Период және топ бойынша элементтер қасиеттерінің өзгеру заңдылықтары. Химия, 10 сынып, қосымша материал.

Атом радиусы 

 Атом радиусы (r, A^o) электрон қозғалысының толқындық қасиетіне байланысты атомның абсолюттік радиусы туралы айтуға болмайды. Атом радиусы ретінде оның сыртқы электрондық бұлты тығыздығының ең жоғары мәнді болатын нүктесіне дейінгі қашықтығын қабылдаймыз(орбитальдық радиус). Атом радиустары ретінде атомдардың бір-бірімен байланысқан қосылыстарының молекулалары және кристалдарын рентгенографикалық әдіспен тексеру кезінде анықталған шама – эффективті радиус.

 Атом және ион радиустары периодты қайталанады. Период бойынша басынан соңына қарай электрондық қабат саны өзгермегендіктен, ядро зарядының артуына байланысты атом радиусы кішірейеді. Радиус шамасының өзгерісі кіші период элементтерінде айқын байқалады, себебі кезектегі электрон сыртқы энергетикалық деңгейге түседі. Ал, үлкен периодтың d-, f-элементтерінде - өзгеріс баяу жүреді, осыны d-, f-сығылу деп атайды.

 Топшаларда үстінен астына қарай атом радиустары артады. Негізгі топша элементтерінде (s-,p-элементтері) радиус өзгерісі айқын байқалса, ал қосымша топшада әсіресе 5,6,7 период элементтері үшін атом радиустарындағы өзгерісі өте аз болады.Оның себебі энергетикалық деңгей саны артқанымен кезектегі электрон ішкі 4f,5f – деңгейшелеріне түсуіне байланысты болады.

Иондану энергиясы

 Иондану энергиясы (J, кДж/моль – эв/моль)газ тәріздес атомнан немесе ионнан бір электронды жұлып алуға жұмсалатын энергия(J₁); J₁< J₂< J₃ …

 э – е → э⁺ + J₁

  Э⁺ – е → э⁺² + J₂

 Әрбір келесі электронды жұлуға жұмсалатын энергия алдынғысынан артық болады. Оның себебі атомның ядро заряды өзгеріссіз, ал электрон санының кемуімен байланысты болады.

 Период бойынша басынан соңына қарай негізінен иондану энергиясының шамасы артады, ол энергетикалық қабат сандары бірдей болғанда элементтердің ядро зарядтарының артуымен түсіндіріледі.

 Ал, период элементтері ішіндегі бұл шаманың ауытқуы байқалады, мысалы J₁(Be) = 9,32 эв, J₁(B) = 8,29 эв, J₁(N) =14,53 эв, J₁(O) =13,61 эв.

 Мұндай ауытқулар сыртқы деңгейшенің жартылай (N) немесе толық толуына (Ве) байланысты электрондарды жұлып алудың қиындайтындығы, атом үшін сол электрондық конфигурацияның тұрақтылығына байланысты болады.

 Магний мен алюминийдің екінші және үшінші иондану энергияларын салыстырсақ:

 J₂(Mg) = 1445 кДж/мольJ₂(AI) = 1815 кДж/моль

 J₃(Mg) = 7730 кДж/мольJ₃(AI) = 2740 кДж/моль

 Сонда J₃(Mg) >>J₃(AI), оның себебі алюминийдің үшінші электроны сыртқы энергетикалық деңгейде болса (3s), магний үшін үшінші иондану энергиясы ішкі деңгейдегі (2p) электронға қатысты болады. Осыдан шығатын қорытынды:элемент байланыс түзуге тек валенттілік электрондарын жұмсайды.

 Топ бойынша үстінен астына қарай негізінен иондану энергиясының шамасы азаяды. Бұл шаманың сандық мәні электрондардың толқындық қасиетіне байланысты ішкі энергетикалық деңгейге ену эффектісі әсер етеді. Осы эффект мына қатарда кемиді: s–p–d–f; ол иондану энергиясының шамасын арттырады. Сыртқы электрондарды ішкі энергетикалық деңгейлердегі электрондардың экрандау эффектісі (эффект экранирование) иондану энергиясының шамасының азаюына әкеліп соғады. Иондану энергиясы d-элементтері үшін жоғары мәнді болуы осы көрсетілген екі эффектінің әсері, мұнда әсіресе бірінші эффектінің әсерінің үлесі мол.

