Периодическая зависимость степеней окисления

Атомов элементов

Атомам каждого элемента присущи характерные для них степени окисления, которые связаны с положением элемента в периодической системе.

Высшая степень окисления атомов элементов главных подгрупп (А-групп) в каждом периоде обычно возрастают от +1 до +7.

Металлы I-III групп периодической системы образуют положительные ионы, заряд которых равен номеру группы химического элемента; таким образом, степень окисления непереходных металлов совпадает с номером их группы.

У неметаллов часто обнаруживаются по две характерные степени окисления. Их низшая степень окисления обычно равна: 8 минус номер группы элемента. Таким образом, каждый атом может соединяться с (8 – номер группы) атомами водорода. Например, один атом серы (VI группа) соединяется с двумя атомами водорода с образованием сероводорода H₂S, поскольку имеет степень окисления –2. Высшая степень окисления неметаллов обычно равна номеру группы, особенно в соединениях с кислородом. Например, степень окисления атомов серы в оксиде SO₃ и серной кислоте H₂SO₄ равна +6. Большинство неметаллов, кроме этого, обладает также промежуточными степенями окисления. Например, атомы серы в различных соединениях имеют следующие степени окисления: 0 [самородная (молекулярная) сера S₈], +4 (SO₂, H₂SO₃).

У атомов переходных металлов (группы Б) степени окисления подчиняются определённым закономерностям. При окислении переходных металлов их атомы могут терять из валентной электронной оболочки не более двух s-электронов и все неспаренные d-электроны. Поэтому высшая степень окисления для атомов скандия Sc равна +3, и она увеличивается на единицу в каждой следующей группе, достигая максимального значения +7 у атомов марганца Mn. После этого степень окисления вновь уменьшается на единицу у каждого следующего металла (Fe, Co, Ni, Cu) достигая +2 у цинка. Единственным исключением из этого правила является отсутствие степени окисления +5 у атомов Со.

Члены ряда переходных металлов проявляют высшие степени окисления атомов соответствующие в основном номерам групп элементов (например для элементов 4d-ряда: Ag⁺, Cd²⁺, Y³⁺, Zr⁴⁺, Nb⁺⁵, Mo⁺⁶, Tc⁺⁷, Ru⁺⁸).

У переходных металлов проявляются кроме высших и другие степени окисления, среди которых чаще всего встречаются степени окисления +2 и +3.

Металлы первого переходного ряда, от Sc до Zn, обнаруживают различные степени окисления (рис. 14). Металлы второго и особенно третьего переходных рядов, от Lu до Hg, проявляют только высшие степени окисления.

Каждый переходный элемент в своей низшей степени окисления обладает наиболее выраженными основными свойствами, а в высшей степени окисления они проявляются в минимальной степени. Например, среди оксидов хрома: CrO – оснóвный, Cr₂O₃ – амфотерный, а CrO₃ – кислотный.

Лантаниды и актиниды образуют ряды переходных металлов иного типа, в которых соединения элементов обладают очень сходными свойствами. Для всех лантанидов и актинидов в их соединениях обычно проявляется степень окисления атомов +3. Однако возможны и другие степени окисления, которые являются более характерными для атомов отдельных элементов (например, Eu²⁺, Ce⁴⁺ и U⁶⁺).

Рис. 14. Степени окисления, характерные для атомов 3d-элементов. (Наиболее часто встречающиеся степени окисления обозначены светлее)

Внутри групп Б, в противоположность группам А, возрастает стабильность соединений, в которых атомы находятся в высших степенях окисления. А это в свою очередь обусловливает то, что многие соединения элементов групп Б (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) в водных растворах окрашены. Например: V₂О₅ – оранжевый, CrО₃ – красный, Mn₂О₇ – зелёный, Fe₂О₃ – красно-коричневый, CoО – зеленовато-коричневый, NiО – тёмно-зелёный, Cu₂О – красный).

Химические свойства элементов групп Б как внутри периода, так и внутри группы меняются в значительно меньшей степени, чем элементов групп А.

Периодичность изменения основных характеристик атомов и простых веществ* элементов главных подгрупп (групп А) представлена в табл. 8.

Таблица 8

Периодичность изменения химических и физических характеристик атомов и простых веществ элементов главных подгрупп

ВОПРОСЫДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Чем современная формулировка периодического закона отличается от формулировки Д.И. Менделеева и почему она является более точной?

2. Какие характеристики атомов можно предсказать, зная:

а) порядковый номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева;

б) номер периода;

в) номер и тип группы, в которой расположен химический элемент?

3. Почему число химических элементов в периодах соответствует ряду чисел: 2, 8, 18, 32?

Объясните эту закономерность с позиций энергетического состояния электронов в атомах и их расположения на энергетических уровнях.

4. На каком основании элементы: а) хром и сера; б) фосфор и ванадий рас­положены в одной группе периодической системы Д.И. Менделеева? Почему эти пары элементов по­мещают в разных подгруппах?

5. Укажите, как изменяются радиусы атомов в ряду:

а) K, Ca, Sc, Ti; б) O, S, Se, Te?

У атомов каких элементов сильнее выражены окислительные, а у каких – восстановительные свойства?

6. Атомы какого элемента легче отдают электроны:

а) Mg, Ca, Al, Na, K; б) I, Br, Cl, F;

в) Ba, Ca, Mg; г) Mg, S, Cl?

Как изменяются окислительные и восстановительные свойства атомов в этих рядах?

7. Почему энергия ионизации атомов меди меньше энергии ионизации атомов калия?

Каково соотношение этих величин у атомов марганца и хлора?

8. Для атомов углерода значения энергии ионизации (эВ) следующие:

Е_и,1 =11,2; Е_и,2= 24,4; Е_и,3 = 47,9; Е_и,4 = 64,5; Е_и,5 = 392,0.

Объясните: а) характер изменения энергий ионизации;

б) чем вызван резкий скачок значения Е_и,5 .

9. Как изменяются величины сродства к электрону и окислительные свойства атомов в ряду: а) N, O, F; б) S, Se, Te?

10. Как изменяются значения электроотрицательности и восстановительные свойства атомов в ряду: а) Si, N, S; б) Al, B, C; в) Ca, P, Cl, Na?

11. Как изменяются оснóвные свойства в ряду гидроксидов элементов третьего периода?

12. Как изменяются кислотные свойства в ряду оксидов: СО₂, SiO₂ и GeO₂?