Условие задачи
Чем различается строение атомов металлов и неметаллов? Укажите положение элементов-неметаллов в Периодической системе Д. И. Менделеева.
Решение
Ниже приводится подробное химико-физическое обоснование с использованием классических понятий атомной структуры и периодической системы элементов по Менделееву.
─────────────────────────────
1. СТРУКТУРОВЫЕ РАЗЛИЧИЯ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛОВ
а) Электронное строение
• У атомов металлов валентные электроны, как правило, находятся на внешних s‑орбиталях (а для переходных металлов ещё и d‑орбитали). Эти электроны слабо связаны с ядром из‑за сравнительно большого расстояния и малой эффективной ядерной зарядки, что позволяет им «отрываться» достаточно легко, обеспечивая таким образом проявление свойств, характерных для металлов (проводимость, пластичность, блеск).
• У атомов неметаллов валентные электроны размещаются преимущественно на p‑орбиталях. Высокая электроотрицательность ядра создаёт сильное притяжение к внешним электронам, что приводит к меньшим атомным радиусам, высоким энергиям ионизации и склонности принимать электроны в химических реакциях.
б) Специфика межатомных соединений
• В металлических веществах благодаря слабой связи валентных электронов между атомами образуется «электронное облако», которое придаёт металлам их характерные свойства металлической проводимости и ковалеентного характер bonding (металлическая связь).
• В неметаллах электроны локализованы, что позволяет строить направленные ковалентные связи, обусловливающие образование дискретных молекул или ковалентных сетей.
─────────────────────────────
2. РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ-НЕМЕТАЛЛОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ М. И. МЕНДЕЛЕЕВА
а) Классическая таблица Менделеева делит элементы на две большие группы:
• Металлы – расположены в левой и центральной частях таблицы, обладая характеристиками, описанными выше.
• Неметаллы – занимают правую часть таблицы.
б) Неметаллы в классическом понимании включают:
• Лёгкие неметаллы – например, водород (Х), углерод (С), азот (N), кислород (О) – располагаются в отдельных группах и периодах, причём водород зачастую ставят в верхнюю часть слева или изолированно, но по своим свойствам относят к неметаллам.
• Полугруппы неметаллов – элементы, образующие следующие ряды:
– Группа VIA (16-я группа) включает кислород, сера, селена;
– Группа VIIA (17-я группа) – галогены (фтор, хлор, бром, йод и астат).
– Группа 0 (VIII группа) – благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон).
Таким образом, в периодической системе Менделеева неметаллы, как правило, располагаются в правой части таблицы – от элементов, у которых по нарастанию атомного веса усиливаются неметаллические свойства, до благородных газов, характеризующихся полностью заполненными внешними электронными оболочками.
─────────────────────────────
Выводы
1. Строение атома металла характеризуется сравнительно слабо связанными валентными электронами (обычно из s‑и d‑орбиталей), что обеспечивает их склонность отдавать электроны и образование положительных ионов.
2. Атом неметалла имеет внешние электроны (чаще на p‑орбиталях), которые крепко притягиваются к ядру, что приводит к уменьшенному атомному радиусу, высокой энергии ионизации и возможности образовывать направленные ковалентные связи.
3. В периодической системе элементов по Менделееву все элементы, обладающие неметаллическими свойствами, расположены в правой части таблицы: начиная от углерода, азота, кислорода, далее – галогенов и благородных газов. При этом отдельные элементы, такие как бор (иногда относят к неметаллам или металлоидам), занимают переходные позиции между металлами и неметаллами.
Такое различие в строении атомов и расположении в периодической системе обуславливает и разницу в химических свойствах металлов и неметаллов.