Условие задачи

У какого из p-элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

Решение

Мы решаем задачу по химии, опираясь на периодические тенденции и строение атома элементов, особенно его орбитальной организацией. Элементы пятой группы (группа V) демонстрируют переход от ярко выраженных неметаллических свойств (например, азот, фосфор) к всё более металлическим (сурьма, висмут) при движении вниз по группе.

1. Неметаллические свойства

Атом фосфора имеет главное квантовое число n = 3 для валентных орбиталей (3s, 3p), а сурьма – n = 5 (5s, 5p). При этом с увеличением основных квантовых чисел радиус атома возрастает, а экранирование внешних электронов внутренними слоями становится более выраженным. Эти факторы приводят к меньшей эффективной ядерной зарядке, действующей на валентные электроны, и, следовательно, к снижению электростатического притяжения к ядру. В результате электроны в сурьме более «рассеяны», и её атом легче поддаётся «металлизации». Таким образом, фосфор, обладая меньшим атомным размером и более сильным притяжением к своим валентным электронам, проявляет более выраженные неметаллические свойства, чем сурьма.

Вывод по первому пункту: неметаллические свойства сильнее выражены у фосфора.

2. Восстановительная способность гидридов

Для водородных соединений элементов группы V рассматривают PH₃ (фосфин) и SbH₃ (стибин). С точки зрения восстановительной способности важно, насколько легко атом центрального элемента отдаёт свою электронную плотность при химическом взаимодействии, то есть, насколько элемент склонен к окислению.

Так как фосфор обладает более неметаллической природой, его валентные электроны сильнее притягиваются к ядру, и электронная плотность в PH₃ распределена таким образом, что атом фосфора «держится» за электронами крепче. Напротив, у сурьмы, чей атом имеет большую степень металлического характера, внешние 5p электроны менее сильно связаны с ядром – они более «расплывчаты» благодаря большему радиусу и экранированию. Это означает, что SbH₃ легче отдаёт электроны и, следовательно, является более сильным восстановителем по сравнению с PH₃.

Вывод по второму пункту: гидрид сурьмы (SbH₃) проявляет более выраженную восстановительную способность.

3. Мотивация строением атома

• Фосфор (с атомными орбиталями 3s и 3p) имеет меньший атомный радиус, выше эффективность ядерного заряда и меньшее экранирование. Это приводит к более выраженным неметаллическим свойствам – атом фосфора с трудом отдаёт электроны, предпочитая их сохранять.

• Сурьма (с орбиталями 5s и 5p) обладает большим атомным радиусом, сильным экранированием и меньшей эффективной ядерной зарядкой для валентных электронов. Из-за этого электронная плотность на внешних 5p орбиталях «размыта», и атом легче отдаёт электроны, что усиливает как металлические, так и восстановительные свойства; следовательно, её гидрид SbH₃ способен быть сильным восстановителем.

Итак, окончательный ответ:

– Из п-элементов пятой группы фосфор проявляет более выраженные неметаллические свойства.

– Среди водородных соединений сильным восстановителем является SbH₃ (гидрид сурьмы).

Ответ мотивирован тем, что меньший атомный радиус и выше эффективная ядерная зарядка фосфора делают его более неметаллическим, а большая диффузность валентных 5p орбиталей сурьмы способствует более лёгкой отдаче электронов, что усиливает её восстановительную способность.