Залежність властивостей елементів від періодичної зміни електронних структур атомів

Розглянемо залежність властивостей елементів від їх положення в періодичній системі. Властивості елементів залежать від числа валентних електронів, що дорівнює номеру групи в періодичній таблиці.

Елементи, що мають завершені зовнішні енергетичні рівні та містять вісім електронів, є найбільш стійкими. Саме цим пояснюється хімічна інертність гелію, неону і аргону: вони взагалі не вступають у хімічні реакції. Атоми всіх інших хімічних елементів прагнуть віддати або приєднати електрони, щоб їхня електронна оболонка виявилася стійкою, при цьому вони перетворюються в заряджені частинки.

Наприклад, лужний метал Натрій — елемент головної підгрупи I групи. Висока хімічна активність натрію пояснюється наявністю в його атомах єдиного валентного електрона. Втрачаючи цей електрон, атом Натрію перетворюється на позитивно заряджений йон Na⁺ з електронною конфігурацією інертного газу Неону. Йони Na⁺ хімічно інертні. Чим більше число електронів міститься на зовнішньому електронному шарі, тим складніше їх віддавати, тому із збільшенням числа електронів на зовнішньому рівні (в періодах) металічні властивості елементів зменшуються. Хімічні елементи, які виявляють металічні властивості, як правило, мають на зовнішньому рівні від одного до трьох електронів.

В атомах галогенів, що утворюють головну підгрупу VII групи, сім електронів на зовнішньому рівні. До його завершення їм бракує тільки одного електрона, тому для них найбільш характерний процес приєднання електрона. Атом Хлору, наприклад, приєднуючи один електрон, перетворюється на йон Сl^–, що має електронну конфігурацію інертного газу і є хімічно стійким. Атоми інших неметалічних елементів, подібно до атомів галогенів, прагнуть завершити зовнішній енергетичний рівень шляхом приєднання електронів. Чим більше електронів бракує до завершення електронного шару, тим важче їх приєднувати, отже, чим менше електронів на зовнішньому рівні, тим слабше виявлені неметалічні властивості. Хімічні елементи, які виявляють неметалічні властивості, як правило, мають на зовнішньому рівні від чотирьох до восьми електронів.

Таким чином, металічні властивості обумовлюються здатністю віддавати електрони, а неметалічні — здатністю їх приєднувати. Відповідно змінюються і властивості простих речовин утворених цими елементами.

Металічні властивості тим більші та, відповідно, неметалічні властивості тим менші, чим легше віддається електрон із зовнішнього енергетичного рівня. Віддати електрон із зовнішнього енергетичного рівня тим легше, чим більший атомний радіус, завдяки тому, що сила притягання ядра та електронів зменшується зі зростанням відстані між ними. Отже, зміна металічних властивостей хімічних елементів буде аналогічна зміні їх атомних радіусів. Тому в головних підгрупах металічні властивості зі збільшенням порядкового номера збільшуються, а в періодах зі збільшенням порядкового номера металічні властивості зменшуються. Неметалічні властивості, навпаки, в головних підгрупах зі збільшенням порядкового номера зменшуються, а в періодах зі збільшенням порядкового номера збільшуються.

Наприклад, розташуємо хімічні елементи Al, S, Mg, Cl, Na в порядку збільшення неметалічних властивостей. Наведені хімічні елементи знаходяться у третьому періоді. У періодах неметалічні властивості зі збільшенням порядкового номера збільшуються. Отже, зазначені хімічні елементи треба записати в порядку збільшення їх порядкових номерів: Na, Mg, Al, S, Cl.

Розглянемо взаємозв’язок між положенням хімічних елементів у перiодичній системі та властивостями оксидів і відповідних гідроксидів, які утворюють ці хімічні елементи, на прикладі елементів третього періоду. До третього періоду належать хімічні елементи: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar. Ці елементи утворюють вищі оксиди такого складу (інертний хімічний елемент Аргон оксиду не утворює): , , , , , , .

Натрій оксид і магній оксид виявляють властивості основних оксидів, алюміній оксид є амфотерним оксидом, усі інші оксиди (силіцій(IV) оксид, фосфор(V) оксид, сульфур(VI) оксид, хлор(VII) оксид) виявляють властивості кислотних оксидів. Крім того, в ряді – основні властивості послаблюються, а в ряді – – – кислотні властивості посилюються.

Так само можна проаналізувати характер зміни в періоді властивостей гідроксидів, які відповідають вищим оксидам: , , , , , , .

Натрій гідроксид і магній гідроксид виявляють властивості основ, алюміній гідроксид є амфотерним гідроксидом, усі інші гідроксиди виявляють властивості кислот: силікатна кислота, ортофосфатна кислота, сульфатна кислота, хлоратна кислота. Крім того, в ряді – основні властивості послаблюються, а в ряді – – – кислотні властивості посилюються.

Отже, в ряді елементів певного періоду послаблюються властивості основних оксидів та відповідних їм гідроксидів, а кислотні властивості в тому самому напрямку посилюються. Перехід від основних до кислотних оксидів, та, відповідно, від основ до кислот здійснюється в періоді через амфотерний оксид або гідроксид. Така закономірність є справедливою для другого та третього періодів періодичної системи. Для елементів великих періодів спостерігаються складніші закономірності.

При переході від одного періоду до іншого конфігурація зовнішнього електронного шару періодично повторюється, при цьому повторюються і властивості хімічних елементів, їх простих речовин та їх сполук. Це і є головним поясненням сенсу періодичного закону Д. І. Менделєєва.