Физические свойства простых веществ
|
 |
Рис. 1.
|
 |
Рис. 2.
|
2. Плотность
На рис. 3. приведены плотности в г/см3. В любом периоде периодической таблицы Д.И.Менделеева плотность увеличивается начиная с I группы до максимума в центре периода, а затем уменьшается по мере приближения к VII группе. В любой группе этой таблицы плотность увеличивается с возрастанием атомного номера химического элемента.
 |
Рис. 3.
|
3. Размер атома
Мерой размера атома является ковалентный
атомный радиус, определяемый как половина
расстояния между двумя ядрами связанных между
собой атомов. Межъядерное расстояние может быть
измерено с достаточной точностью при
использовании метода рентгеноструктурного
анализа. Значения некоторых ковалентных атомных
радиусов приведены (см. с. 28) в табл. 1 в пикометрах
(1 пм = 10–12 м) и на рис. 4, показывающем их
периодическое изменение.
 |
Рис. 4.
|
Таблица 1
Ковалентные атомные радиусы, пм
|
1. В горизонтальном ряду (периоде) периодической таблицы ковалентный атомный радиус уменьшается, потому что все атомы одного периода имеют одинаковое число занятых энергетических уровней и происходит увеличение на один протон в их ядре при движении слева направо от элемента к элементу. Благодаря увеличению положительного ядерного заряда возрастает притяжение электронов к ядру, сопровождающееся уменьшением размера внешней орбитали, т.е. ковалентного атомного радиуса.
2. В любой вертикальной колонке (группе) этой таблицы атомы всех элементов имеют одинаковое количество внешних электронов, но постепенно возрастающее число энергетических уровней в каждом последующем (находящемся ниже) элементе. Хотя ядерный заряд также увеличивается, его эффект компенсируется намного большим возрастанием радиуса внешней орбитали, т.е. ковалентный атомный радиус увеличивается при движении в группе сверху вниз. Расстояние между двумя атомными ядрами в ковалентной или полярной химической связи приблизительно равно сумме двух соответствующих ковалентных атомных радиусов.
4. Первая энергия ионизации (энтальпия)
В образовании ионных связей важен один фактор
– энергия, необходимая для создания
положительных ионов из нейтральных атомов
(предполагается, что они находятся в
газообразном состоянии). Эта величина, как и все
энергетические величины в химии, измеряется для 1
моль вещества и называется энергией ионизации
(энтальпией) 
Hи.
Например:
Na (г.) 
Na+
(г.) + e, Hи = (+)502
кДж/моль.
Для натрия 502 кДж необходимо для удаления каждого первого электрона из 1 моль атомов натрия в газообразном состоянии. Правильно это называется первой энергией ионизации натрия, поскольку можно затратить необходимое количество энергии для удаления последующих электронов из атома натрия. Например, вторая энергия ионизации:
Na+ (г.) Na2+
(г.) + e, Hи = (+)4560
кДж/моль.
Некоторые первые энергии ионизации приведены в табл. 2, а также вместе со вторыми энергиями ионизации для первых 20 элементов на рис. 5.
 |
Рис. 5.
|
Таблица 2
Первые энергии ионизации, кДж/моль
|
Необязательно объяснять все незначительные детали, но из табл. 2 можно сделать несколько важных выводов. Так, в каждой группе (колонке) элементов первая энергия ионизации убывает к концу группы. Это объясняется тем, что электрон удаляется с внешней орбитали, которая располагается все дальше от ядра и, следовательно, требуется все меньше энергии для его удаления.
В каждом периоде таблицы Д.И.Менделеева картина не так проста, но есть общая закономерность. Удаляемый электрон расположен на одном и том же энергетическом уровне в атоме любого элемента в данном периоде, например Li–Ne или Na–Ar. Как уже было сказано, ядерный заряд увеличивается в каждом периоде при движении слева направо, влияя на конечный размер (сжатие) электронных орбиталей. Следовательно, внешние электроны все сильнее удерживаются в атомах, и количество энергии для их удаления (ионизации) возрастает к концу каждого периода.
Дальнейшее осложнение возникает в связи с экранирующим эффектом электронов на внутренних орбиталях. Эти внутренние электроны уменьшают притяжение внешних электронов к ядру, тем самым снижая энергию ионизации.
Самые очевидные результаты этого видны в периодах К–Kr и Rb–Xe. Так, в III группе энергия ионизации должна была бы так же сильно спадать при переходе от Al к Ga или от Ga к In, как она спадает при переходе от B к Al. Тем не менее значения энергий ионизации для Al, Ga и In почти одинаковые.
Между Ca и Ga находятся десять переходных элементов. В ядрах их атомов имеются дополнительные протоны, которые должны были бы увеличить энергию ионизации галлия, но вмешивающиеся добавочные внутренние электроны экранируют внешние электроны от ядра, и его энергия ионизации оказывается почти такой же, как у алюминия.
Подобный эффект наблюдается и для индия, поскольку между Sr и In находятся десять переходных элементов с добавочными электронами во внутреннем слое, дополнительно экранирующими атомное ядро.