Электронтартқыштық

 Электронтартқыштық (χ, кДж/моль, эв/моль) э + е → э^- + Ғ

 Бейтарап газ тәріздес оқшауланған атомға бір электрон қосылғанда шығатын немесе сіңірілетін энергияны электрон тартқыштық деп атайды.

 Бұл шама период бойынша басынан соңына қарай артады, VII-топтың негізгі топшасының элементтері (р-элементтері) үшін жоғары мәнді: Ғ₁(О)=1,47 эв/моль > Ғ₂(О)=-8,3 эв/моль. Оттек атомына бір электронды қосқанда энергия бөлінсе:

 O⁰ + е → O^- +

 екінші электронды қосу үшін энергия жұмсалады.

 O^-1 + е → O^-2 –

 Бұл атомның келесі бір электронды тартуынан тебу күшінің артық екендігін көрсетеді.

Сондықтан, көп зарядты (теріс) иондар (N^3-, S^2-, O^2-) бос күйінде де, молекулалар құрамында да бола алмайды.

 Электрон тартқыштықтың мәні ns²(Be, Mg, Zn) және ns² np⁶(Ne, Ar, Kr) және жартылай толған р-деңгейшелері бар элементтер (N,P,As) үшін төмен мәнді, ол осы элемент атомдарының электрондық конфигурациясының тұрақты екендігін көрсетеді.

Электртерістілік

 Электртерістілік ( χ, кДж/моль, эв/моль) . Бұл шама элемент атомының өзіне электрон бұлттарының тығыздығын ығыстыру қабілетін сипаттайды. Электртерістілік мәні екі шамаға тәуелді болғандықтан оның өзгерісін сол аталған шамаларға (J, F) қатысты түсіндіруге болады.

 Период бойынша басынан соңына қарай аталған шамалардың мәні негізінен артады, ал топ бойынша үстінен астына қарай кемиді. Элемент электротерістіліктерінің бірнеше шкаласы белгілі.Соның ішінде қазіргі кезде қолданылатыны – Л.Полинг шкаласы, ол бойынша ең электртерістілігі аз элемент – Fr (χ = 0,7), ал жоғарысы – фтор элементі үшін χ = 4, литийдікі – 1-ге тең, қалған элементтердікі осы шамалар аралығында өзгереді.

 Тотықтырғыштық, тотықсыздандырғыштық қасиет.

 Периодтық жүйедегі элементтердің көпшілігі металдар (s- және d-, f-элементтері), егер шартты түрде жүйедегі бериллий мен астатты қосатын түзу жүргізсек, оның үстінде бейметалдар р-элементтері, астында металдар орналасады. Ал, сызық бойында металл мен бейметалдың да қасиетін көрсететін өтпелі қасиетті (оксидтері мен гидроксидтері екідайлы) элементтер орналасқан.

 Үлкен периодтың басы типтік металмен басталып, қосымша (В) топша элементтерімен (d – элементтері - металдар) жалғасып, біртіндеп металдық қасиет кеміп типтік бейметалдық қасиетке ұласады.

 Металдарды сипаттайтын тотықсыздандырғыштық, бейметалдарды сипаттайтын тотықтырғыштық қасиеттері атомдардың электронтартқыштық және иондану энергиясының шамасына байланысты болады. Тотықсыздандырғыштық қасиет атомдардың электрон беруімен, ал тотықтырғыштық – электронды қосуымен сипатталады. Сондықтан периодтың басынан соңына металдық қасиет (тотықсыздандырғыштық) кеміп, бейметалдарға (тотықтырғыштарға) ұласады. Ал, топ бойынша үстінен астына қарай металдық қасиет (тотықсыздандырғыштық) артады.

Валенттілік, тотығу дәрежесі және осы түсініктер бойынша анықталатын заттардың қасиеттері

 Элемент атомының электрондық құрылысына байланысты қасиеттерінің бірі валенттілік. Валенттілік деп элемент атомының қосылыс түзгенде байланысқа жұмсайтын дара электрондар санымен анықталатын шаманы айтады. Ол бір элемент атомының басқа элемент атомымен не атомдар тобымен байланыс түзу қабілеті, валенттілік тек бүтін сандар болады, оның мәндері 1 – VIII аралығында және рим цифрларымен белгіленеді.

