Почему калий бурно реагирует с водой, а аргон ни с чем не реагирует? Раскрась таблицу Менделеева по радиусу, электроотрицательности и энергии ионизации и посмотри, как свойства повторяются волной.
Элементы стоят по порядку номера Z, то есть по числу протонов. Новая строка, период, начинается каждый раз, когда у атома появляется новый электронный слой. Поэтому номер периода равен числу слоев. В одном столбце, группе, стоят атомы с одинаковым числом электронов на внешнем слое, а именно внешние электроны определяют химию. Вот почему литий, натрий и калий так похожи друг на друга.
Из этого следуют закономерности. Слева направо по периоду заряд ядра растет, а слоев столько же, и ядро сильнее стягивает электроны: атом сжимается, электроны держатся крепче, металлические свойства слабеют. Сверху вниз по группе добавляется новый слой, атом становится больше, внешний электрон уходит дальше от ядра, и его легче оторвать. Свойства повторяются волной: этой волне таблица и обязана своим названием, периодическая.
ⓘ Данные справочные: ковалентные радиусы по Кордеро (2008), электроотрицательность по Полингу, первая энергия ионизации по NIST. У гелия, неона и аргона электроотрицательности нет: они не образуют устойчивых соединений.
Все закономерности таблицы объясняются двумя вещами: сколько у атома слоев и насколько сильно ядро тянет внешний электрон сквозь внутренние слои. Числа под формулами считаются для элемента, выбранного в опыте. Карточка, которая объясняет выбранное свойство, подсвечена.
Где элемент стоит в таблице?
Номер периода равен числу электронных слоев. Номер группы у элементов главных групп говорит, сколько электронов на внешнем слое: в группах 1 и 2 столько же, в группах 13–18 на 10 меньше. Мало внешних электронов, значит атом легко их отдает и ведет себя как металл.
Какой заряд «видит» внешний электрон?
Внутренние электроны заслоняют ядро. Внешний электрон чувствует не весь заряд Z, а меньший, эффективный. По периоду Zэфф растет, а слой тот же, поэтому атом сжимается.
Как крепко держится внешний электрон?
Закон Кулона: притяжение растет с эффективным зарядом и быстро падает с расстоянием. Чем сильнее притяжение, тем больше энергия ионизации и электроотрицательность.
У натрия и хлора по три слоя. Но у натрия на внешнем слое один электрон, а заряд ядра, который он чувствует, всего около 2,2. У хлора семь внешних электронов и Zэфф около 6,1. Ядро хлора тянет внешний слой почти втрое сильнее, поэтому атом хлора меньше (102 пм против 166 пм), а энергия ионизации больше (13,0 эВ против 5,1 эВ).
Отсюда противоположное поведение. Натрию проще отдать один электрон, чем набрать семь, и он становится ионом Na⁺: это типичный металл. Хлору проще взять один электрон до восьми, и он становится ионом Cl⁻: это типичный неметалл. Встретившись, они дают поваренную соль.
Почему на графике энергии ионизации есть зубцы. У бора (2s² 2p¹) последний электрон сидит на новом подуровне 2p, он выше по энергии и отрывается легче, чем у бериллия с заполненным 2s². У кислорода (2p⁴) на одной орбитали впервые оказываются два электрона, они отталкиваются, и один из них оторвать проще, чем у азота с ровно заполненными тремя p-орбиталями по одному.
Хром, никель, марганец, ванадий и молибден стоят в таблице рядом с железом, и их радиусы отличаются от радиуса железа всего на несколько процентов. Поэтому они легко встраиваются в решетку железа и дают твердые растворы: нержавеющую, износостойкую и жаропрочную сталь для ковшей, зубьев и валов.
Чем левее и ниже металл, тем легче он отдает электроны. Цинк и магний отдают их охотнее железа, поэтому цинковое покрытие и магниевые протекторы ржавеют вместо стальной конструкции: так защищают трубопроводы, резервуары и металлоконструкции фабрик.
Аргон и гелий из 18-й группы с заполненным внешним слоем почти ни с чем не реагируют. Ими обдувают сварочную ванну, чтобы горячий металл не окислялся. Углекислый газ дешевле, но он активнее и дает больше брызг и окислов.
Литий самый легкий металл и легко отдает свой единственный внешний электрон. Отсюда высокая энергия на килограмм у литий-ионных батарей в технике и электротранспорте. Натрий из той же группы дешевле, на нем делают натрий-ионные аккумуляторы.
Элементы одной группы похожи и часто встречаются в природе вместе: кадмий с цинком, селен с серой, серебро с медью, а золото, которое стоит в той же группе ниже, часто в медных и серебряных рудах. Геологи используют эти связи при опробовании и поиске месторождений.
Кремний и германий стоят на границе металлов и неметаллов. Если добавить к ним немного фосфора или мышьяка (на один внешний электрон больше) или бора и галлия (на один меньше), получаются полупроводники n- и p-типа. Из них сделаны датчики и блоки управления машин.
Радиус атома зависит от того, как его измерять: в металле, в молекуле, в кристалле с ионами получаются разные числа. Здесь взят ковалентный радиус, для инертных газов он оценочный. Эффективный заряд посчитан по правилам Слейтера, это приближение: точные расчеты дают немного другие числа, но тренды те же. Сила притяжения по закону Кулона считается так, будто электрон точечный и сидит ровно на расстоянии r от ядра. Это учебная оценка, она объясняет направление трендов, но не дает точную энергию ионизации. Деление на металлы, полуметаллы и неметаллы условное: граница проходит по «лесенке» от бора к теллуру, и элементы рядом с ней ведут себя по-разному в разных условиях. Показаны элементы 1–54, дальше начинаются лантаноиды, и таблица становится шире.