Вопрос № 3 Как изменяются свойства химических элементов в периодах и главных подгруппах? Объясните эти закономерности с точки зрения теории строения том.
Ответ:
I. С возрастанием порядкового номера элемента в периоде уменьшаются металлические свойства элементов и увеличиваются неметаллические, кроме этого, в периодах (малых) валентность элементов в соединениях с кислородом возрастает от 1 до 7, слева направо. Эти явления объясняются строением атомов:
1) С увеличением порядкового номера в периоде постепенно заполняются электронами внешние энергетические уровни, количество электронов на последнем уровне соответствует номеру группы и высшей валентности в соединениях с ки-слородом.
2) С увеличением порядкового номера в периоде увеличивается заряд ядра, что вызывает увеличение сил притяжения электронов к ядру В результате радиусы атомов уменьшаются, поэтому способность атомов отдавать электроны (металлические свойства) постепенно ослабевает и последние элементы периодов являются типичными неметаллами.
Здесь собраны задачи к разделу Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов
Задача 1. Как изменяются свойства гидроксидов элементов в периодах и группах с увеличением порядкового номера? Почему?
Решение. Металлы могут образовывать и основные, и кислотные, и амфотерные гидроксиды. При этом с увеличением степени окисления металла (при движении слева направо в основной характер его оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный усиливается.
Например
Сила оснований слева направо уменьшается, а сверху вниз растет, так же как металлические свойства растут сверху вниз.
Например , Cs (цезий) более активный металл, чем К (калий), так как у Cs валентный электрон находится дальше от ядра, чем у К (калия) и Cs легче отдает электрон (так как притяжение ядра ослабевает).
Если один элемент может иметь разные степени окисления, то с увеличением степени окисления элемента сила основания уменьшается, больше проявляется кислотный характер образуемого соединения, например
Cr +2 (OH) 2 Cr +3 (OH) 3 ≡H 3 CrO 3 H 2 CrO 4
основание амфотерный гидроксид кислота
основной характер ослабляется, кислотный характер усиливается
Неметаллы не образуют основные и амфотерные оксиды. Практически все оксиды неметаллов являются кислотными.
Например , Na 2 O – основной оксид, NaOH – основание
SO 3 – кислотный оксид, H 2 SO 4 – кислота
Al 2 O 3 – амфотерный оксид, может образовывать, как основание (Al(OH) 3), так и кислоту HAlO 2 или H 3 AlO 3 .
Задача 2. Какова современная формулировка Периодического закона? В чем причина периодической зависимости свойств элементов и образуемых ими соединений от заряда ядра атомов?
Решение. : Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома, или порядкового номера элемента.
Свойства элементов , в первую очередь, определяются структурой внешнего электронного слоя их атомов. Поэтому элементы одной подгруппы имеют сходные свойства.
При увеличении порядкового номера (заряда ядра) в атомах элементов последовательно увеличивается общее число электронов, а число электронов на внешнем электронном слое изменяется периодически, что приводит к периодическому изменению свойств химических элементов.
Деление элементов на периоды обусловлено числом энергетических уровней: в одном периоде объединены элементы, имеющие одинаковое число энергетических уровней (электронных слоев), равное номеру периода.
Деление на группы и подгруппы обусловлено порядком заполнения электронами уровней и подуровней: элементы главных подгрупп состоят из s- и p- элементов (т.е. из элементов, у которых заполняется либо s-, либо р- подуровень).
Элементы побочных подгрупп состоят из d- и f- элементов (заполняется d- или f- подуровень).
Многие свойства элемента (радиус атома, электроотрицательность, степень окисления, энергия ионизации, сродство к электрону) связаны со строением электронных оболочек, поэтому вместе с последними обладают периодичностью.
Свойства элементов, в первую очередь, определяются структурой внешнего электронного слоя их атомов. Поэтому элементы одной подгруппы имеют сходные свойства.
Задача 3. Проанализируйте изменения величины зарядов ядер, радиусов. Атомов, электроотрицательностей и степеней окисления 4 периода. Каковы закономерности этих изменений при движении — по группе сверху вниз или по периоду слева направо? Как изменяется в этом направлении металличность элементов и характер их оксидов и гидроксидов?
