Периодический закон и периодическая система элементов Лекция

Периодический закон и периодическая система элементов Лекция 23 по курсу «Общая химия»

История открытия периодичности 1829 - триады Дёберейнера Li Ca P S Cl Na Sr As Se Br K Ba Sb Te I Закон триад: атомная масса среднего элемента триады близка к среднему арифметическому атомных масс крайних элементов (7 + 39)/2 = 23 И. В. Дёберейнер

История открытия периодичности 1862 – спираль Шанкуртуа А. Э. Бегуйе де Шанкуртуа

История открытия периодичности 1864 – октавы Ньюлендса Химически сходные элементы – Д. Ньюлендс на одной горизонтальной линии.

История открытия периодичности 1864 - таблица Мейера Ю. Л. Мейер

Периодический закон (1869) "Свойства простых Свойства атомов, веществ, а также химических элементов формы и свойства и их соединений находятся в элементов находятся периодической в периодической зависимости от заряда ядра атомов атомных элементов. весов элементов". (Современная формулировка Д. И. Менделеев периодического

Что такое «периодическая зависимость» ? Периодический [греч. periodikos] – появляю- щийся через определенные промежутки вре- мени, в определенные сроки; возвращающий- ся, вновь наступающий. (Словарь иностранных слов) Периодическая зависимость: значение зависимой переменной то увеличивается, то уменьшается (обычно через регулярные промежутки). Периодическая Непериодическая зависимость

Свойства атомов Основная харак- теристика атома Заряд ядра Основное состояние Количество Возбужденное электронов состояние Определяется: 1. Принципом Паули Электронная Определяется: 2. Принципом наименьшей конфигурация Только принципом Паули энергии 3. Правилом Хунда Орбитальный Энергия Сродство радиус ионизации к электрону В отличие от прочих ЭО по Малликену – радиусов, относится к Электроотри- среднее арифметическое изолированному атому цательность энергии ионизации и сродства к электрону

Свойства элементов Химический элемент – вид атомов с определенным положительным зарядом ядра. Свойства элемента относятся ко всей +элемент с совокупности его атомов и их возможных ЭО Молеку- меньшей лярные состояний (в том числе и в составе анион или отрица- тельно поляризован- Простые Атомные соединений)! вещества ный атом Способы Металлы +элемент с существования близкой ЭО Бинарные атом, связанный кова- элемента Сложные лентными малополяр- вещества Многоэле- ными связями ментные +элемент с большей ЭО Комп- катион или лексные положительно поляризованный атом

Электронная конфигурация Что входит в это понятие? • Какие электроны относятся к валентным? • Сколько вакантных орбиталей в валентной зоне? • Сколько неподеленных пар в валентной зоне? • Какие возможны возбужденные состояния?

Радиусы атомов и ионов Половина расстояния между r(O 2–) = 126 пм Радиус Половина расстояния между атомами в соседних молекулах атомами в решетке металла Расчетный Экспериментальный Связанных атомов Несвязанных атомов (ионов) Орбитальный Ионный Ковалентный Металлический Вандерваальсов Расстояние от ядра до Половина расстояния между самого дальнего максимума электронной плотности атомами в молекуле Э 2

Радиусы: атомы и катионы

Радиусы: атомы и анионы

Закономерности изменения орбитальных радиусов атомов в периодической системе Уменьшается по периоду Растет по группе d-сжатие f-сжатие

Энергия ионизации Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома Э (в основном состоянии) и его удаления на бесконечно большое расстояние с образованием катиона Э+. Называют также потенциалом ионизации. Измеряется в к. Дж/моль или э. В/атом 1 э. В = 1. 60217646 × 10 -19 Дж

Аномалии энергии ионизации Заполненный подуровень Be Полузаполненный подуровень B N O

Сродство к электрону Энергия, выделяющаяся присоединении электрона к нейтральному атому Э в основном состоянии с превращением его в анион Э–

Электроотрицательность Способность атома оттягивать к себе электронную плотность от ковалентно связанных с ним атомов По Полингу: разность ЭО элементов А и В вычисляется через энергии диссоциации Ed (выраженные в э. В) для связей А-А, В-В и А-В: χH принимается условно равной 2. 2 Существует много других шкал ЭО!

Электроотрицательность по Полингу: аномалии Изменение ЭО по группам VIIA VA IVA IIIA IIA Pb IA Периоды

Электроотрицательность по Малликену Среднее арифметическое между энергией ионизации и сродством к электрону данного атома. к. Дж/моль Соотношение ЭО по Полингу и Малликену

Электроотрицательность по Оллреду-Рохову Вычисляется через эффективный заряд атома: Один из наиболее корректных методов определения ЭО! Самый новый метод предложен в 2008 г. Noorizadeh, S. ; Shakerzadeh, E. J. (2008). "A New Scale of Electronegativity Based on Electrophilicity Index". Physical Chemistry A 112 (15): 3486– 3491.

Особенности электроотрицательности Cвойство скорее элемента, чем атома, т. к. зависит от 1) заряда ядра и строения электронной оболочки 2) степени окисления. Cr. Cl 2 – между Cr и Cl ионная связь Cr. Cl 3 – между Cr и Cl ковалентная сильнополярная связь; близка к ионной (в водном растворе диссоциация с образованием гидратированных катионов Cr 3+). Cr. O 2 Cl 2 – между Cr и Cl ковалентная полярная связь (в водном растворе нет катионов, идет гидролиз до кислоты): 2 Cr. O 2 Cl 2 + 3 H 2 O = H 2 Cr 2 O 7 + 4 HCl Степень окисления Cr +2 +3 +4 +6 ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ ВОЗРАСТАЕТ

Характеристики веществ • Плотность, тепло- и электропроводность, температуры плавления и кипения: тип кристаллической решетки и химической связи. • Δf. H 0298: выделяется или поглощается энергия при образовании вещества из наиболее устойчивых форм простых веществ при стандартных условиях. • Δf. G 0298: устойчиво ли вещество термодинамически при стандартных условиях в отношении распада на простые вещества.

Характеристики веществ Е 0: насколько сильный окислитель (восстановитель) в стандартных условиях. Cr 3+ + 3 e = Cr 0, E 0 = -0, 74 B Cr 3+ не проявляет окислительных свойств, Cr 0 – восстановитель (в щелочной среде – сильнее, т. к. E 0 = -1, 33 B) Cr 2 O 72– +14 H+ + 3 e = Cr 3+, E 0 = 1, 38 B Cr 3+ не проявляет восстановительных свойств Cr 2 O 72– – сильный окислитель (но в щелочной среде E = -0, 11 B – не окислитель)

План описания свойств элемента/группы 1. Положение в периодической системе и строение электронной оболочки (в группе: +сходство и отличия между элементами) 2. Характеристики атомов: радиусы, энергии ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность 3. Простые вещества: тип кристаллической решетки, энергия связи Э-Э, физические и химические свойства: А) Взаимодействие с металлами Б) Взаимодействие с неметаллами В) Взаимодействие со сложными веществами 4. Водородные соединения: кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства 5. Возможные степени окисления. Оксиды и гидроксиды, соли, комплексные соединения. 6. Нахождение в природе, применение, биологическая роль и/или воздействие на живые организмы