ПЕРИОДИЧНОСТЬ

Из табл. 11.9 видно, что внешняя электронная конфигурация элементов представляет собой периодическую функцию. Например, все металлы в группе I имеют во внешней оболочке один электрон. Затем число внешних электронов в каждом из двух коротких периодов (2-й и 3-й периоды) последовательно возрастает до восьми. Каждый раз после этого оно снова сразу уменьшается до одного. Поскольку многие физические и химические свойства элементов зависят от внешней электронной конфигурации элементов, следует ожидать, что эти свойства тоже должны периодически изменяться в соответствии с изменением внешней электронной конфигурации.

Примеры периодичности приводятся много раз по всей книге. Например, периодичность энергий ионизации обсуждается в разд. 1.2 (см. рис. 1.16). Закономерности изменения физических и химических свойств элементов при перемещении вдоль групп подробно обсуждаются в следующих главах. Поэтому в данной главе мы лишь кратко сформулируем важнейшие из подобных закономерностей.

Структура и физические свойства

Соотношения между электронной конфигурацией, типом химической связи, структурой и физическими свойствами элементов подробно описаны в гл. 2. В табл. 11.10 показаны изменения в структуре и типе химической связи у элементов 2-го и 3-го периодов. При перемещении слева направо вдоль периода металлические свойства элементов становятся все менее ярко выраженными. При перемещении сверху вниз в пределах одной группы элементы, наоборот, обнаруживают все более ярко выраженные металлические свойства. Элементы, расположенные в средней части коротких периодов (2-й и 3-й периоды), как правило, имеют каркасную ковалентную структуру, а элементы из правой части этих периодов существуют в виде простых ковалентных молекул.

Таблица 11.10. Структура химических элементов 2-го и 3-го периодов

Рис. 11.5. Зависимость температур плавления и кипения элементов от их атомного номера.

Эти изменения в структуре элементов находят некоторое отражение в изменении их температуры плавления, температуры кипения, энтальпии плавления, энтальпии испарения и плотности (рис. 11.5 11.7). В общем из рассмотрения всех этих физических свойств можно заключить, что при перемещении вдоль периода они постепенно возрастают, пока не достигнут некоторого максимума. Этот максимум приходится на элементы, обладающие каркасной ковалентной структурой. Все благородные газы (они существуют в виде несвязанных атомов) и элементы, существующие в виде простых молекул, характеризуются низкими значениями указанных свойств. Так, при комнатной температуре и нормальном давлении все они существуют в виде газов или кристаллов с низкой температурой плавления.

Атомные и ионные радиусы

Выше мы уже отмечали, что кривые атомного объема Мейера послужили одним из доказательств периодичности элементов (см. рис. 11.2). Атомные радиусы (т. е. ковалентные радиусы) элементов тоже обнаруживают периодичность. На рис. 11.8 показано, что атомные радиусы изменяются следующим образом:

уменьшаются при перемещении слева направо вдоль периода, увеличиваются при перемещении сверху вниз вдоль группы.

Рис. 11.6. Зависимость энтальпии испарения и плавления элементов от их атомного номера.

Катионные радиусы меньше, а анионные радиусы больше атомных радиусов (рис. 11.9). Все они уменьшаются при перемещении слева направо вдоль периода и возрастают при перемещении сверху вниз в одной группе. Примерами этой закономерности могут служить щелочные металлы (см. разд. 13.1 и табл. 13.2) и галогены (см. разд. 16.1 и табл. 16.1).

Рис. 11.7. Зависимость плотности элементов от их атомного номера.

Рис. 11.8. Зависимость атомного радиуса элементов от их атомного номера.

Рис. 11.9. Сопоставление ионных и ковалентных радиусов у элементов 3-го периода.

Энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность

Первые энергии ионизации элементов 3-го периода и группы О (VIII) указаны в табл. 1.3. На рис. 1.16 показан график изменения первой энергии ионизации элементов в зависимости от их атомного номера (от 1 до 20). График, изображенный на рис. 1.16, ясно показывает, что первая энергия ионизации имеет минимальное значение для металлов I группы, а затем при перемещении вправо вдоль периода возрастает и достигает максимума у благородных газов. Этот график и данные, приведенные в табл. 1.3, показывают, что первая энергия ионизации уменьшается при перемещении сверху вниз вдоль группы.

Изменения сродства к электрону (см. разд. 2.1) менее очевидны, чем изменения энергии ионизации. Это объясняется меньшим количеством доступных экспериментальных

Рис. 11.10. Периодические изменения электроотрицательности элементов.

данных. Однако в общем можно утверждать, что сродство к электрону возрастает слева направо вдоль периода и достигает максимума у галогенов. Изменения сродства к электрону элементов при перемещении сверху вниз вдоль одной группы не столь характерны.

Однако электроотрицательность элементов изменяется вполне закономерно. Эти изменения можно проследить по данным табл. 2.2. Если по ним построить график зависимости электроотрицательности от атомного номера элемента, то сразу же обнаружится, что при перемещении слева направо вдоль периода электроотрицательность возрастает и достигает максимума у галогенов (см. рис. 11.10). Затем она резко уменьшается до нуля при переходе к благородным газам. Этот график показывает также, что электроотрицательность уменьшается при переходе сверху вниз вдоль каждой группы.