 Қосылыс түзуші элемент атомдарының арасындағы байланыстырушы электрондар электртерістілігі басым элемент атомына ығысуына байланысты, қосылысты шартты түрде иондардан тұрады деп есептегенде пайда болатын шартты зарядты элементтердің тотығу дәрежесі деп атайды. Тотығу дәрежесі араб цифрларымен элемент таңбасы үстіне белгіленеді, ол оң және теріс сандармен бірге нольдік және бөлшек мәнді де болады. Көпшілік жағдайда элемент валенттілігі мен тотығу дәрежесінің абсолюттік мәндері бірдей болады, ал олардың бірдей болуы міндетті емес.(кесте 9. (қараңыз)

 Тотығу дәрежелерінің сандық мәндері бойынша элемент оксидтері мен гидроксидтерінің негіздік-қышқылдық қасиеттерін сипаттауға болады. Қосылыстарында айнымалы валенттілік көрсететін металдар үшін: (B - топшасы)

 а) металдардың төменгі тотығу дәрежесіне сай келетін оксидтері мен гидроксидтері негіздік қасиетті;

 ә) аралық тотығу дәрежесіне сәйкес оксидтері мен гидроксидтері – екідайлы

 б) жоғары тотығу дәрежесіне сәйкес оксидтері мен гидроксидтері қышқылдық қасиетті болады.

 Бейметалдар үшін: бейметалдардың кез келген тотығу дәрежесіне сәйкес оксидтері мен гидроксидтері қышқылдық қасиетті болады, яғни қышқылдық оксидтерге қышқылдар(оксидтерінің гидраттары) сәйкес келеді.

 Мұнда да өзінің заңдылығы бар: қышқыл түзуші элементтің тотығу дәрежесі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым оның қышқылдық қасиеті басым болады, мысалы H₂S⁺⁴O₃, HN⁺³O₂ – орташа күшті, ал H₂S⁺⁶O₄, HN⁺⁵O₃ - күшті.

 Элементтің тотығу дәрежесінің мәні оның қосылыстарының тотығу-тотықсыздану қасиеттерін сипаттауға мүмкіндік береді:

 а) элементтің төменгі тотығу дәрежесіне сәйкес қосылыстары – тотықсыздандырғыш;

 ә) аралық тотығу дәрежесіне сәйкес қосылыстары – әрі тотықтырғыш, әрі тотықсыздандырғыш;

 б) жоғары тотығу дәрежесіне сәйкестері – тек тотықтырғыш болады.

 Енді, осыларды марганец қосылыстары мысалында қарастырайық.

Кесте 3.2. Марганец қосылыстарының қышқылдық-негіздік, тотығу-тотықсыздану қасиеттері

 Енді элементтер валенттіліктері мен тотығу дәрежелерінің мәндерін элемент атомдарының электрондық құрылысына байланысты қарастырайық.

Негізгі (А) және қосымша (В) топшасы элементтерінің

валенттіліктері мен тотығу дәрежелері

 а)Бірінші топ (А-топшасы). Бірінші топтың негізгі топшасы элементтерінің валенттілік электрондары, дара электрон саны да бірге тең болуына байланысты бұл топтағы элементтер валенттіліктері де тотығу дәрежесі де бірге тең болады. Электрондық формуласы – ns¹, электронды-графикалық формуласы , валенттіліктері:І, тотығу дәрежелері:0, +1. Бұл топта тек бір ғана элемент (Н) химиялық белсенді металдармен гидридтер түзген кезде тотығу дәрежесі -1-ге тең болады: .

 Екінші топ Бұл топты инертті газ гелий бастайды, оның электрондық формуласы 1s², электрондық деңгейі аяқталған, дара электроны жоқ.Сондықтан бұл элементтің басқа элементтермен қосылыс түзу қабілеті өте нашар, тотығу дәрежесі нольге тең. Ал, осы топшадағы берилий элементінен бастап, валенттілік электрондары орналасқан деңгейде бос орбитальдары болуына байланысты олар қосылыс түзеді. Валенттілік электрондары – ns², электронды-графикалық формуласы:

 ns² np⁰ n>1

 Атомның негізгі жағдайында дара электрон болмағанымен қозған күйде дара электрон саны екіге тең болады:

 ns¹ np¹,

сондықтан элементтер валенттіліктері, ІІ, тотығу дәрежелері: 0, +2

 ә) р-элементтері үшін:

 Үшінші топ: осы топтан сегізінші топқа дейінгі элементтер р-орбитальдарын толтырады.

