Степени окисления мышьяка, селена, брома

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

В периодической системе 7 периодов: I, II, III – малые, IV, V, VI, VII – большие; в I – 2 элементов, во II и III – по 8 элементов, в IV и V – по 18 элемен- тов, в VI – 32 элемента, в VII (незавершенный) – 30 элементов. Элементы II и III периодов называются типическими: их свойства закономерно изменяются от типичного металла до инертного газа. В VI периоде после лантана (La) распо- лагаются 14 элементов с порядковыми номерами 58 – 71, это лантаноиды (по- добные лантану). Химические свойства этих элементов очень сходные между собой из–за подобия в строении электронных оболочек. Все они реакционно- способны, имеют устойчивую степень окисления +3, разлагают воду с образо- ванием водорода и гидроксида металла и т. д. В VII периоде 14 элементов с № 90–103 образуют семейство актиноидов, по свойствам близким к лантаноидам. По вертикали элементы располагаются в группах – главных и побочных. В главные подгруппы входят элементы малых периодов и стоящие под ними эле- менты больших периодов. Это элементы подгруппы А. В побочные подгруппы входят элементы больших периодов – подгруппа В.

Теория строения атома позволила выделить электронные семейства: s – элементы ( заполняется s – подуровень );

p – элементы ( заполняется p – подуровень ); d – элементы ( заполняется d – подуровень ); f – элементы ( заполняется f – подуровень );

Учение о строении атома вскрыло глубокий физический смысл периоди- ческого закона. Главная характеристика атома любого элемента – величина по- ложительного заряда ядра. От заряда зависят все свойства элементов и положе- ние их в периодической системе. Современная формулировка периодического закона. «Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений нахо- дятся в периодической зависимости от величин заряда ядер их атомов». Теория строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов: воз- растание положительного заряда атомных ядер от 1 до 116 приводит к перио- дическому повторению у атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. Т. к. от числа электронов на внешнем уровне зависят, в основном свой- ства элементов, то и они периодически повторяются. В этом заключается физи- ческий смысл закона.

Атомы первых элементов периодов имеют на внешнем уровне по 1 или 2 электрона в s – подуровне и поэтому проявляют сходные свойства: легко отда- ют их и заряжаются положительно, проявляя металлический характер (это ак-

тивные восстановители). Na⁰ – 1e - = Na; окисление, Na⁰ – восстановитель. Внешние уровни у атомов последних элементов периодов содержат по 8 элек- тронов (завершенные слои). Это объясняет их инертные свойства – они не от- дают и не принимают электронов. Галогены имеют на внешнем электронном слое 7 электронов, они легко принимают 1 электрон и превращаются в анион. Cl⁰ + 1e - = Cl^-1; восстановление, Cl⁰ – окислитель. В малых периодах с ростом положительного заряда ядра последовательно возрастает число электронов на внешнем уровне от 1–2 до 7–8. Период начинается щелочным металлом, затем металлические свойства слабеют и растут неметаллические. В больших перио- дах с ростом заряда ядра заполнение электронов происходит сложнее, что объ- ясняет и более сложное изменение свойств. Физический смысл номера группы. Номер периода равен числу энергетических уровней атомов, т. е. в структуре каждого первого элемента периода появляется новый энергетический уровень. Номер группы показывает (для элементов главных подгрупп) число валентных электронов на внешнем уровне, которые могут участвовать в образовании свя- зей с другими элементами. В пределах одной подгруппы с ростом заряда ядра усиливаются металлические свойства, а неметаллические убывают. Металлич- ность элемента – способность атома элемента легко отдавать внешние электро- ны и превращаться в катионы. Неметалличность элемента – способность присо- единять «чужие» электроны с образованием анионов. Для отрыва первого элек- трона от нейтрального атома надо затратить энергию, которая называется энер- гия ионизации. Выражается она в электрон – вольтах (эВ) и численно равна по- тенциалу ионизации – в вольтах. (Потенциал ионизации – наименьшее напря- жение электрического поля, при котором происходит ионизация атомов). Сим- вол Еи. Обычно используют понятие – первый потенциал ионизации – это энер- гия отрыва от атома первого электрона. У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к инертному газу заряд ядра постепенно растет, а радиус атома уменьшается. Энергия ионизации поэтому растет, а ме- таллические свойства ослабевают.

