Периодическое изменение свойств химических элементов

Электронная конфигурация атома элемента определяет свойства этого элемента в Периодической системе.

Число энергетических уровней атома данного элемента равно номеру периода, а число валентных электронов - номеру группы, к которым относится данный элемент.

Если валентные электроны расположены только на атомной s-орбитали, то элементы относятся к секции s-элементов (IA-, IIA- группы); если они расположены на s- и p-орбиталях, то элементы относятся к секции p-элементов (от IIIA- до VIIIA-группы).

Водород Н (1s1) всегда рассматривают отдельно как первый элемент Периодической системы, а гелий Не (1s2) причисляют к VIIIA-группе ввиду подобия химических свойств всех благородных газов.

В соответствии с энергетической последовательностью подуровней, начиная с элемента скандий Sc, в Периодической системе появляются Б-группы; а у атомов этих элементов заполняется d-подуровень предыдущего уровня. Такие элементы называются d-элементами, их в каждом периоде - десять, например в 4-м периоде это элементы от Sc до Zn (переходные элементы).

Следует учитывать, что полностью и наполовину заселенные энергетические подуровни обладают повышенной устойчивостью. Поэтому в атомах хрома Cr и меди Cu, ввиду близости энергий 4s- и 3d-подуровней, происходит переход одного электрона с 4s- на 3d-орбиталь. В атомах d-элементов 4-го периода валентные электроны занимают не только внешний 4s-подуровень, но и внутренний (точнее предвнешний) 3d-подуровень.

Например, для атома марганца (VIIБ-группа) с формулой [18Ar] 3d54s2 все семь электронов (d5s2) - валентные.

У атома цинка (30Zn = [18Ar,3d10] 4s2) 3d-подуровень заселен полностью и валентными будут только два внешних 4s-электрона (4s2).

Таким образом, электронное строение атомов всех элементов можно вывести из координат атомов в Периодической системе (т.е. из номера группы и периода соответствующего элемента.

В ряду элементов с последовательно возрастающим порядковым номером (числом электронов, зарядом ядра) аналогичные электронные конфигурации атомов периодически повторяются.

Характер изменения электронных конфигураций атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов (Периодический закон Д.И. Менделеева).

Для примера можно рассмотреть изменение высших и низших степеней окисления у элементов IA-VIIA-групп во втором, третьем и четвертом периодах:

Период I II III IV V VI VII
2 3Li
+I
4Be
+II
5B
+III
6C
от +IV до −IV
7N
от +V до −III
8O
от +II (со
фтором) до −II
9F
−I
3 11Na
+I
12Mg
+II
13Al
+III
14Si
от +IV до −IV
15P
от +V до −III
16S
от +VI до −II
17Cl
от +VII до −I
4 19K
+I
20Ca
+II
31Ga
+III
32Ge
от +IV до> −IV
33P
от +V до −III
34Se
от +VI до −II
35Br
от +VII до −I

Положительные степени окисления проявляют все элементы, за исключением фтора. Их значения увеличиваются с ростом заряда ядер и совпадают с числом электронов на последнем энергетическом уровне (за исключением кислорода). Эти степени окисления называют высшими степенями окисления.

Красный фосфор реагирует с концентрированной азотной кислотой, при этом реализуется его самая устойчивая степень окисления +V.
Красный фосфор бурно реагирует с концентрированной азотной кислотой.

Например, высшая степень окисления фосфора равна +V.

Это значит, что красный фосфор, реагируя с концентрированной азотной кислотой, переходит в ортофосфорную кислоту, где реализуется его самая устойчивая степень окисления +V.

Отрицательные степени окисления проявляют элементы, начиная с углерода C, кремния Si и германия Ge. Значения их равны числу электронов, недостающих до 8. Эти степени окисления называют низшими степенями окисления.

Например, у атома фосфора на последнем энергетическом уровне не достает трех электронов до 8. Низшая степень окисления фосфора равна −III.

Значения высших и низших степеней окисления повторяются периодически, совпадая по группам; например, в IVА-группе элементы C, Si и Ge имеют высшую степень окисления +IV, а низшую степень окисления −IV. Эта периодичность изменения степеней окисления отражается на периодическом изменении состава и свойств химических соединений элементов.

Теория строения атома дает физическое обоснование порядковому номеру элемента и самому Периодическому закону, позволяет объяснить его основные положения и выводы.

Современная формулировка Периодического закона:

Свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.