Тема 1. Періодичний закон і періодична система хімічних елементів

Доти, доки не було науково обґрунтованих уявлень про модель (або моделі) атома, не можна було пояснити фізичну сутність явища періодичності; тобто закон періодичності й система елементів, які давали змогу пояснити й передбачити багато того, що належить до сфери вивчення матерії, самі не були пояснені – у цьому й полягав їхній певний емпіризм.

• Грец. έμπειρία — досвід. Поясніть, про що, на вашу думку, ідеться в епіграфі. Перевірте свої міркування за допомогою додаткових джерел інформації.

§ 1. Принцип «мінімальної енергії». Електронні формули атомів s-, p-, d-елементів та їхні графічні варіанти

Після опрацювання параграфа ви зможете:

• називати s-, p-, d-елементи за їхнім місцем у періодичній системі;
• наводити приклади s-, p-, d-елементів;
• складати з урахуванням принципу «мінімальної енергії» електронні формули атомів s- та р-елементів 1-4 періодів, Феруму (d-елемента), а також графічні варіанти цих формул;
• аналізувати відмінності електронних конфігурацій атомів s-, p-, d-елементів (Ферум) 1-4 періодів.

Принцип «мінімальної енергії», електронні формули атомів і графічні варіанти цих формул не є новими для вас поняттями. Щоб з’ясувати, що ви вже знаєте та вмієте, проаналізуйте наведені далі твердження. Оцініть відповідність інформації, закладеної в них, вашим попереднім навчальним здобуткам. Зверніть увагу, що деякі слова пропущено, тож вам доведеться випробувати себе в ролі дешифрувальника чи дешифрувальниці. Успішно впоратися із завданням вам допоможуть рисунки 1.1-1.5 та дружня допомога.

Рис. 1.1. Розташування в просторі 1-s-орбіталі та р-орбіталей

1) частину простору в атомі, де перебування електрона є найімовірнішим, називають електронною . ; 2) електрони з орбіталями . форми називають s-електронами; 3) електрони з орбіталями гантелеподібної . називають . -електронами; 4) електрони займають енергетичні рівні послідовно, за збільшенням їхньої енергії (рис. 1.2): спочатку перший енергетичний рівень, потім – другий, третій тощо. Цей принцип називають «принципом . енергії»; 5) енергія 3-d підрівня . за енергію 4-s підрівня; 6) заповнення орбіталей починається з рівня, розташованого найближче до . атома; 7) електрони, що перебувають в орбіталях однакової форми й розміру, мають однакову . ; 8) електронна . атома – це умовний запис послідовності його орбіталей із зазначенням кількості електронів у них. Її графічний варіант дає уявлення про кількість спарених і . електронів в атомі. Частину електронної формули зазвичай замінюють узятим у квадратні дужки символом інертного елемента попереднього періоду. Наприклад, скорочена електронна формула атома Сульфуру така: [. ] 3s 2 3p 4 .

Рис. 1.2. Енергетичні рівні й підрівні

Рис. 1.3. 1. Електронна формула атома Гелію. 2. Графічний варіант електронної формули атома Нітрогену

• Зобразіть графічний варіант електронної формули атома Гелію та запишіть електронну формулу атома Нітрогену.

9) в атомах s-елементів електрони заповнюють . -підрівень зовнішнього енергетичного рівня, в атомах р-елементів – . -підрівень зовнішнього енергетичного рівня. В атомах елементів побічних підгруп – d-елементів – передзовнішній d-підрівень заповнюють d-електрони.

• 1. Яка максимальна кількість електронів на третьому енергетичному рівні? 2. Скільки підрівнів на четвертому енергетичному рівні? Шостому тощо? 3. Енергія електронів якого підрівня вища: 1s чи 2s, 2s чи 2р, 3d чи 4s? 4. Заповніть таблицю за зразком:

✅Загальна характеристика d-елементів та їх сполук

Елементи d-блоку – це елементи, у яких відбувається добудова d-підрівня – предзовнішнього рівня. Вони утворюють В-групи.

Електронна будова валентного рівня d-елементів:

(n – 1) d 1-10 , ns 1-2 .

Вони розташовані між s- і p-елементами, тому отримали назву «перехідні елементи». d-Елементи утворюють 3 сімейства у великих періодах і включають по 10 елементів:

• 4-й період сімейство Sc 21 -Zn 30;
• 5-й період – Y 39 -Cd 48;
• 6-й період – La 57 -Hg 80;
• 7-й період – Ac 89 -Mt 109 .