 ІІІ-А элементтері үшін валенттілік электрондарының электрондық формуласы: ns² np¹ (n>1), электронды-графикалық формуласы:

  ns² np¹, негізгі жағдайда дара электрон саны бірге тең, болуына байланысты валенттіліктері: І, тотығу дәрежелері: 0, +1.

 Валенттілік және тотығу дәрежелерінің мәндері осы сандарға сай келетіндері атом радиустары үлкен болатын таллий және индий элементтеріне лайық.

 Осындай заңдылық, яғни төменгі валенттілікке сай қосылыс беретін элементтер басқа топтарда да бесінші және алтыншы периодтарда орналасады (Pb, Bi, Po, At).

 Ал, қозған жағдайда, s-орбиталіндегі бір электроны р-орбиталіне ауысуына байланысты дара электрон саны үшке тең болады, валенттілік: ІІІ, тотығу дәрежесі: 0, +3.

 Төртінші топ IVA – элементтерінің валенттілік электрондарының формуласы: ns² np², электронды-графикалық формуласы:

  ns² np²,

 негізгі жағдайда:қозған жағдайда:

 валенттілігі: ІІIV

 тотығу дәрежесі: 0, +2-4, 0, +2, +4

 Бесінші топ. VА – элементтерінің валенттілік электрондарының формуласы: ns² np³, электронды-графикалық формуласы:

 ns² np³,

 негізгі жағдайда валенттіліктері: ІІІ, ал тотығу дәрежелері: -3, 0, +3 болады. Қозған жағдайда электрондар сандары көбеюі үшін d-орбитальдары бар элементтер үшін (n≥3) s- орбиталіндегі бір электрон d-орбиталіне көшеді.

 ns² np³nd⁰

 валенттілік: V, тотығу дәрежесі: +5.

 Осы топша элементтері ішінде азот ерекше көп қосылыстар түзеді, электртерістілігі басым элементтермен қосылыстарындағы тотығу дәрежелері -3 пен +5 аралығындағы барлық мәндерге ие болады, азот қосылыстарының мысалдарын келтірсек:

 Алтыншы топVIA топша элементтерінің валенттілік электрондарының формуласы: ns² np⁴, электронды графикалық формуласы:

  ns²np⁴,

 n=2 болғанда, 2s² 2p⁴ формуласы оттек элементіне сай келеді, дара электрон саны екіге тең болуына байланысты валенттілігі екіге тең, тотығу дәрежесі:-2, -1, 0, тек фтормен (χ=4) қосылысында ғана бұл элементтің тотығу дәрежесі +2-ге тең болады: . Себебі оттек элементі электртерістілігінің шамасы фтордан ғана төмен. Элемент топ нөмеріне сәйкес жоғары валенттіліктерін көрсете алмайды, өйткені екінші электрондық деңгей текекі деңгейшеден (2s,2р) тұрады.

 Ал, қалған d-орбитальдары бар элементтер(қозған жағдай) үшін электронды-графикалық формуласын жазсақ:

 ns²np⁴nd⁰

 Осы формула бойынша элементтер валенттіліктері мен тотығу дәрежелері төмендегідей болады:

  негізгі жағдайда: қозған жағдайда:

 валенттілігі: ІІ IV, VI

 тотығу дәрежесі:-2 0 +2 +4 +6

 Жетінші топ VI-A фтормен басталады, оның валенттілік электрондарының формуласы: 2s²2p⁵, электронды-графикалық формуласы:

  2s² 2p⁵

 Бұл элемент ең электртеріс элемент болғандықтан тотығу дәрежесі: -1-ге тең, ал валенттілігі: І, өзге валенттілік бұл элементке тән емес, өйткені екінші энергетикалық деңгейде d-орбиталі жоқ.

