Свойства элементов. 
Общая и неорганическая химия

При рассмотрении свойств элементов следует отметить, что структура электронной оболочки атомов элементов повторяется периодически с увеличением заряда ядер, поэтому периодически повторяются именно те свойства элементов, которые связаны со строением внешних (одного, двух, трех) квантовых слоев электронной оболочки. Свойства же, которые обусловлены строением внутренних квантовых слоев, изменяются по линейной зависимости.

Важнейшими из свойств элементов, которые изменяются периодически, являются атомные объемы (рис. 3.6), радиусы атомов, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.

Рис. 3.6. Атомные объемы элементов

Атомные объемы сравнительно точно отражают относительные размеры атомов лишь для элементов одной и той же группы.

Рассмотрим более подробно каждое из указанных свойств.

Радиусы атомов и ионов. Согласно положениям квантовой механики изолированный атом не имеет строго определенного размера, ибо, с одной стороны, электронное облако практически становится размытым уже на расстоянии в несколько нанометров от ядра, а с другой — электронная плотность теоретически обращается в нуль лишь на бесконечно большом расстоянии от ядра. Следовательно, определять абсолютные размеры атомов практически не представляется возможным. Можно говорить лишь о радиусах атомов, определяемых по межъядерным расстояниям в твердых веществах и газообразных молекулах (эффективные радиусы атомов).

В настоящее время стало возможным определение орбитальных радиусов атомов: они представляют собой расстояние от ядра до наиболее удаленного от него максимума электронной плотности. У любого атома в невозбужденном состоянии может быть одно значение орбитального радиуса и множество значений для возбужденных состояний.

Орбитальные радиусы атомов, как и эффективные, находятся в периодической зависимости от заряда ядра (рис. 3.7). Эффективные радиусы атомов также изменяются периодически (рис. 3.8). Радиусы атомов имеют максимальное значение в начале периода, а затем несколько уменьшаются при переходе слева направо. Это связано с последовательным увеличением заряда ядра: в пределах одного периода число заселенных энергетических уровней остается постоянным, а, но мере заполнения уровня средний радиус распределения электронов на данном уровне уменьшается. При переходе к новому периоду радиус вновь резко увеличивается, так как при этом появляется новый энергетический уровень. Следовательно, атомный радиус возрастает при увеличении главного квантового числа п.

У элементов, располагающихся в одной группе, радиусы атомов последовательно увеличиваются, но мере возрастания заряда ядра.

При потере или присоединении атомами электронов образуются ионы. Они обладают сферически симметричной электронной конфигурацией, и их можно отождествлять с жесткими несжимающими заряженными шарами. Положительные ионы (катионы) образуются при отдаче атомом электронов, а отрицательные ионы (анионы) — при присоединении атомом электронов. У элементов, принадлежащих к одному периоду, радиусы катионов меньше, чем анионов. Например:

Рис. 3.7. Зависимость орбитальных радиусов атомов от порядкового номера элемента

Рис. 3.8. Зависимость эффективных радиусов атомов от порядкового номера элемента

Различие между атомными и ионными радиусами тем больше, чем больше электронов теряет или приобретает атом. Это объясняется тем, что избыток положительного заряда (в катионе) вызывает сжатие внешней оболочки катиона. У катионов с одинаковой электронной конфигурацией радиус уменьшается с увеличением заряда ядра, так как орбиталь сжимается в большей степени:

У катионов переходных элементов уменьшение радиусов ионов внутри периодов незначительное: Ti³⁺ — 0,069, V³⁺ — 0,066, Cr³⁺ — 0,064, Mn³⁺ — 0,062, Fe³⁺ — 0,060 нм.