Решение. Номер периода показывает число электронных слоев, номер внешнего электронного слоя, число энергетических уровней, номер высшего энергетического уровня, значение главного квантового числа для высшего энергетического уровня.
Элементы четвертого периода имеют главное квантовое число n = 4.
Электронных слоев – 4.
Четвертый период заканчивается благородным газом. После двух s-элементов (К и Са) следуют 10 элементов (от Sc до Zn), в атомах которых электроны в последнюю очередь заполняют d-подуровень предвнешнего электронного слоя (d-элементы). У Cr и Cu наблюдается проскок электрона. Завершают период p-элементы.
Слева направо заряд ядра растет, так как идет заполнение орбиталей и число электронов и протонов растет.
Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются, так как растет атомное притяжение.
Энергия ионизации увеличивается . Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.
В группах сверху вниз металичность элементов усиливается, а энергия ионизации уменьшается. Причина этого в том, что электроны с низких энергетических уровней отталкивают от ядра электроны с высоких энергетических уровней, поскольку и те и другие имеют отрицательный заряд.
Так как в каждом следующем ряду на один энергетический уровень больше, чем в предыдущем, атомные радиусы увеличиваются (сверху вниз).
Высшая степень окисления и металлов и неметаллов, как правило, равна номеру группы. Низшая степень окисления металлов равна нулю (в простых веществах – металлах). Низшая степень окисления неметаллов равна 8 – номер группы. Например, для брома степень окисления = 7 – 8 = -1.
Кислотными являются почти все оксиды неметаллов, а также оксиды металлов, в которых металл имеет степень окисления +5 и выше (CrO 3 , Mn 2 O 7).
Оксиды и гидроксиды металлов со степенью окисления +3, +4 в большинстве своем, являются амфотерными. И некоторые оксиды металлов со степенью окисления +2 (ZnO, MnO 2).
Неметаллы не образуют основные и амфотерные оксиды.
Основными оксидами и гидроксидами являются оксиды и гидроксиды металлов со степенью окисления +1 (K 2 O), большинство оксидов и гидроксидов металлов со степенью окисления +2 (CaO) и некоторых оксидов металлов со степенью окисления +3.
Задача 4. Составьте формулы оксидов и гидроксидов марганца. Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений? Подчиняются ли эти соединения общей закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов?
Решение. Для марганца характерны степени окисления +2, +4,+7, существуют соединения в которых он проявляет степени окисления +3, +5, +6.
Соединения марганца могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости степени окисления Mn. Если в соединении марганец находится в своей высшей степени окисления, то он будет проявлять окислительные свойства, если в соединении марганец находится в своей низшей степени окисления, то он будет проявлять восстановительные свойства. И окислителем и восстановителем марганец выступает в своих промежуточных степенях окисления.
Свойства оксидов и гидроксидов также зависят от степени окисления Mn, с увеличением которой усиливаются кислотные свойства соединений:
MnO → Mn 2 O 3 → MnO 2 → Mn 2 O 7
основные амфотерный кислотный
Mn(OH) 2 → Mn(OH) 3 → Mn(OH) 4 → HMnO 4
основные амфотерный кислотный
Т.о. оксиды и гидроксиды марганца подчиняются общим закономерностям изменения кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств.
Задача 5. Из оксидов As 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , SO 3 , Al 2 O 3 , V 2 O 5 выберите два оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами. Укажите валентные электроны выбранных элементов.
Решение. , так как растет атомное притяжение. Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.
Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).
В связи с этим, кислотные свойства оксидов увеличиваются в главных подгруппах снизу вверх, в периоде – слева направо. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона делают оксид более кислотным.
Из приведенных оксидов As 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , SO 3 , Al 2 O 3 , V 2 O 5 наиболее выражены кислотные свойства у P 2 O 5 и SO 3. следующее:
P+15 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 3d 0 валентность 3
P * +15 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 валентность 5
S+16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 3d 0 валентность 2
S*+16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 3d 1 валентность 4
S*+16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 2 валентность 6
Задача 6. Из оксидов BaO, K 2 O, TiO 2 , CaO, Al 2 O 3 , MgO, ZnO выберите два оксида с наиболее выраженными основными свойствами. Укажите валентные электроны выбранных элементов.
