Документ обсуждает периодичность химических свойств элементов, основанных на электронной структуре атомов, и как они зависят от порядкового номера элемента. Основное внимание уделяется энергиям ионизации, сродству к электрону и атомным радиусам, подчеркивая физические принципы, такие как экранирование и проникновение. Также рассматривается немонотонный характер изменения свойств элементов в подгруппах, что ведет к понятию вторичной периодичности.

1. ПЕРИОДИЧНОСТЬ СВОЙСТВ ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ
С развитием электронной теории строения атомов стало
ясно, что химические свойства элементов являются
функцией электронной структуры атомов. А поскольку
последняя изменяется периодически с ростом
порядкового номера элемента, то и свойства элементов
должны находиться в периодической зависимости от
заряда ядра атома. В этом и состоит физический смысл
периодического закона:
свойства элементов периодически изменяются
потому, что периодически возобновляются
сходные электронные конфигурации атомов при
последовательном возрастании значений главного
квантового числа.
Рассмотрим наиболее важные периодические
свойства элементов:

2. Лекция № 6ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
1 2 3 …36
H
He
Li Na Al K
Rb
V
Sc
Ga
Si
Mn
Co
Cu
Ni
Mg
S Ca Ti
Cr Fe Zn
Be
C
P
Cl
O
Kr
ArN
F
Ne
порядковый номер
I, эВ
Э + I = Э+
e‒
I1 < I2 < I3 <…

3. Эффекты экранирования и проникновения
ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ
Наименьшими величинами энергий ионизации первого порядка
обладают атомы щелочных металлов. Это объясняется
сильным экранированием заряда ядра электронными
оболочками атомов благородного газа, которые предшествуют
внешнему ns1
-электрону атомов щелочных металлов
Эффект экранирования заключается в уменьшении
воздействия на данный электрон положительного
заряда ядра из-за наличия между ним и ядром других
электронов
Экранированию противоположен эффект проникновения,
обусловленный тем, что согласно квантовой
механике, электрон может находиться в любой точке
атомного пространства, в том числе и в области
примыкающей к ядру.

4. ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ
степень проникновения: s > p > d > f-электронов
4 π r2
ψ2
3s 3p
1s
2s
r
Радиальное распреде-
ление электронной
плотности в атоме Na
Эффект проникновения

5. ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ ОТ
ПОРЯДКОВОГО НОМЕРА ЭЛЕМЕНТА
На кривой энергии ионизации соответствует элементам,
у которых внешние подуровни завершены S2
(Be; Mg; Zn)
или заполнены наполовину – р3
( N; P; As)
ВНУТРЕННИЕ МАКСИМУМЫ
Е ЕBe (9,32 эВ) N (14,53 эВ)
2s 2s
2p 2p

6. ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ ОТ
ПОРЯДКОВОГО НОМЕРА ЭЛЕМЕНТА
отвечают появлению электрона в новом, более далеком
от ядра P – подуровне / B, Al, Ga / экранированном от
ядра конфигурацией S, либо взаимным отталкиванием
электронов одной и той же P – орбитали /O, S, Sc/:
ВНУТРЕННИЕ МИНИМУМЫ
2s 2s
2p 2p
Е Е
В /8,29 эВ/ О /13,61 эВ/

7. Изменение энергии ионизации
в подгруппах S-, P-, d- элементов.
p – элементы d - элементы
Z I1 Z I2
As … 33 9,82 V … 23 6,74
Bb … 51 8,64 Nb … 41 6,88
Bi … 83 7,29 Ta … 73 7,89
Обращает внимание большие значения энергии ионизации d
– элементов, следующих за лантаноидами (d – металлы 6-го
периода). Объясняется это проникновением 6s –электро-
нов под двойной «экран» из 5d – и 4f -электронов

8. СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ
Периодическим изменением по периодам и группам
характеризуется и сродство к электрону
Сродством атома к электрону Ее называется
энергетический эффект присоединения электрона к
нейтральному атому Э с превращением его в отрица-
тельный ион Э‒
, т.е. энергию процесса Э + е‒
= Э‒
± Ее
Сродство атома к электрону как и энергию ионизации
выражают в кДж/моль или в эВ/моль
Наибольшим сродством к электрону обладают р-элементы
VII группы. Сродства к электрону не проявляют атомы с
конфигурацией s2
(Bе, Mg, Ca) s2
p6
(Ne, Ar, Kr) или с
наполовину заполненным p-подуровнем (N, P. As)

