3.3. Закономерности изменения свойств элементов в периодах и подгруппах периодической системы

Свойства химических элементов могут быть подразделены на непериодические и периодические. Непериодические свойства с возрастанием порядкового номера элемента изменяются более или менее монотонно на протяжении всего ряда элементов. Примером подобных свойств могут служить атомная масса элемента и длины волн характеристических линий рентгеновских спектров. Периодические свойства в значительной мере определяются электронной конфигурацией атома, которая, изменяется периодически. Подобные свойства изменяются относительно монотонно на протяжении периода; переход же к следующему периоду сопровождается скачкообразным изменением свойства. Если, например, данное свойство возрастает, то переход от последнего элемента периода к первому элементу следующего периода сопровождается резким уменьшением значения соответствующей характеристики элемента. К периодическим свойствам относятся такие физические характеристики, как эффективный заряд ядра, радиус атома, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления. Периодически изменяются также химические свойства элементов, однако сопоставление их затруднено отсутствием соответствующих количественных характеристик.

Поскольку периодические свойства зависят не только от типа заполняемых электронами валентных энергетических подуровней и числа электронов на этих подуровнях, изменения свойств элементов даже в пределах периода или подгруппы зачастую отклоняются от строгой монотонности и носят скорее характер определенной тенденции. Нарушение монотонного изменения тех или иных характеристик атомов в горизонтальных рядах p-, d- и f-элементов получило название внутренней периодичности; нарушение монотонности изменения свойств в подгруппах элементов называется вторичной периодичностью. Причины, обуславливающие вторичную и внутреннюю периодичность, будут рассмотрены ниже.

3.3.1. Эффективный заряд ядра.

Как указывалось в разделе 2.4, эффективный заряд ядра (Z_эфф) - это заряд, соответственно которому ядро действует на валентные электроны. При расчете эффективного заряда ядра учитываются эффекты экранирования и проникновения электрона к ядру. Эффективный заряд совпадает с истинным лишь для водорода и одноэлектронных ионов, для всех остальных атомов эффективный заряд меньше порядкового номера. Существует ряд способов расчета эффективных зарядов ядер. В настоящем пособии использованы величины Z_эфф, рассчитанные Э. Клементи по методу самосогласованного поля.

Эффект экранирования зависит от типа орбитали, занятой электроном. Наиболее слабо экранируют ядро валентные электроны внешнего электронного слоя, наиболее сильно - электроны внутренних электронных слоев. При перемещении по периоду слева направо истинный заряд ядра увеличивается от элемента к элементу на единицу, тогда как электроны, поступающие, во внешний электронный слой или на d-подуровень предвнешнего слоя (в случае d-элементов больших периодов) понижают эффективный заряд ядра меньше, чем на единицу. Таким образом, в периодах с увеличением порядкового номера эффективные заряды ядра должны расти. После завершения периода очередной электрон поступает на следующий энергетический уровень, начинает строиться новый электронный слой, внешние электроны становятся предвнешними, их экранирующее действие возрастает и эффективный заряд ядра понижается. В табл. 5 и 6 приведены значения Z_эфф для элементов II и IV периодов. Как следует из табл. 5 и 6, и для малого и для большого периодов значения Z_эфф с увеличением порядкового номера элемента монотонно возрастают.

В подгруппах периодической системы от элемента к элементу возрастает главное квантовое число валентных энергетических подуровней. С повышением главного квантового числа экранирующее действие валентных электронов несколько понижается. В результате в А- и В-подгруппах эффективные заряды ядер должны расти с увеличением порядкового номера элемента. Значения Z_эфф для элементов подгрупп IVA, VIA и IVB, приведенные в табл. 7 и 8, подтверждают это заключение. Внутренняя и вторичная периодичность для эффективных зарядов ядер не проявляются.

Таблица 5

Свойства элементов II периода (Z_эфф - эффективный заряд ядра, r_орб - орбитальный радиус атома, I - энергия ионизации, Е_эл - сродство к электрону,  - электроотрицательность по Полингу)

Элемент	Zэфф, эл.ед.	rорб, пм	I1, эВ/ат	Еэл, эВ/ат	
Li	1,28	159	5,19	0,62	0,98
Be	1,98	104	9,32	0	1,57
B	2,42	78	8,30	0,28	2,04
C	3,14	62	11,26	1,27	2,56
N	3,83	52	14,53	-0,07	3,04
O	4,45	45	13,62	1,46	3,44
F	5,10	40	17,42	3,40	3,98
Ne	5,76	35	21,56	0	-

Таблица 6.

Свойства элементов IV периода (обозначения те же, что и в табл. 5)

Элемент	Zэфф, эл.ед.	rорб, пм	I1, эВ/ат	I3, эВ/ат	
K	3,50	216	4,24	46,0	0,82
Ca	4,40	169	6,13	50,92	1,00
Sc	4,63	157	6,56	24,76	1,30
Ti	4,82	148	6,82	27,48	1,54
V	4,98	140	6,74	29,32	1,63
Cr	5,13	145	6,77	30,96	1,66
Mn	5,23	129	7,44	33,70	1,55
Fe	5,43	123	7,89	30,65	1,83
Co	5,58	118	7,87	33,50	1,88
Ni	5,71	114	7,64	35,17	1,91
Cu	5,84	119	7,73	36,83	1,90
Zn	5,97	107	9,39	39,72	1,65
Ga	6,22	125	6,00	30,71	1,81
Ge	6,78	109	7,90	34,20	2,01
As	7,45	100	9,82	28,35	2,18
Se	8,29	92	9,75	32,00	2,55
Br	9,03	85	11,84	35,90	3,96
Kr	9,77	80	14,00	36,40	3,00

Таблица 7.

Свойства элементов подгрупп IVA и VIA (обозначения те же, что и в табл. 5)

Под-группа	Элемент	Zэфф, эл.ед.	rорб, пм	I1, эВ/ат	Еэл, эВ/ат	
IVA	C	3,14	62	11,26	1,27	2,55
	Si	4,29	107	8,15	1,38	1,90
	Ge	6,78	109	7,90	1,24	2,01
	Sn	9,11	124	7,34	1,25	1,80
	Pb	12,39	122	7,42	1,14	1,87
VIA	O	4,45	45	13,62	1,46	3,44
	S	5,46	81	10,36	2,08	2,58
	Se	8,29	92	9,75	2,02	2,55
	Te	10,81	111	9,01	1,97	2,10
	Po	14,22	121	8,43	1,87	2,00

Таблица 8.

Свойства элементов подгрупп IB и VIB (r_мет - металлический радиус атома; остальные обозначения те же,

что и в табл. 5)

Под-группа	Эле- мент	Zэфф, эл.ед.	rорб, пм	rмет, пм	I1, эВ/ат	Еэл, эВ/ат	
IB	Cu	5,84	119	128	7,73	1,23	1,90
	Ag	8,03	129	144	7,58	1,30	1,93
	Au	10,94	119	144	9,23	2,31	2,54
IVB	Ti	4,82	148	146	6,82	0,21	1,54
	Zr	6,45	159	160	6,83	0,52	1,33
	Hf	9,16	148	159	7,50	0	1,30