Решение. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат 3 и менее электронов (металлы) имеют оксиды, которые обладают основными свойствами .
Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются , так как растет атомное притяжение. Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии. Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).
В связи с этим, основные свойства оксидов увеличиваются в главных подгруппах сверху вниз , в периоде – справа налево. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона делают оксид более кислотным.
Из приведенных оксидов BaO, K 2 O, TiO 2 , CaO, Al 2 O 3 , MgO, ZnO наиболее выражены основные свойства у, K 2 O и BaO. следующее:
K+19 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 0
Ba+56 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2
Задача 7. Приведите современную формулировку периодического закона. Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, помещены соответственно перед калием, хотя имеют бóльшую атомную массу. Как называются пары таких элементов?
Решение. : Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома, или порядкового номера элемента.
При увеличении порядкового номера (заряда ядра) в атомах элементов последовательно увеличивается общее число электронов, а число электронов на внешнем электронном слое изменяется периодически, что приводит к периодическому изменению свойств химических элементов.
Положение элементов в Периодической таблице не зависит от атомной массы элемента, а зависит от заряда ядра, поэтому Ar+18 помещен перед K+19, Co+27 – перед Ni +28, Te+52 – перед I+53, Th+90 – перед Pa+91 (хотя аргон, кобальт, теллур и торий имеют большую массу, чем калий, никель, йод и протактиний соответственно).
Пары элементов с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым числом нуклонов называют изобарами, например
Категории ,Радиусы атомов элементов и ионов вычисляются исходя из межядерных расстояний, которые зависят не только от природы атомов, но также и от характера химической связи между ними и от агрегатного состояния вещества.
Радиусы атомов и одинаково заряженных ионов в периоде с увеличением зарядов ядра в основном (за несколькими исключениями) уменьшаются в связи с увеличением сил кулоновского притяжения из-за роста числа, а следовательно, и суммарного заряда электронов в электронных оболочках и ядер.
В подгруппах с увеличением заряда ядра (движение сверху вниз) атомные и ионные радиусы, как правило, увеличиваются, что связанно с увеличением числа электронных уровней.
Энергия ионизации (I) (потенциал ионизации) в периоде возрастает с ростом заряда ядра, в главных и третьей побочной подгруппах – убывает сверху вниз в связи с появлением нового энергетического уровня. В остальных побочных подгруппах энергия ионизации возрастает с ростом заряда ядра.
Сродством к электрону (Е) (энергия, которая выделяется при присоединении дополнительного электрона к атому, иону или молекуле). Максимальна у атомов галогенов. Сродство к электрону зависит не только от заряда ядра атома, но и от степени заполнения внешних электронных уровней.
Электроотрицательность (ЭО) - обобщенная характеристика элемента, определяемая как сумма энергии ионизации и сродства к электрону.
Относительную ЭО по Полингу определяют как отношение ЭО элемента к ЭО атома лития. Относительная электроотрицательность в периоде возрастает, а в подгруппах уменьшается с ростом заряда ядра.
Окислительная способность элемента меняется так же как и электроотрицательность, а восстановительная способность в обратном порядке.
Плотность простых веществ в периоде обычно проходит через максимум, лежащий примерно в середине периода, возрастает в подгруппах с ростом заряда ядра.
Основные свойства высших оксидов и гидроксидов элементов в периоде закономерно ослабляются, что связано с увеличением силы притяжения гидроксид-ионов к центральному атому с ростом заряда его ядра и уменьшением атомного радиуса, а в подгруппе, как правило, усиливаются, потому что атомный радиус элементов возрастает.
Кислотные свойства этих соединений изменяются в обратном направлении.
Неметаллические свойства в периоде, как правило, усиливаются слева направо, а в подгруппе – ослабевают сверху вниз, металлические – наоборот. Граница между металлами и неметаллами в таблице проходит по диагонали B-At таким образом, что все неметаллы находятся в верхней правой части таблицы (исключение составляют d- элементы).
| Предыдущие материалы: |
3. Периодический закон и периодическая система химических элементов
3.4. Периодическое изменение свойств веществ
Периодически изменяются следующие свойства простых и сложных веществ:
- строение простых веществ (вначале немолекулярное, например от Li к C, а затем молекулярное: N 2 - Ne);
- температуры плавления и кипения простых веществ: при движении слева направо по периоду t пл и t кип вначале, в целом, возрастают (алмаз - самое тугоплавкое вещество), а затем уменьшаются, что связано с изменением строения простых веществ (см. выше);
- металлические и неметаллические свойства простых веществ. По периоду с ростом Z способность атомов отдавать электрон уменьшается (Е и растет), соответственно металлические свойства простых веществ ослабевают (неметаллические - усиливаются, поскольку увеличивается Е ср атомов). Сверху вниз по группам А, напротив, металлические свойства простых веществ усиливаются, а неметаллические - ослабевают;
- состав и кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов (табл. 3.1–3.2).
