Изменение свойств элементов в периодической системе

Дмитрий Иванович Менделеев открыл периодический закон в 1869 году. Первый вариант таблицы датирован 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года, и в него вошли все 63 элемента, известные к тому времени. Менделеев расставил их по возрастанию атомной массы и заметил, что сходные свойства повторяются через равные промежутки. Там, где масса спорила со свойствами, он верил свойствам. Теллур у него стоит перед иодом, хотя атомная масса теллура больше: иод похож на хлор и бром, а теллур — на серу и селен.

Для ещё не открытых элементов Менделеев оставил пустые клетки и заранее описал их свойства. Предсказания сбылись при его жизни: галлий открыл Поль Эмиль Лекок де Буабодран в 1875 году, скандий — Ларс Нильсон в 1879 году, германий — Клеменс Винклер в 1886 году. Перестановку теллура и иода Менделеев сделал сам, только по химическим свойствам. Физический смысл у неё появился позже. В 1913 году Генри Мозли показал, что порядковый номер элемента равен заряду ядра атома, а заряд ядра у теллура 52, у иода 53. С тех пор периодический закон формулируют через заряд ядра.

Радиус атома уменьшается по периоду и растёт вниз по группе

В пределах периода у всех атомов одинаковое число энергетических уровней. Заряд ядра при этом растёт от элемента к элементу, и внешние электроны притягиваются сильнее. Поэтому в третьем периоде самый крупный атом у натрия, а самый маленький среди элементов от натрия до хлора — у хлора.

Вниз по группе добавляется по одному энергетическому уровню. Радиус растёт. Атом цезия намного крупнее атома лития, хотя оба стоят в IA-группе и имеют по одному электрону на внешнем уровне.

Электроотрицательность растёт к фтору

Электроотрицательность показывает, насколько сильно атом оттягивает к себе общие электроны химической связи. Шкалу электроотрицательности предложил Лайнус Полинг в 1932 году, и ею пользуются до сих пор. Самый электроотрицательный элемент — фтор: 4,0 по шкале Полинга. По периоду электроотрицательность растёт слева направо, по группе уменьшается сверху вниз. Меньше всего она у щелочных металлов в нижней части таблицы.

Из этого правила следует знак степени окисления. В соединении OF₂ кислород получает +2, потому что фтор оттягивает электроны сильнее. В оксиде хлора Cl₂O₇ кислород снова отрицательный, у него −2.

Металлические свойства ослабевают по периоду

Чем крупнее атом и чем меньше электронов на внешнем уровне, тем легче он их отдаёт. Отдавать электроны — значит быть восстановителем и проявлять металлические свойства. В третьем периоде это видно на реакции с водой: натрий бурно реагирует с холодной водой, магний — заметно только с горячей, алюминий — лишь после снятия оксидной плёнки. Хлор на другом конце периода уже сильный окислитель.

По группе металлические свойства усиливаются. Калий реагирует с водой энергичнее натрия, цезий ещё энергичнее. В VIIA-группе картина зеркальная: окислительная сила падает от фтора к иоду.

Высшие оксиды третьего периода переходят от основных к кислотным

Высшая степень окисления элемента главной подгруппы обычно равна номеру группы. Отсюда формулы высших оксидов и гидроксидов третьего периода:

• Na₂O и MgO — основные оксиды, им отвечают основания NaOH и Mg(OH)₂;

• Al₂O₃ — амфотерный оксид, Al(OH)₃ реагирует и с кислотами, и со щелочами;

• SiO₂, P₂O₅, SO₃ и Cl₂O₇ — кислотные оксиды, им отвечают H₂SiO₃, H₃PO₄, H₂SO₄ и HClO₄.

Сила кислот в этом ряду растёт. Кремниевая кислота слабая и нерастворимая, а хлорная HClO₄ — одна из сильнейших неорганических кислот. Та же тенденция у летучих водородных соединений SiH₄, PH₃, H₂S и HCl: водный раствор хлороводорода — сильная соляная кислота, раствор сероводорода — слабая кислота.

Чаще всего путают направление изменений

• ❌ Радиус растёт слева направо, потому что растёт номер элемента. ✅ Заряд ядра растёт, а уровней столько же, поэтому радиус уменьшается.

• ❌ Высшая степень окисления фтора +7, как у хлора. ✅ Фтор положительных степеней окисления не проявляет.

• ❌ Чем больше электроотрицательность, тем сильнее металлические свойства. ✅ Наоборот, металлы — элементы с малой электроотрицательностью.

Три задачи на закономерности решаются по положению в таблице

Задача 1. Расположи элементы K, Na, Mg и Al в порядке уменьшения радиуса атома.

1. Натрий, магний и алюминий стоят в третьем периоде; по периоду радиус уменьшается: Na > Mg > Al.

2. Калий стоит в той же группе, что натрий, но в четвёртом периоде. У него на один уровень больше, поэтому K > Na.

3. Объединяем оба ряда.

Ответ: K, Na, Mg, Al.

Задача 2. Высший оксид элемента VIA-группы содержит 40 % элемента по массе. Определи элемент.

1. Высшая степень окисления элемента VIA-группы +6, формула оксида RO₃.

2. Масса кислорода в 1 моль оксида: 3 · 16 = 48 г. На кислород приходится 60 % массы оксида.

3. Масса оксида: 48 / 0,6 = 80 г, масса элемента: 80 − 48 = 32 г.

4. Молярная масса 32 г/моль у серы, оксид SO₃.

Ответ: сера.

Задача 3. Расположи кислоты H₂SO₄, H₂SiO₃, HClO₄ и H₃PO₄ в порядке усиления кислотных свойств.

1. Все четыре кислоты — высшие гидроксиды элементов третьего периода: Si, P, S, Cl.

2. Слева направо по периоду неметаллические свойства усиливаются, и кислотный характер гидроксидов растёт.

3. Порядок элементов Si → P → S → Cl даёт порядок кислот.

Ответ: H₂SiO₃, H₃PO₄, H₂SO₄, HClO₄.