главной подгруппы электроположительный характер усиливается с увеличением порядковых номеров (т. е. по мере увеличения радиусов ионов);

атомы подгрупп В, например , отличаются меньшими радиусами по сравнении с атомами соответствующих элементов подгрупп А — . Вследствие этого у элементов побочных (В) подгрупп энергия химической связи с кислородом больше, чем у элементов главных (А) подгрупп. Поэтому гидроокиси элементов подгрупп (В) являются более слабыми основаниями;

б) кислотный характер гидроокисей проявляется тем сильнее, чем более ослаблена связь атомов кислорода в гидроокисях с водородом. В одном и том же ряду периодической системы для сравниваемых элементов сила образуемых ими кислородсодержащих кислот возрастает слева направо: и убывает в пределах одной и той же группы сверху вниз ;

в) кислотный характер водородистых соединений возрастает по мере увеличения электроотрицательного характера связанных с водородом элементов (в каждом ряду слева направо; в каждой группе сверху вниз).

3. Очень четко периодичность химических свойств элементов проявляется в отношении их окислительно-восстановительных функций:

а) чтобы оторвать электрон от атома или иона и удалить его на бесконечно далекое расстояние, нужно затратить определенную энергию (или работу). Меру этой работы называют ионизационным потенциалом или потенциалом ионизации.

Чем дальше электроны отстоят от ядра, тем слабее они удерживаются атомами и тем легче их удалить.

В периодах ионизационные потенциалы растут в направлении увеличения порядковых номеров элементов (рис. 37). Группа щелочных металлов отличается наименьшими значениями ионизационных потенциалов ; группа инертных газов — наибольшими .

В тесной связи с ионизационными потенциалами находятся восстановительные свойства атомов, меняющиеся в том же направлении, т. е. восстановительные свойства атомов падают в периодах слева направо, а в группах — снизу вверх по мере возрастания ионизационных потенциалов.

Наиболее сильными восстановителями являются щелочные металлы и некоторые другие элементы, занимающие наиболее низкие места на кривой ионизационных потенциалов;

б) окислительные свойства элементов, атомы которых имеют во внешнем слое электронов, растут в периодах по мере увеличения порядковых номеров, а в группах — снизу вверх.

Наиболее сильными окислителями являются фтор, хлор, кислород и другие элементы (неметаллы), находящиеся в VIIA и VIA подгруппах периодической системы;

в) восстановительные свойства также проявляют отрицательно заряженные ионы и др.), образующиеся в результате присоединения электронов к нейтральным атомам. Причем восстановительная способность ионов, несущих отрицательные заряды, растет в подгруппах по мере увеличения радиуса иона.

Среди отрицательно заряженных галоген-ионов самыми сильными восстановителями являются -ионы, имеющие наибольший радиус, самыми слабыми — -ионы, отличающиеся исключительной стабильностью и неспособностью окисляться самыми сильными окислителями;

г) ясно выраженные восстановительные свойства проявляются у некоторых положительных ионов металлов, способных окисляться в более положительно зарядные ионы. Такими восстановителями являются соединения ;

д) сильными окислителями являются сложные кислородсодержащие ионы неметаллов и др.) и металлов и др.), производные ионов неметаллов и металлов с максимальной положительной зарядностью и отрицательно зарядными ионами кислорода. Причем для элементов, занимающих верхние места в V, VI и VII группах (гомологических рядах) периодической системы, окислительная способность указанного типа сложных ионов, как правило, выше по сравнению с элементами тех же групп, расположенных ниже. Например, окислительная способность и т. д.

Рис. 37. Периодичность ионизационных потенциалов.

4. Определенные закономерности наблюдаются в способности элементов к комплексообразованию в связи с их положением в периодической системе Д. И. Менделеева:

а) элементы, отличающиеся наиболее стабильными электронными оболочками (нулевая группа и главные подгруппы I и VII групп), обладают минимумом способности к комплексообразованию;

б) максимумом способности к образованию комплексов обладают элементы VIII группы , Со, и расположенные в центре больших периодов

в) в главных подгруппах I и II групп способность к комплексообразованию падает с увеличением порядкового номера элемента; а в главных подгруппах IV, V, VI и VII групп растет с увеличением порядкового номера; главная подгруппа III группы занимает в этом отношении промежуточное положение;

г) в ряде побочных подгрупп наблюдается увеличение способности к комплексообразованию по мере увеличения порядковых номеров ().

Таким образом, состав образуемых химическими элементами разнообразных соединений, кислотно-основной характер гидроокисей и водородистых соединений, бкислительно-восстановительные свойства атомов, ионов и способность к комплексообразованию, обусловливаемые положением элементов в периодической системе, в известной мере объясняются электронной конфигурацией атомов и размерами радиусов атомов и ионов.