Таблица 3.1
Состав высших оксидов и простейших водородных соединений элементов А-групп
Как видно из табл. 3.1, состав высших оксидов изменяется плавно в соответствии с постепенным возрастанием ковалентности (степени окисления) атома.
С ростом заряда ядра атома в периоде основные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают, а кислотные - усиливаются. Переход от основных оксидов и гидроксидов к кислотным в каждом периоде происходит постепенно, через амфотерные оксиды и гидроксиды. В качестве примера в табл. 3.2 показано изменение свойств оксидов и гидроксидов элементов 3-го периода.
Таблица 3.2
Оксиды и гидроксиды, образованные элементами 3-го периода, и их классификация
В группах А с ростом заряда ядра атома происходит усиление основных свойств оксидов и гидроксидов. Например, для IIA-группы имеем:
1. BeO, Be(OH) 2 - амфотерные (слабые основные и кислотные свойства).
2. MgO, Mg(OH) 2 - слабые, основные свойства.
3. CaO, Ca(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
4. SrO, Sr(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
5. BaO, Ba(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
6. RaO, Ra(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
Такие же тенденции прослеживаются и для элементов других групп (состав и кислотно-основные свойства бинарных водородных соединений см. в табл. 3.1). В целом с ростом атомного номера по периоду основные свойства водородных соединений ослабевают, а кислотные свойства их растворов усиливаются: гидрид натрия растворяется в воде с образованием щелочи:
NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,
а водные растворы H 2 S и HCl - кислоты, причем более сильной является хлороводородная кислота.
1. В группах А с ростом заряда ядра атома сила бескислородных кислот также возрастает.
2. В водородных соединениях число атомов водорода в молекуле (или формульной единице) сначала возрастает от 1 до 4 (группы IA–IVA), а затем уменьшается от 4 до 1 (группы IVA–VIIA).
3. Летучими (газообразными) при н.у. являются только водородные соединения элементов IVA–VIIA групп (кроме H 2 O и HF)
Описанные тенденции в изменении свойств атомов химических элементов и их соединений суммированы в табл. 3.3
Таблица 3.3
Изменение свойств атомов элементов и их соединений с ростом заряда ядра атома
| Свойства | Тенденция изменения | |
|---|---|---|
| в периодах | в группах А | |
| Радиус атома | Уменьшается | Растет |
| Энергия ионизации | Возрастает | Уменьшается |
| Сродство к электрону | Возрастает | Уменьшается |
| Восстановительные (металлические) свойства атомов | Ослабевают | Усиливаются |
| Окислительные (неметаллические) свойства атомов | Усиливаются | Ослабевают |
| Электроотрицательность | Возрастает | Уменьшается |
| Максимальная степень окисления | Возрастает | Постоянная |
| Кислотные свойства оксидов | Усиливаются | Ослабевают |
| Кислотные свойства гидроксидов | Усиливаются | Ослабевают |
| Кислотные свойства водородных соединений | Усиливаются | Усиливаются |
| Металлические свойства простых веществ | Ослабевают | Усиливаются |
| Неметаллические свойства простых веществ | Усиливаются | Ослабевают |
Пример 3.3. Укажите формулу оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами:
Решение. Кислотные свойства оксидов усиливаются слева направо по периоду, а сверху вниз по группе А ослабевают. С учетом этого приходим к выводу, что кислотные свойства наиболее выражены у оксида Cl 2 O 7 .
Ответ : 4).
