В химии периодические тенденции — это особые закономерности, присутствующие в периодической таблице , которые иллюстрируют различные аспекты определенных элементов , сгруппированных по периоду и/или группе . Они были открыты русским химиком Дмитрием Менделеевым в 1863 году. Основные периодические тенденции включают атомный радиус , энергию ионизации , сродство к электрону , электроотрицательность , валентность и металлический характер . Эти тенденции существуют из-за схожих электронных конфигураций элементов в их соответствующих группах или периодах; они отражают периодическую природу элементов. Эти тенденции дают качественную оценку свойств каждого элемента. [1] [2]
Атомный радиус — это расстояние от атомного ядра до самой внешней электронной орбитали в атоме . В общем, атомный радиус уменьшается по мере продвижения слева направо в периоде и увеличивается при спуске вниз по группе . Это происходит потому, что в периодах валентные электроны находятся в одной и той же самой внешней оболочке . Атомный номер увеличивается в пределах одного периода при движении слева направо, что, в свою очередь, увеличивает эффективный заряд ядра . Увеличение сил притяжения уменьшает атомный радиус элементов . При спуске вниз по группе атомный радиус увеличивается за счет добавления новой оболочки. [3] [4]
Энергия ионизации — это минимальное количество энергии , которое должен поглотить электрон в газообразном атоме или ионе , чтобы выйти из-под влияния силы притяжения ядра . Ее также называют потенциалом ионизации. Первая энергия ионизации — это количество энергии, необходимое для удаления первого электрона из нейтрального атома . Энергия, необходимая для удаления второго электрона из нейтрального атома, называется второй энергией ионизации и так далее. [5]
В соответствии с тенденцией, при движении слева направо по периоду в современной периодической таблице энергия ионизации увеличивается с увеличением заряда ядра и уменьшением размера атома . Уменьшение размера атома приводит к более мощной силе притяжения между электронами и ядром. Однако предположим, что мы движемся вниз по группе . В этом случае энергия ионизации уменьшается с увеличением размера атома из-за добавления валентной оболочки , тем самым уменьшая притяжение ядра к электронам. [6] [7]
Энергия , высвобождаемая при добавлении электрона к нейтральному газообразному атому для образования аниона , известна как электронное сродство. [8] В соответствии с тенденцией, по мере продвижения слева направо по периоду , электронное сродство будет увеличиваться по мере увеличения заряда ядра и уменьшения размера атома, что приводит к более мощной силе притяжения ядра и добавленного электрона. Однако, по мере продвижения вниз по группе , электронное сродство уменьшается , поскольку размер атома увеличивается из-за добавления валентной оболочки , тем самым ослабляя притяжение ядра к электронам. Хотя может показаться, что фтор должен иметь наибольшее электронное сродство, его небольшой размер создает достаточное отталкивание между электронами, в результате чего хлор имеет самое высокое электронное сродство в семействе галогенов . [9]
Тенденция атома в молекуле притягивать к себе общую пару электронов известна как электроотрицательность. Это безразмерная величина, поскольку это всего лишь тенденция. [10] Наиболее часто используемая шкала для измерения электроотрицательности была разработана Лайнусом Полингом . Шкала была названа шкалой Полинга в его честь. Согласно этой шкале, фтор является наиболее электроотрицательным элементом, в то время как цезий является наименее электроотрицательным элементом . [11]
В соответствии с тенденцией, при движении слева направо по периоду в современной периодической таблице электроотрицательность увеличивается с увеличением заряда ядра и уменьшением размера атома . Однако, если двигаться вниз по группе , электроотрицательность уменьшается с увеличением размера атома из-за добавления валентной оболочки , тем самым уменьшая притяжение атома к электронам. [12]
Однако в группе XIII ( семейство бора ) электроотрицательность сначала уменьшается от бора к алюминию , а затем увеличивается вниз по группе. Это связано с тем, что размер атома увеличивается по мере продвижения вниз по группе, но в то же время эффективный заряд ядра увеличивается из-за плохой экранировки внутренних d- и f-электронов. В результате сила притяжения ядра к электронам увеличивается, и, следовательно, электроотрицательность увеличивается от алюминия к таллию . [13] [14]
Валентность элемента — это число электронов , которые должен потерять или получить атом , чтобы получить стабильную электронную конфигурацию . Проще говоря, это мера объединяющей способности элемента для образования химических соединений . Электроны, находящиеся во внешней оболочке , обычно называются валентными электронами ; число валентных электронов определяет валентность атома. [15] [16]
В соответствии с тенденцией, при движении слева направо по периоду , число валентных электронов элементов увеличивается и варьируется от одного до восьми. Но валентность элементов сначала увеличивается от 1 до 4, а затем уменьшается до 0, когда мы достигаем благородных газов . Однако, по мере того, как мы движемся вниз по группе , число валентных электронов, как правило, не меняется. Следовательно, во многих случаях элементы определенной группы имеют одинаковую валентность . Однако эта периодическая тенденция не всегда соблюдается для более тяжелых элементов, особенно для f-блока и переходных металлов . Эти элементы показывают переменную валентность , поскольку эти элементы имеют d-орбиталь в качестве предпоследней орбитали и s-орбиталь в качестве самой внешней орбитали. Энергии этих (n-1)d и ns орбиталей (например, 4d и 5s) относительно близки. [17] [18]
Металлические свойства обычно увеличиваются вниз по группам , так как уменьшение притяжения между ядрами и внешними электронами приводит к тому, что эти электроны становятся более слабо связанными и, таким образом, способны проводить тепло и электричество . В каждом периоде , слева направо, увеличение притяжения между ядрами и внешними электронами приводит к уменьшению металлических свойств . Напротив, неметаллические свойства уменьшаются вниз по группам и увеличиваются по периодам. [19] [20]