Слідом за лантаном 5d16s2 передбачається поява ще 8 елементів з усе зростаючою кількістю 5d-електронів. У зв’язку з тим, що 4f оболонка лантану більш стійка, ніж 5d, у наступних 14 елементах електрони заповнюють 4f оболонку, поки вона цілком не забудується.

Ці елементи називаються f-елементами. Вони займають в періодичній системі одну клітку з лантаном, оскільки мають спільні з ним властивості і називаються лантаноїдами.

Особливості властивостей d-елементів визначаються електронною будовою їх атомів; у зовнішньому електронному шарі міститься, як правило, не більше 2 s-електронів, р-підрівень вільний, відбувається заповнення d-підрівня передзовнішнього рівня.

Властивості простих речовин d-елементів визначаються, в першу чергу, структурою зовнішнього шару і меншою мірою залежать від будови попередніх електронних шарів.

Невисокі значення енергії іонізації цих атомів вказують на порівняно слабкий зв’язок зовнішніх електронів з ядром.

Це визначає їх загальні фізичні та хімічні властивості, виходячи з яких слід віднести прості речовини d-елементів до типових металів.

Для V, Сr, Mn, Fe, Co енергія іонізації становить, відповідно, від 6,74 до 7,87 ев. Саме тому перехідні елементи в утворених ними з’єднаннях виявляють тільки позитивний ступінь окислення і проявляють властивості металів.

Велика частина d-елементів – це тугоплавкі метали. За хімічною активністю d-елементи досить різноманітні.

Такі елементи як Sc, Mn, Zn – найбільш хімічно активні (як лужноземельні).

Найбільш хімічно стійкі:

В 1 ряду інертні Ti, Сr, у сімействі Sc і Zn спостерігається плавний перехід в зміні хімічних властивостей зліва направо, оскільки зростання порядкового номера не супроводжується істотною зміною структури зовнішнього електронного шару, відбувається тільки добудова d-підрівня передостаннього рівня.

Тому хімічні властивості в періоді хоча й закономірно, але набагато менш різко змінюються, ніж у елементів А груп, в яких ряд починається активним металом і закінчується неметалом.

У міру збільшення заряду ядра d-елементів зліва направо зростає енергія іонізації, яка необхідна для відриву електрона.

У межах одного сімейства (декади) стійкий максимальний ступінь окислення елементів спочатку зростає, завдяки збільшенню числа d-електронів, здатних брати участь в утворенні хімічних зв’язків, а потім убуває (внаслідок посилення взаємодії d-електронів з ядром в міру збільшення його заряду).

Так, максимальний ступінь окислення Sc, Ti, V, Сr, Mn збігається з номером групи, в якій вони перебувають, у останнього не збігається, для Fe він дорівнює 6, для Со, Ni, Сu – 3, а для Zn – 2 і, відповідно, змінюється стійкість сполук, які відповідають певній мірі окислення.

У ступені окислення +2 оксиди TiO і VO – сильні відновники, нестійкі, а СuО і ZnO не виявляють відновлювальних властивостей і стійкі.

Водневих з’єднань не утворюють.

Як змінюються властивості елементів у різних сімействах зверху вниз? Розміри атомів зверху вниз від d-елементів 4 періоду до d-елементів 5 періоду зростають, енергія іонізації зменшується і металеві властивості збільшуються.

Коли ми переходимо від 5 до 6 періоду, то розмір атомів залишається практично без змін, властивості атомів також близькі, наприклад, Zn і Hf за властивостями дуже близькі і їх важко розділити.

Те ж можна сказати про:

Елементи 6 періоду йдуть після сімейства лантаноїдів, за рахунок цього відбувається додаткове зростання заряду ядра атома, а це призводить до відтягування електронів – відбувається лантаноїдне стиснення.

В фізичних і хімічних властивостях простих речовин d-елементів багато спільного для типових металів.

Спільність і відмінність їх проявляються особливо в хімічних властивостях з’єднань d-елементів. d-Елементи мають досить багато валентних електронів (Mn від 2 до 7ē), енергія яких різна, і вони не завжди і не всі беруть участь в утворенні зв’язків. Тому d-елементи проявляють змінну ступінь окислення, отже, для них характерні реакції окислення-відновлення.

d-Елементи здатні виявляти ступінь окислення +2 за рахунок втрати 2s-електронів, характерна також ступінь окислення +3 (виняток Zn). Вищий ступінь окислення більшості d-елементів відповідає номеру групи, в якій вони знаходяться. Зі збільшенням порядкового номера d-елемента значення стійкого ступеня окислення зростає.

Від’ємний ступінь окислення не виявляють, отже, водневих з’єднань не утворюють.