 n>2 болғанда, валенттілік электрондарының электронды-графикалық формуласы:

 ns² np⁵ nd⁰

 Көрсетілген сызбанұсқа бойынша осы топтың қалған элементтерінің валенттіліктері төмендегідей болады:

  а) негізгі жағдайдаб) қозған жағдайда

 валенттілігі: ІІIII, V, VII

 тотығу дәрежесі: -1 0 +1+3 +5 +7

 Сегізінші топ VIII-A элементтерін инертті газдар құрайды, қарастырылған гелийден басқа элементтердің валенттілік электрондарының формуласы: ns²np⁶, электронды-графикалық формуласы:

  ns² np⁶

 Бұл формуладан байқағанымыздай дара электрондар жоқ, сондықтан бұл элементтердің қосылыс түзу қабілеті төмен. Дегенмен n>2 болғанда, бос d-,f-орбитальдарының болуына байланысты электртеріс элементтер оттегі және фтормен өте тұрақсыз қосылыстар түзеді, (ХеО₄, ХеО₃F₂ т.т) бұл қабілеті ксенонда айқынырақ байқалады. Электрондарын қоздыру арқылы ғана қосылыс алуға болады:

 валенттілік: ІІ, IV, VI, VIII

 тотығу дәрежесі: 0 +2 +4 +6 +8

 ns² np⁶ nd⁰.

 Бұл элементтер металдар тәрізді қосылыстарды тек оң тотығу дәрежесін көрсетеді.

 В) d-элементтер үшін (В-топшасы)

 валенттілік электрондарының формуласы: ns² (n-1)d^1-10, ал алғашқы d-элементтері ІІІ-топтың қосымша топшасында орналасқан.

 Үшінші топ (В) элементтерінің валентттілік электрондары ns² (n-1)d¹, электронды-графикалық формуласы:

  ns np

(n-1)d¹

 Негізгі жағдайда d-орбиталінде бір дара электрон болғандығына қарамастан, сыртқы s-орбиталіндегі электрондар дараланбай d-орбиталіндегі электрон байланысқа түспейді, сондықтан элементтер валенттіліктері: ІІ, ІІІ, ал тотығу дәрежелері: 0 +2 +3.

 Төртінші – жетінші топ (В) аралығындағы элементтері үшін валенттіліктері мен тотығу дәрежелері бір-бірден артып отырады (ΙΙ–VΙΙ). VII–В топшасы элементтері үшін валенттілік электрондары – ns² (n-1)d⁵, электронды-графикалық формуласы:

  ns² np

  (n-1)d⁵

 валенттілік: II, III, IV, V, VI, VII

 тотығу дәрежесі: 0, +2, +3, +4, +5, +6, +7.

 Сегізінші топтың В-топшасында 9 элемент орналасқан (үш триада) Fe, Ru, Os элементтері үшін валенттілік электрондарының формуласы:

 ns² (n-1)d⁶. Темір үшін электронды-графикалық формуласы:

  4s² 4p

  3d⁶

 d-орбиталінде дара электрон саны алдындағы элементке қарағанда бірге кемуіне байланысты бұл элементтердің валенттіліктері: II, III, IV, V, VI болса, тотығу дәрежелері: 0, +2, +3, +4, +5, +6.

 Кобальт және никель қатарында элементтердегі d-орбитальдарындағы дара электрондар саны бір-бірден кемуіне байланысты бұл элементтер валенттіліктері мен тотығу дәрежелері де солай кемиді.

 Рутений мен осмий элементтерінің қосылыстарындағы валенттіліктері сегізге дейін жетеді (OsO₄, RuO₄), оның себебі бұл элементтерде бос 4f- және 5f-орбитальдің болуымен түсіндіріледі.

 Бірінші топтың қосымша топшасы элементтері үшін валенттілік электрондары ns² (n-1)d⁹ болатын мыс, күміс және алтыннан тұрады, электронды-графикалық формуласы:

  ns² np

  (n-1)d⁹

  Формула бойынша элементтер валенттіліктері: ІІ, ІІІ, тотығу дәрежелері: 0, +2, +3 болуы тиіс.