Пример 3.4. Анион элемента Э 2− имеет электронную конфигурацию атома аргона. Укажите формулу высшего оксида атома элемента:
Решение. Электронная конфигурация атома аргона 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 , следовательно электронная конфигурация атома Э (атом Э содержит на 2 электрона меньше, чем ион Э 2−) – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 , что отвечает атому серы. Элемент сера находится в VIA-группе, формула высшего оксида элементов этой группы ЭО 3 .
Ответ : 1).
Пример 3.5. Укажите символ элемента, атом которого имеет три электронных слоя и образует летучее (н.у.) соединение состава ЭН 2 (H 2 Э):
Решение. Водородные соединения состава ЭН 2 (H 2 Э) образуют атомы элементов IIA- и VIA-групп, однако летучими при н.у. являются соединения элементов VIA-группы, к числу которых относится сера.
Ответ : 3).
Охарактеризованные тенденции в изменении кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов можно понять на основании анализа следующих упрощенных схем строения оксидов и гидроксидов (рис. 3.1).
Из упрощенной схемы реакции
следует, что эффективность взаимодействия оксида с водой с образованием основания возрастает (согласно закону Кулона) с увеличением заряда на ионе Э n + . Величина же этого заряда увеличивается по мере усиления металлических свойств элементов, т.е. справа налево по периоду и сверху вниз по группе. Именно в таком порядке увеличиваются и основные свойства элементов.
Рис. 3.1. Схема строения оксидов (а ) и гидроксидов (б )
Рассмотрим причины, лежащие в основе описанных изменений кислотно-основных свойств гидроксидов.
При возрастании степени окисления элемента +n и уменьшении радиуса иона Э n + (это как раз и наблюдается с ростом заряда ядра атома элемента слева направо по периоду) связь Э–О упрочняется, а связь О–Н ослабевает; более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по кислотному типу.
Сверху вниз по группе радиус Э n + возрастает, а значение n + не изменяется, в результате прочность связи Э–О уменьшается, облегчается ее разрыв и более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по основному типу.
Основная закономерность этого изменения заключается в усилении металлического характера элементов по мере роста Z. Особенно отчетливо эта закономерность проявляется в IIIа-VIIa-подгруппах. Для металлов I А-III А-подгрупп наблюдается рост химической активности. У элементов IVА - VIIА-подгрупп по мере увеличения Z наблюдается ослабление химической активности элементов. У элементов b-подгрупп изменение химической активности более сложно.
Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учеными в 20-х гг. ХХ в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов. Согласно этой теории, по мере роста Z заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах элементов, входящих в периоды периодической системы, происходит в следующей последовательности:
Номера периодов
1 2 3 4 5 6 7
1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d5p 6s4f5d6p 7s5f6d7p
На основании теории периодической системы можно дать следующее определение периода: период есть совокупность элементов, начинающаяся элементом со значением n. равным номеру периода, и l=0 (s-элементы) и заканчивающаяся элементом с тем же значением n и l = 1 (р-элементы) (см. Атом). Исключение составляет первый период, содержащий только 1s-элементы. Из теории периодической системы следуют и числа элементов в периодах: 2, 8, 8. 18, 18, 32...
На рисунке символы элементов каждого типа (s-, р-, d- и f-элементы) изображены на определенном цветовом фоне: s-элементы - на красном, р-элементы - на оранжевом, d-элементы - на синем, f-элементы - на зеленом. В каждой клетке приведены порядковые номера и атомные массы элементов, а также электронные конфигурации внешних электронных оболочек, которые в основном и определяют химические свойства элементов.
Из теории периодической системы следует, что к а-подгруппам принадлежат элементы с и, равным номеру периода, и l=0 и 1. К b-подгруппам относятся те элементы, в атомах которых происходит достройка оболочек, ранее остававшихся незавершенными. Именно поэтому первый, второй и третий периоды не содержат элементов b-подгрупп.
Структура периодической системы химических элементов тесно связана со строением атомов химических элементов. По мере роста Z периодически повторяются сходные типы конфигурации внешних электронных оболочек. А именно они определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности по-разному проявляются для элементов A-подгрупп (s- и р-элементы), для элементов b-подгрупп (переходные d-элементы) и элементов f-семейств - лантаноидов и актиноидов. Особый случай представляют элементы первого периода - водород и гелий. Для водорода характерна высокая химическая активность, потому что его единственный b-электрон легко отщепляется. В то же время конфигурация гелия (1st) весьма устойчива, что обусловливает его полную химическую бездеятельность.