9. Изменение энергии ионизации и сродства к электрону в
подгруппах S-, P-, d- элементов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
He Ne
Ar
30
20
10
0
–10
Зависимость сродства к электрону и первой энергии
ионизации атомов от порядкового номера элемента:
максимумы и минимумы на кривой сродства к электрону,
смещены по сравнению к кривой энергии ионизации на один
элемент влево.
Эº + J = Э+
+ ē
Эº + ē = Э–
+ E

10. РАДИУСЫ АТОМОВ
С точки зрения квантовой механики изолированный атом
не имеет строго определенного размера, т.к. электронная
плотность теоретически обращается в ноль лишь на
бесконечно большом расстоянии от ядра.
Различают орбитальные и эффективные радиусы атомов:
«Орбитальный радиус – теоретически рассчитанное
положение главного максимума плотности внешних
электронных облаков»
«Эффективные радиусы – радиусы атомов
связанных друг с другом тем или иным типом
химической связи»
Как эффективные так и орбитальные радиусы –
обнаруживают явную периодичность в зависимости от
порядкового номера элемента.

11. ОРБИТАЛЬНЫЕ РАДИУСЫ
H
Li
B
Ne
4πr2
ψ2
0,053
1s2
2s2
1s2
2s2
2p
1s2
2s2
2p6
0,159
1s

12. Изменение атомных и ионных радиусов в
подгруппах /s-, p-/ и d- элементов:
ОРБИТАЛЬНЫЕ РАДИУСЫ
p – элементы d – элементы
z r, нм z r, нм
As … 33 0,148 V … 23 0,134
Bb … 51 0,161 Nb … 41 0,145
Bi … 83 0,182 Ta … 73 0,146
Δr1 = rBi – rAs = 0,034 нм > Δr2 = rTa – rV
= 0,012 нм

13. Эффективные радиусы (ковалентный, металлический,
ионный) определяют из экспериментальных данных по
межъядерным расстояниям в молекулах и кристаллах.
ЭФФЕКТИВНЫЕ РАДИУСЫ
Ковалентный радиус – половина межъядерного
расстояния между двумя атомами, связанными ковалентной
связью.
Металлический радиус – половина расстояния
между центрами двух смежных атомов в кристаллических
решетках металлов.
Ионный радиус – часть расстояния между центрами
двух смежных ионов в кристаллических решетках с
преимущественно ионным типом связи.
.

14. ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ (ЭО)
ЭО есть способность атома в молекуле
притягивать к себе электроны (Полинг, 1932 г./
G1 – энергия, необходимая для образования A+
B–
G2 – энергия, необходимая для образования A–
B+
A+
B–
A–
B+
A + B
G1
G2
ЭО = 1
/2(I + E)

15. Если G2 > G1, т.е. (IB – EA) > (IA – EB), то будет
образовываться молекула A+
B–
:
( IB – EA ) > (IA – EB ) или (IB + EB ) > (IA + EA)
или ЭОВ > ЭОА
ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ (ЭО)
ЭО = I + E
Согласно экспериментальным данным, легче образуются
те ионы, на образование которых затрачивается меньше
энергии.
G2 = IB – EA
G1 = IA – EB
IA – энергия ионизации атома А
EB – сродство к электрону атома B
IB – энергия ионизации атома B
EA – сродство к электрону атома A

16. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
«Степень окисления – воображаемый заряд атома
элемента в соединении, который определяется из
предположения ионного строения вещества»
Кривая изменения максимальной положительной степени
окисления имеет периодический характер в зависимости
зависимости от порядкового номера элемента
Степеньокисления
Z8636 54180 2 10

17. Зависимость орбитальных радиусов
от атомного номера элемента

18. ВТОРИЧНАЯ ПЕРИОДИЧНОСТЬ
Изменение свойств — энергии ионизации и сродства к
электрону, атомных радиусов и т.п. — в подгруппах
элементов обычно имеет немонотонный характер. На кривых
изменения суммы первых четырех энергий ионизации и
орбитальных атомных радиусов в ряду С — Si — Ge — Sn —
Pb имеются внутренние максимумы и минимумы (см. рис.).
Как следствие этого, немонотонный характер проявляется и
в изменении других свойств соединений.
Немонотонность изменения свойств элементов
в подгруппе получила название вторичной
периодичности.
См. след.

19. 70
90
110
130
150
0,10
0,05
0,15
r, нм
(I1+I2+I3+I4), эВ
ͯ
ͯͯ
ͯ
ͯС
Si Ge
Sn Pb
С
Si Ge
Sn Pb
10 30 50 70 90
Зависимость суммы первых четырёх энергий
ионизации и орбитальных радиусов атомов
р-элементов группы от атомного номера