 Бұл элементтер ішінде қосылыстарында тек бір валенттілік көрсететін күміс екенін және бір валенттілікке сай қосылыстар түзетін мысты білеміз. Элементтердің көрсетілген валенттіліктері элемент атомдарындағы электрондардың s-орбиталінен d-орбатіліне бір электронның құлауымен (проскок) түсіндіріледі. Сонда, бұл элементтер үшін валенттілік электрондары:

 Cu – 4s² 3d⁹ – 4s¹ 3d¹⁰

 Ag – 5s² 4d⁹ – 5s¹ 4d¹⁰

  ns¹ np

  (n-1)d¹⁰

 Осылай болуына байданысты валенттіліктері: І, тотығу дәрежелері: 0, +1 бола алады.

 Енді d-орбиталінде он электроны бар (ns²(n–1)d¹⁰) ІІ-В топшасының элементтері, олар қосылыстарында екі валентті де, тотығу дәрежелері 0, +2 болады.

 f-элементтері (В топшасы) үшін.

 Бұл элементтердің валенттілік электрондарының жалпы формуласы мынадай: ns² (n-1)d^0-1 (n-1)f^1-14 n=6 (лантаноидтар), n=7 (актиноидтар) – үшінші топтың қосымша топшасының (В) элементтері болып саналады.

 Лантаноидтар (z=58) үшін валенттілік электрондарының формуласы 6s² 5d⁰ 4f², европийге (z=63) дейін f-орбиталіне бір электроннан қосылып, оның формуласы 6s² 5d⁰ 4f⁷болады. Енді осы элементтер үшін электронды-графикалық формуласын жазып, валенттіліктері мен тотығу дәрежелерін қарастырайық.

 ₅₈Ce 6s² 5d⁰ 4f²

  6s 6p

  5d

 валенттіліктері: (ІІ) ІІІ IV

 тотығу дәрежелері: 0 (+2) +3 +4

 ₆₃Eu 6s² 5d⁰ 4f⁷, f-орбиталінің жартылай толуына (тұрақты конфигурация) байланысты бұл элемент қосылыстарында тек екі валентті, тотығу дәрежесі 0 +2 болады.

 Гадолиний (z=64) элементінде кезектегі электрон d-орбиталіне түсіп, оның формуласы: ₆₄Gd – 6s² 5d¹ 4f⁷ болуы себепті, қосылыстарында (ІІ) және ІІІ валентті болады, тотығу дәрежесі: 0 (+2) +3.

 Ал, тербий (z=65) – иттербий (z=70) аралығындағы элементтер үшін валенттілік электрондарының формуласы төмендегідей болады:

 6s² 5d⁰ 4f⁹ (Tb) – 6s² 5d⁰ 4f¹⁴ (Yb)

 Енді тербий элементі үшін электронды-графикалық формуласын жазсақ:

  6s 6p

  5d

 валенттіліктері: (ІІ) ІІІ IV

 тотығу дәрежелері: 0 (+2) +3 +4

 Ал, иттербий элементінің валенттілігі ІІ, тотығу дәрежесі 0 +2 болатыны көрініп тұр, соңғы лантаноид – лютеций (Lu) үшін электрондық формуласы: 6s² 5d¹ 4f¹⁴ болғандықтан оның валенттілігі (ІІ) және ІІІ, тотығу дәрежесі 0 (+2) +3 болады.

 Актиноидтар. Бұл элементтердің үшеуінен басқасы уран U, торий Th, протактиний Pa табиғатта кездеспейді, барлығы да радиоактивті, жасанды жолмен атом реакторларында синтезделген элементтер.

 Актиноидтарды қасиеттерінің ұқсастығына байланысты екі топқа бөліп, торий қатары (Th-Cm), берклий қатары (Br-Lr) деп қарастыруға болады.

 Спектроскопиялық және магниттік зерттеулер бойынша бұл элементтердің 7s-, 6d- және –орбитальдарының энергетикалық күйі жақын болуына байланысты элементтердің нақты электрондық формулаларын жазу қиын. Сондықтан торий қатарының элементтерінің қосылыстарында тотығу дәрежелері айнымалы болады.Оның сандық мәні торийдан (Th) нептуний аралығында (Np) +4-тен +7-ге дейін артып, плутонийден (Pu) калифорнийге (Cf) дейін +7-ден +3-ке кеміп, соңғы актиноидқа дейін тотығу дәрежесі +3 болып қалады.