Периодические тенденции
Периодические тенденции возникают из совместного изменения заряда ядра, экранирования, проникновения орбиталей и числа занятых электронных оболочек. Стрелки на периодической таблице полезны как первое приближение, но не являются абсолютными законами: заполнение подоболочек и межэлектронное отталкивание создают содержательные исключения.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Эффективный заряд ядра
Внешний электрон не ощущает полный заряд +Ze, потому что другие электроны частично экранируют ядро. Величина Z_eff качественно описывает результирующее притяжение. В пределах периода Z растёт, а электроны той же оболочки экранируют друг друга неполностью.
Поэтому эффективное притяжение валентных электронов обычно усиливается слева направо. s-орбитали при том же n сильнее проникают к ядру, чем p-, d- и f-орбитали, так что экранирование нельзя свести только к числу оболочек.
Атомный радиус
В периоде рост Z_eff в целом стягивает электронное облако одной и той же основной оболочки и уменьшает атомный радиус. В группе вниз добавляется новая занятая оболочка, поэтому атом обычно становится крупнее, несмотря на рост заряда ядра.
У переходных металлов изменение радиуса слабее из-за частичного экранирования добавляемыми d-электронами. Слабое экранирование 4f-электронами приводит к лантаноидному сжатию и влияет на размеры элементов следующего ряда.
Энергия ионизации
Первая энергия ионизации — энергия удаления одного электрона из газообразного атома в основном состоянии. Сильное эффективное притяжение и малый радиус затрудняют удаление, поэтому общий тренд — рост по периоду и снижение вниз по группе.
Реальные значения содержат исключения. Различие Mg и Al связано с энергиями 3s и 3p, а различие P и S — со спариванием электронов в 3p. Исключения не отменяют модель, а раскрывают её микроскопическую основу.
Электроотрицательность и сродство к электрону
Электроотрицательность описывает способность связанного атома притягивать электронную плотность связи и в целом возрастает вправо и вверх. Она не тождественна энергии ионизации или газофазному сродству к электрону, хотя все эти свойства связаны с электронной структурой.
Фтор имеет максимальную электроотрицательность по Полингу. Сродство к электрону изменяется менее гладко, поскольку добавляемый электрон может попадать в более высокую подоболочку или испытывать дополнительное отталкивание при спаривании.
Ионные радиусы и изоэлектронные ряды
Катион обычно меньше нейтрального атома: электронов становится меньше, взаимное отталкивание ослабевает, а иногда исчезает вся внешняя оболочка. Анион обычно крупнее из-за добавления электрона и усиления отталкивания в валентной области.
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺ и Mg²⁺ имеют по 10 электронов. В таком изоэлектронном ряду увеличение Z усиливает притяжение одного и того же электронного набора, поэтому радиус уменьшается от O²⁻ к Mg²⁺.
Задачи
Изоэлектронный ряд
Расположите O²⁻, F⁻, Ne и Na⁺ от большего радиуса к меньшему.
Решение: У всех 10 электронов; с ростом Z радиус уменьшается: O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺.
Mg и Al
Почему первая энергия ионизации Al может быть ниже, чем Mg?
Решение: У Al удаляется более высокоэнергетический и менее проникающий электрон 3p, а у Mg — 3s.
Вниз по группе
Почему атомный радиус обычно растёт вниз по группе?
Решение: Добавляется новая основная оболочка; увеличение расстояния и экранирования обычно сильнее роста заряда ядра.