Условие задачи

Установите сходство и различие малых и больших периодов. Большие периоды делятся на два ряда: чётный и нечётный. В нечётном сосредоточены металлические элементы. Каковы особенности изменения их свойств? Укажите причины.

Решение

Ниже приводится подробное решение задачи по химии, основанное на анализе периодичности свойств элементов и строении периодической системы Менделеева.

──────────────────────────────
1. Исходные понятия и постановка задачи

Задача просит установить сходство и различие между малыми и большими периодами таблицы элементов, а затем рассмотреть деление больших периодов на два ряда (чётный и нечётный) с особым вниманием к нечётному ряду, в котором сосредоточены металлические элементы. Далее необходимо описать особенности изменения их свойств и указать причины.

Обозначим основные понятия:
• «Малые периоды» – это периоды, в которых элементы заполняют лишь s‑ и p‑орбитали. Обычно это первые два периода, где число элементов ограничено (например, первый период – 2 элемента, второй – 8).
• «Большие периоды» – периоды, в которых кроме s‑и p‑орбиталей происходит заполнение d‑орбиталей (а иногда и f‑орбиталей). Такие периоды содержат значительно больше элементов. Как принято, они делятся на два ряда:
– Чётный ряд, где преобладают элементы с неметаллическими или полуметаллическими свойствами.
– Нечётный ряд, где сосредоточены металлические элементы.

──────────────────────────────
2. Сходство малых и больших периодов

Оба типа периодов характеризуются следующими общими моментами:
a) Периодичность свойств. При увеличении атомного номера Z наблюдается повторение (с определёнными модификациями) химических и физических свойств элементов, что связано с последовательным заполнением электронных оболочек.
b) Влияние электронной конфигурации. Свойства элементов определяются распределением электронов по энергетическим оболочкам с главным квантовым числом n. При переходе от элемента к элементу внутри одного периода происходит увеличение Z при схожей «структурной организации» внешних электронов.
c) Тенденции изменения основных параметров – атомного радиуса, энергии ионизации, электроотрицательности и пр. Эти тенденции (например, убывание атомного радиуса с увеличением Z в малых периодах) обусловлены притяжением внешних электронов к ядру при росте эффективного положительного заряда.

──────────────────────────────
3. Отличия малых и больших периодов

Рассмотрим различия, вытекающие из принципиальных особенностей электронной конфигурации:

А. Заполнение орбиталей:
– В малых периодах (например, n = 1 или 2) электроны занимают преимущественно s‑и p‑орбитали. Количество элементарных ступеней заполнения меньше, и при увеличении Z наблюдаются достаточно гладкие изменения свойств.
– В больших периодах (n ≥ 3) появляется возможность заполнения d‑орбиталей (иногда f‑орбиталей в более поздних периодах), что усложняет картину изменения свойств. Здесь наблюдаются дополнительные эффекты, связанные с экранированием внутренними d‑электронами.

Б. Длина периода:
– Малые периоды содержат меньше элементов (например, первый период – 2 элемента, второй – 8), поэтому изменение свойств происходит в узком диапазоне.
– Большие периоды включают большее число элементов, поскольку помимо s‑и p‑блоков в них присутствует d‑блок. Это приводит к наличию двух внутренних рядов (чётного и нечётного).

──────────────────────────────
4. Деление больших периодов на чётный и нечётный ряды

При построении периодической системы элементов большие периоды можно разделить на:
a) Чётный ряд – содержащий элементы, свойства которых более характерны для неметаллов или полуметаллических элементов (например, элементы главных групп п‑блока с более выраженной неактивностью по отношению к отдаче электронов).
b) Нечётный ряд – где преобладают металлические элементы, обладающие выраженной электроотрицательностью и характерными для металлов свойствами (электропроводность, пластичность, блеск).

Особенность нечётного ряда заключается в том, что здесь наблюдаются именно те элементы, для которых влияние d‑электронов в значительной степени сказывается на проявлении металлических свойств.