У элементов А-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек (с n, равным номеру периода); поэтому свойства этих элементов заметно изменяются по мере роста Z. Так, во втором периоде литий (конфигурация 2s) - активный металл, легко теряющий единственный валентный электрон; бериллий (2s~) - также металл, но менее активный вследствие того, что его внешние электроны более прочно связаны с ядром. Далее, бор (2з"р) имеет слабо выраженный металлический характер, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит построение 2р-подоболочки, являются уже неметаллами. Восьмиэлектронная конфигурация внешней электронной оболочки неона (2s~р~) - инертного газа - очень прочна.
Химические свойства элементов второго периода объясняются стремлением их атомов приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (конфигурацию гелия - для элементов от лития до углерода или конфигурацию неона - для элементов от углерода до фтора). Вот почему, например, кислород не может проявлять высшей степени окисления, равной номеру группы: ведь ему легче достичь конфигурации неона путем приобретения дополнительных электронов. Такой же характер изменения свойств проявляется у элементов третьего периода и у s- и р-элементов всех последующих периодов. В то же время ослабление прочности связи внешних электронов с ядром в А-подгруппах по мере роста Z проявляется в свойствах соответствующих элементов. Так, для s-элементов отмечается заметный рост химической активности по мере роста Z, а для р-элементов - нарастание металлических свойств.
В атомах переходных d-элементов достраиваются не завершенные ранее оболочки со значением главного квантового числа и, на единицу меньшим номера периода. За отдельными исключениями, конфигурация внешних электронных оболочек атомов переходных элементов - ns . Поэтому все d-элементы являются металлами, и именно поэтому изменения свойств 1-элементов по мере роста Z не так резки, как мы это видели у s и р-элементов. В высших степенях окисления d-элементы проявляют определенное сходство с р-элементами соответствующих групп периодической системы.
Особенности свойств элементов триад (VIII b-подгруппа) объясняются тем, что d-подоболочки близки к завершению. Вот почему железо, кобальт, никель и платиновые металлы, как правило, не склонны давать соединения высших степеней окисления. Исключение составляют лишь рутений и осмий, дающие оксиды RuO4 и OsO4. У элементов I- и II B-подгрупп d-подоболочка фактически оказывается завершенной. Поэтому они проявляют степени окисления, равные номеру группы.
В атомах лантаноидов и актиноидов (все они металлы) происходит достройка ранее не завершенных электронных оболочек со значением главного квантового числа и на две единицы меньше номера периода. В атомах этих элементов конфигурация внешней электронной оболочки (ns2) сохраняется неизменной. В то же время f-электроны фактически не оказывают влияния на химические свойства. Вот почему лантаноиды так сходны.
У актиноидов дело обстоит гораздо сложнее. В интервале зарядов ядер Z = 90 - 95 электроны бd и 5/ могут принимать участие в химических взаимодействиях. А отсюда следует, что актиноиды проявляют гораздо более широкий диапазон степеней окисления. Например, для нептуния, плутония и америция известны соединения, где эти элементы выступают в семи валентном состоянии. Только у элементов, начиная с кюрия (Z = = 96), становится устойчивым трехвалентное состояние. Таким образом, свойства актиноидов значительно отличаются от свойств лантаноидов, и оба семейства поэтому нельзя считать подобными.
Семейство актиноидов заканчивается элементом с Z = 103 (лоуренсий). Оценка химических свойств курчатовия (Z = 104) и нильсбория (Z = 105) показывает, что эти элементы должны быть аналогами соответственно гафния и тантала. Поэтому ученые полагают, что после семейства актиноидов в атомах начинается систематическое заполнение 6d-подоболочки.
Конечное число элементов, которое охватывает периодическая система, неизвестно. Проблема ее верхней границы - это, пожалуй, основная загадка периодической системы. Наиболее тяжелый элемент, который удалось обнаружить в природе,- это плутоний (Z = = 94). Достигнутый предел искусственного ядерного синтеза - элемент с порядковым номером 107. Остается открытым вопрос: удастся ли получить элементы с большими порядковыми номерами, какие и сколько? На него нельзя пока ответить сколь-либо определенно.