Величина энергии ионизации может служить мерой металличности эле- мента: чем меньше энергия ионизации, тем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее выражены металлические свойства. В пределах одной подгруппы энергии ионизации в направлении сверху вниз уменьшаются (металлические свойства усиливаются). Это объясняется тем, что растут атомные радиусы, сла- беет связь валентных электронов с ядром, их легче оторвать от атома. Атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяюща- яся при присоединении «чужого» электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону (Ее, эВ). Сродство к электрону атомов металлов близко к нулю или отрицательно, т. е. для них присоединение электронов энер- гетически невыгодно. Сродство к электрону у атомов неметаллов всегда поло- жительно и чем больше, тем ближе к благородному газу расположен элемент в периодической системе. Величину сродства измерить трудно. Наибольшие ве- личины – у галогенов, т. к. на внешнем уровне у них – 7 электронов. У Mg и Be

– отрицательное сродство, что подтверждает повышенную устойчивость их электронных конфигураций (s 2 ). Сумма энергии ионизации и энергии срод- ства атома к электрону представляет собой электроотрицательность элемента.

Электроотрицательность (ЭО) характеризует способность атома в молекуле притягивать к себе электроны (увеличивать вокруг себе электронную плот- ность). У инертных газов ЭО нет – внешний уровень укомплектован до 8 е- . Величина электроотрицательности подчиняется закону периодичности – в пе- риоде растет, в группе – уменьшается. Это мера неметалличности, чем она больше, тем сильнее элемент проявляет свойства неметаллов (легче окисляет- ся). Надо помнить, что деление на металлы и неметаллы условно. Элементы двойственны по свойствам: с усилением неметаллических свойств, слабеют ме- таллические и наоборот. Условной границей между металлами и неметаллами считают ЭО = 2,0 ед.

Пример 1. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мы- шьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отве- чающих этим степеням окисления.

Решение. Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая сте- пень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (пs² пр⁶).

Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA-группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²p³, s²p⁴ и s²p⁵? Ответ на вопрос см. табл. 3.

Таблица 3

Степени окисления мышьяка, селена, брома

Элемент	Степень окисления		Соединения
Элемент	высшая	низшая	Соединения
As	+5	-3	H3AsO4; H3As
Se	+6	-2	SeO3; Na2Se
Br	+7	-1	KBrO4; KBr

Пример 2. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Электронные формулы данных элементов

²⁵Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s² ²⁵Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

Марганец – d-элемент VIIB-группы, а бром – р-элемент VIIA-группы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием, неболь- шого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, ато- мы которых не внешнем энергетическом уровне содержат более трех электро- нов, обладают определенным сродством к электрону, а, следовательно, приоб- ретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные от- рицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функ-

ции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы, яв- ляется преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, ме- таллические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома.

Пример 3. Как зависят кислотно-основные свойства, оксидов и гидрок- сидов от степени окисления атомов элементов, их образующих? Какие гидрок- сиды называются амфотерными (амфолитами)?

Решение. Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окис- ления свойства последних меняются от основных к амфотерным и кислотным. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гид- роксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярно- сти связей Э ¾ О и О ¾ Н может протекать по двум типам:

Э О Н

(I) (II)

ЭОН Э⁺+ОН^- ЭОН ЭО^-+Н⁺

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрица- тельностей компонентов, размерами и эффективными зарядами атомов. Диссо- циация по кислотному типу (II) протекает, если Е_О-Н < Е_Э-О (высокая степень окисления), а по основному типу, если Е_О-Н > Е_Э-О (низкая степень окисления). Если прочности связей О–Н и Э–О близки или равны, диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по (I), и по (II) типам. В этом случае речь идет об амфотерных электролитах (амфолитах):

Эⁿ⁺+nОН^- Э(OH)

= H ЭO nH⁺+ЭO^n-

как основание

n n n

как кислота

Э – элемент, п – его положительная степень окисления. В кислой среде амфолит проявляет основной характер, а в щелочной среде – кислый характер:

Ga(OH)₃ + 3HCl = GaCl₃ + ЗН₂О Ga(OH)₃+ 3NaOH = Na₃GaO₃ + ЗН₂О

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 41; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!