Найбільше число змінних ступенів окислення у елементів в V-VII групах. Тому для елементів цих груп найбільш характерні реакції окислення-відновлення.

У зв’язку з тим що d-елементи здатні виявляти різні ступені окислення, вони здатні утворювати сполуки, які різко відрізняються по кислотно-основних властивостей.

Властивості оксидів і гідрооксидів залежать від ступеня окислення d-елемента, який їх утворив їх. У міру підвищення ступеня окислення d-елемента слабшає основний їх характер і посилюється кислотний характер.

Що ми дізналися?

1. Визначення d-елементів:
   • d-елементи, відомі також як перехідні метали, – це елементи, у яких останній електрон заповнює d-орбіталь.
2. Розташування в Періодичній таблиці:
   • Вони займають групи від 3 до 12 у Періодичній системі елементів.
3. Загальні властивості:
   • Ці елементи відрізняються високою електропровідністю, теплопровідністю та металічним блиском.
   • Мають високі температури плавлення та кипіння.
   • Здатні формувати різноманітні сполуки з різними ступенями окислення.
4. Характеристика сполук:
   • d-елементи формують багато координаційних сполук, які часто мають яскраві кольори.
   • Сполуки цих елементів мають важливе значення в каталізі, металургії та електроніці.
5. Магнітні властивості:
   • Багато d-елементів та їх сполуки виявляють магнітні властивості, завдяки незаповненим d-орбіталям.
6. Біологічна роль:
   • Деякі d-елементи (наприклад, залізо та мідь) відіграють важливу роль в біологічних процесах.
7. Промислове використання:
   • Ці елементи та їх сполуки широко використовуються у різних промислових застосуваннях, включаючи виробництво сталі, виготовлення електронних пристроїв та каталізаторів.

Висновок

d-елементи та їх сполуки становлять суттєву частину хімічної науки і промисловості, завдяки своїм унікальним властивостям. Ці елементи і сполуки є фундаментальними для багатьох галузей, від металургії до біології. Вони демонструють широкий спектр хімічних та фізичних властивостей, що робить їх незамінними в сучасному світі науки та технологій.

✅Загальна характеристика P-, S-, D- елементів

Елементи в періодичній системі Менделєєва діляться на:

Цей підрозділ здійснюється на основі того, скільки рівнів має електронна оболонка атома елемента і яким рівнем закінчується заповнення оболонки електронами.

До s-елементів відносять елементи A-групи – лужні метали. Електронна формула валентної оболонки атомів лужних металів ns1. Стійка ступінь окислювання дорівнює +1. Елементи IА-групи мають подібні властивості через східну будову електронної оболонки.

При збільшенні радіуса в групі Li-Fr зв’язок валентного електрона з ядром слабшає і зменшується енергія іонізації. Атоми лужних елементів легко віддають свій валентний електрон, що характеризують їх як сильні відновники.

Відновлювальні властивості посилюються зі зростанням порядкового номера.

До p-елементів відносяться 30 елементів IIIA-VIIIA-груп періодичної системи; p-елементи розташовані в другому і третьому малих періодах, а також в четвертому-шостому великих періодах.

Елементи IIIА-групи мають один електрон на p-орбіталі. У IVА-VIIIА-групах спостерігається заповнення p-підрівня до 6 електронів. Загальна електронна формула p-елементів ns2np6.

У періодах при збільшенні заряду ядра атомні радіуси та іонні радіуси p-елементів зменшуються, енергія іонізації і спорідненість до електрону зростають, електронегативність збільшується, окислювальна активність з’єднань і неметалічні властивості елементів посилюються.

У групах радіуси атомів збільшуються.

Від 2p-елементів до 6p-елементів енергія іонізації зменшується. Посилюються металеві властивості p-елемента в групі зі збільшенням порядкового номера.

До d-елементів відносяться 32 елементи періодичної системи IV-VII великих періодів. У ІІІБ-групі у атомів з’являється перший електрон на d-орбіталі, у наступних Б- групах d-підрівень заповнюється до 10 електронів.

Зі збільшенням порядкового номера властивості d-елементів змінюються незначно.

У d-елементів повільно відбувається зростання атомного радіуса, також вони мають змінну валентність, пов’язану з незавершеністю передзовнішнього d-електронного підрівня. У нижчих ступенях окислення d-елементи виявляють металеві властивості, при збільшенні порядкового номера в групах Б вони зменшуються.

У розчинах d-елементи з вищим ступенем окислення виявляють кислотні та окисні властивості, при нижчих ступенях окислення – навпаки. Елементи з проміжним ступенем окислення виявляють амфотерні властивості.