──────────────────────────────
5. Особенности изменения свойств в нечётном (металлическом) ряду и причины

При переходе по нечётному ряду наблюдаются следующие особенности изменений свойств:

I. Атомный радиус и плотность заряда:
– Несмотря на рост атомного номера Z (Z возрастает), атомный радиус не уменьшается так резко, как в малых периодах. Это связано с тем, что d‑электроны обладают слабым экранирующим эффектом, что препятствует полному сцеплению внешних электронов с ядром.
– Результат: атомы сохраняют большую радиусную величину, способствующую формированию металлической связи.

II. Энергия ионизации:
– В металлическом ряду энергия ионизации, как правило, ниже, что облегчает потерю электрона и образование положительного иона (катиона).
– Причина – экранирующий эффект d‑электронов, при котором эффективный заряд (Zₑфф) на внешних электронах оказывается ниже, чем могло бы быть при учёте лишь роста Z.

III. Электропроводность и пластичность:
– Металлические элементы обладают высокой электропроводностью и пластичностью.
– Эти свойства обусловлены наличием «облака» делокализованных d‑и s‑электронов, которые легко перемещаются по кристаллической решётке.

IV. Специфические эффекты (например, эффекты лантаноидного сокращения):
– При заполнении d‑подуровня наблюдается эффект лантаноидного сокращения, при котором размеры атомов ионов некоторых металлов снижаются не так, как ожидалось бы по тренду.
– Причина заключается в том, что d‑электроны плохо экранируют ядро, в результате чего растущий положительный заряд ядра сильнее воздействует на внешние электроны.

Таким образом, в нечётном ряду большие периоды характеризуются увеличением металлического характера: уменьшается энергия ионизации, увеличивается атомный радиус и проявляются типичные для металлов физические свойства, что обусловлено специфическим распределением электронов между s‑и d‑орбиталями и проявлением экранирующего эффекта.

──────────────────────────────
6. Итоговое сравнение

Сходства:
– И малы, и большие периоды подчиняются общей закономерности заполнения электронных оболочек и проявления периодичности свойств.
– Основные тенденции (изменение атомного радиуса, энергии ионизации, электроотрицательности) наблюдаются в обеих группах, хотя в разных масштабах.

Отличия:
– Малые периоды ограничены заполнением лишь s‑и p‑орбиталей, что ведёт к более однородному изменению свойств, тогда как большие периоды включают d‑орбитали.
– В больших периодах появляется деление на чётный ряд (с преобладанием элементов с неметаллическими свойствами) и нечётный ряд (с концентрацией металлических элементов). Особенности изменения свойств в нечётном ряду (например, относительно низкая энергия ионизации, слабое уменьшение атомных радиусов, высокая электропроводность) обусловлены спецификой распределения электронов и экранирующим эффектом d‑электронов.

──────────────────────────────
7. Вывод

Малые и большие периоды схожи тем, что демонстрируют повторение свойств элементов вследствие поэтапного заполнения электронных оболочек. Однако большие периоды отличаются наличием дополнительного внутреннего d‑блока, что приводит к делению на два ряда. В нечётном ряду, где сосредоточены металлические элементы, существенное влияние оказывает недостаточное экранирование d‑электронами, что приводит к особенностям изменения атомного радиуса, энергии ионизации и других параметров, характерных для металлов.

Таким образом, анализ свойств элементов в рамках малых и больших периодов позволяет объяснить наблюдаемые аномалии и тенденции, базируясь на электронной конфигурации и взаимодействии между ядром и электронами.

──────────────────────────────
Кратко:
• Сходство: Обе группы подчиняются общему принципу заполнения электронных оболочек, что определяет периодичность свойств.
• Отличие: Малые периоды (s, p-блок) характеризуются простым прогрессированием свойств, а большие периоды (при участии d‑орбиталей) делятся на чётный и нечётный ряды. В нечётном ряду преобладают металлические свойства за счёт слабого экранирования d‑электронами, что приводит к снижению энергии ионизации, относительно большему атомному радиусу и характерной электропроводности.

Причинами являются особенности электронной конфигурации, экранирующий эффект внутренних d‑электронов, а также эффект лантаноидного сокращения, оказывающий влияние на размеры ионов металлой природы.

Это и составляет основное решение поставленной задачи.