Следует отметить, что в пределах каждого периода благородный газ имеет наибольшее значение первой энергии ионизации. Это как-то объясняет высокую стабильность заполненных электронных оболочек и стойкость благородных газов к образованию веществ (атомы не притягиваются друг к другу с силой, достаточной для образования жидкостей или твердых тел). Тем не менее следует иметь в виду, что электроны могут быть удалены из атомов благородных газов. Если какое-либо взаимодействие сможет компенсировать требуемые для этого энергетические затраты, то произойдет ионное слияние с участием ионизированных атомов благородных газов.
5. Электроотрицательность
В ковалентной связи, образованной электронной парой между двумя атомами, сила притяжения этих атомов зависит от типа химических элементов. Относительная сила притяжения атомом электронов в ковалентной связи называется электроотрицательностью. Значения относительной электроотрицательности могут быть определены количественно, и для некоторых элементов они приведены в табл. 3.
Таблица 3
Относительные электроотрицательности
некоторых химических элементов
|
В целом электроотрицательность увеличивается слева направо вдоль периода таблицы, т.к. ядерный заряд возрастает в том же направлении. Однако она уменьшается сверху вниз в группе периодической таблицы, т.к. размер атома увеличивается с возрастанием атомного номера.
Разница в значениях электроотрицательности соединенных атомов показывает относительную степень полярности ковалентных связей.
Вопросы к материалу
1. Объясните, почему:
1) атом калия больше атома натрия;
2) атом хлора меньше атома натрия.
2. Можете ли вы предположить причину большой разницы между первой и второй энергиями ионизации для каждого элемента I группы периодической таблицы Д.И.Менделеева?
3. Пользуясь справочником, рассчитайте необходимое количество энергии для следующих изменений:
1) Ca (г.) Ca2+ (г.) + 2e;
2) Al (г.) Al3+ (г.) + 3e.
4.
1) График 1 показывает температуры кипения для элементов VII группы периодической таблицы Д.И.Менделеева.
Почему температуры кипения увеличиваются при переходе от фтора к йоду?
2) График 2 показывает температуры плавления для элементов от лития до неона. Объясните высокие температуры плавления бора и углерода.
3) График 3 показывает значения первых энергий ионизации для элементов I группы. Объясните, почему при переходе от лития к цезию первая энергия ионизации уменьшается.
4) График 4 показывает значения первых энергий ионизации для химических элементов, идущих друг за другом и упорядоченных по возрастанию атомного номера. Элементы А, В и С принадлежат к одной группе периодической таблицы. Назовите ее.
5. Значения энергий ионизации могут быть найдены путем воздействия возрастающего электрического тока на тестовые образцы газов до их ионизации. Результаты, приведенные в табл. 4, были получены экспериментально.
Таблица 4
Энергия ионизации, эВ
| Элемент | Первая энергия ионизации | Вторая энергия ионизации |
|---|---|---|
| Водород | 13,6 | – |
| Гелий | 24,6 | 54,5 |
1) Почему для гелия два результата, а для водорода – один?
2) Напишите уравнение, отражающее значение первой энергии ионизации для гелия.
3) Почему значение первой энергии ионизации у гелия выше, чем у водорода?
6. Вы найдете значения первой энергии ионизации для химических элементов в справочнике.
1) Какую связь значений первой энергии ионизации вы наблюдаете в пределах группы галогенов?
2) Обозначив атом галогена за X, напишите уравнение, показывающее, что происходит при его первой ионизации.
3) Предложите объяснение с точки зрения атомной структуры для наблюдаемого направления изменения первой энергии ионизации.
4) Предложите причину недостатка данных по энергиям ионизации для астата (At, атомный номер 85).
7. График 5 (см. с. 32) связывает ионные радиусы атомов некоторых элементов с их атомными номерами.
1) На графике 5 покажите ионные радиусы, которые вы считаете правильными для элементов № 13 и № 15. Можете обратиться к периодической таблице в справочнике за помощью.
2) Значение, относящееся к водороду, приведено для иона H–. Почему не приведено значение для Н+? Почему ион Н– больше иона Li+?
3) Почему такое большое увеличение размера иона при переходе от бора к азоту?
Основные особенности
методики изучения материала
1) Не требуется непосредственное знание предыдущей темы, материал можно рассматривать автономно, прямо на уроке вспоминая теорию.
2) Тема наглядно представлена с помощью рисунков, таблиц и графиков.
3) При работе с материалом не требуется знание значений тех или иных физических величин, разрешается и рекомендуется использовать справочные материалы и таблицы.
4) Вопросы и задания требуют умения анализировать таблицы и графики, делать выводы, рассуждать.
5) Делается упор на понимание тенденций: «больше–меньше», «возрастает–убывает».
6) Различная сложность изучаемого материала позволяет разбить учащихся на разные по силе группы, чтобы работал каждый. Обычно на уроке такого типа работают только сильные учащиеся, с уже сформированными навыками логического мышления, анализа. Более слабые ученики конспектируют их ответы. В данном случае работать и думать могут все. Урок действительно делает возможными реальный разноуровневый подход к изучению материала, творческую, мыслительную работу всех учащихся класса.