Химические свойства нейтральных атомов

Элементы - восстановители и энергия ионизации

Наиболее характерными химическими свойствами нейтральных атомов являются окислительно-восстановительные. Восстановителями называются элементы, атомы которых при химических реакциях отдают электроны (доноры электронов). На внешнем уровне этих атомов содержится 1, 2 или 3 электрона. К типичным восстановителям относятся s-элементы (кроме Н и Не), d-, f- и четыре p-элемента из IIIA-группы (алюминий, галлий, индий и таллий).

При потере электронов атомы-восстановители (обозначим их условным символом Me) переходят в положительные ионы:

Чтобы оторвать электрон от атома, необходимо затратить энергию, называемую энергией ионизации. Энергия ионизации выражается в электрон-вольтах (эв). Ионизационным потенциалом (I) называется напряжение электрического поля в вольтах (в), при котором атом превращается в положительный ион. Ионизационный потенциал численно равен энергии ионизации. Следует различать первый (I₁), второй (I₂), третий (I₃), ..., N-ый (I_n) ионизационные потенциалы, отвечающие отрыву первого, второго, третьего, ..., N-го электрона от атома. Чем легче электрон отрывается от атома, тем меньше величина ионизационного потенциала.

Следовательно, ионизационный потенциал является одной из основных количественных характеристик восстановительных свойств нейтральных атомов.

Сравним величины I₁ трех элементов, стоящих рядом в таблице Менделеева, например лития, бериллия и бора (табл. 29). Как видно, от атома лития относительно легко отрывается один внешний электрон, от атома бериллия - два и от атома бора - три внешних электрона (см. жирную зигзагообразную линию).^*

^* (Энергия отрыва электронов каждого следующего внутреннего уровня значительно превышает энергию отрыва электронов внешнего уровня, что служит экспериментальным доказательством "слоистости" структуры электронной оболочки атомов.)

Таблица 29. Ионизационные потенциалы лития, бериллия и бора, в

Если построить график зависимости значений I₁ для атомов всех элементов от их порядкового номера, то как видно (рис. 9), ионизационные потенциалы меняются периодически, достигая максимального значения через 8, 8, 18, 18 и 32 элемента. В точках максимума на кривой расположены благородные газы, самые слабые восстановители, а в точках минимума - атомы щелочных металлов, наиболее сильные восстановители. Таким образом, восстановительные свойства элементов изменяются периодически. В периодах, от атома щелочного металла к атому благородного газа, восстановительные свойства элементов ослабевают, что подтверждается увеличением значений I₁. В пределах каждого периода участок кривой выражается не прямой линией, а ломаной, что свидетельствует о сложной зависимости: между I₁ и Z. Например, во втором периоде ионизационный потенциал I₁ элементов изменяется следующим образом:

Рис. 9. Зависимость значений ионизационных потенциалов (I₁) элементов от их порядкового номера (Z)

Для бора и кислорода величины ионизационных потенциалов уменьшаются. Это объясняется тем, что отрыв одного непарного р-электрона от атома бора происходит легче, чем s-электрона с заполненного s-подуровня атома бериллия. Точно также энергия отрыва одного парного p-электрона атома кислорода меньше энергии отрыва одного электрона с наполовину заполненного p-подуровня атома азота. Отрыв электронов с полностью заполненного подуровня требует значительной энергии. Именно наличием замкнутых электронных группировок в атомах

объясняется большая величина их ионизационных потенциалов. Подобные отклонения от линейной зависимости I = f(Z) наблюдаются и у элементов других периодов.

Величина ионизационного потенциала зависит не только от того, как располагаются электроны по уровням и орбиталям, но также и от радиуса атома, причем в значительной мере. В одном и том же периоде атомы элементов имеют одинаковое число электронных уровней, но с увеличением заряда ядра увеличиваются силы притяжения и атом как бы сжимается, т. е. радиусы атомов в периоде уменьшаются, ионизационные потенциалы возрастают, а восстановительные свойства ослабевают.

Следует отметить, что, говоря о радиусах атомов, имеют в виду кажущиеся атомные радиусы, определяемые из расстояния между центрами атомов в кристаллах элементарных веществ (при этом предполагается, что атомы, имеющие шаровую форму, соприкасаются своими сферами). Как и следовало ожидать, кажущиеся радиусы атомов должны изменяться периодически в зависимости от порядкового номера (рис. 10). На кривой в точках максимума расположены атомы щелочных металлов, отстоящие один от другого на 8, 8, 18, 18 и 32 места. В длинных периодах изменение величин радиусов атомов характеризуется сложной кривой; относительно меньшие радиусы отвечают атомам d-элементов.

Рис. 10. Зависимость кажущегося радиуса атома (r) от порядкового номера элемента (Z)

Во всех группах с индексом А, в группе IIIB и у f-элементов радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, значения ионизационных потенциалов уменьшаются, соответственно возрастают и восстановительные свойства их. Например, для элементов IA-группы значения r и I₁ изменяются так:

Цезий является наиболее сильным восстановителем.

В группах d-элементов, кроме IIIB-группы (например, в VIB-группе), значения I₁ сверху вниз возрастают: Сr - 6,76; Мо - 7,10; W - 7,99, соответственно ослабевают и восстановительные свойства.

Таким образом, величина ионизационного потенциала зависит от следующих факторов: заряда его ядра, радиуса атома, строения электронной оболочки (наличия во внешнем уровне непарных и парных электронов, экранирования внешнего электрона остальными электронами атома).