Теория:
По шкале Полинга электроотрицательность мышьяка (As) равна (2,18), это значение характерно для типичных полуметаллов (металлоидов) 4-го периода.
Определяя проявление им как неметаллических, так и слабых металлических (амфотерных) свойств.
Мышьяк — элемент 15-й (VA) группы, занимающий место в 4-м периоде между германием и селеном.
Если представить эту характеристику как «силу притяжения» чужих электронов, то у атома мышьяка эта способность выражена значительно сильнее, чем у металлов, но уступает типичным галогенам и халькогенам.
Его валентные электроны удерживаются ядром достаточно прочно, однако атом способен как принимать, так и отдавать электроны при взаимодействии с другими элементами.
Наличие пяти валентных электронов (4s24p3) влечёт три основных химических следствия:
Содержание страницы
Электроотрицательность (ЭО) — условная величина, отражающая способность атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.
Для полуметаллов различие между значениями в разных шкалах отражает двойственную химическую природу элемента.
| Шкала | Что измеряется | Значение для As |
|---|---|---|
| Полинга | Энергии химических связей | 2,18 |
| Малликена | Энергия ионизации + сродство к электрону | 2,26 |
| Олреда–Рохова | Эффективный заряд ядра и ковалентный радиус | 2,20 |
| Аллена | Средняя энергия валентных электронов | 2,211 |
Шкала Полинга является наиболее распространенной и традиционно применяется в школьных и университетских программах.
Значение для мышьяка составляет (2,18). Оно показывает, что мышьяк по электроотрицательности близко к фосфору и водороду.
Благодаря этому связи As–H в арсине (AsH3) практически неполярны, а само вещество проявляет химическую активность, отличную от аммиака.
Смотреть полную таблицу электроотрицательности для всех элементов.
Шкала Малликена основана на энергетических характеристиках изолированного атома:
Первая энергия ионизации I = 947,0 кДж/моль — энергия, необходимая для отрыва первого валентного 4p-электрона.
Сродство к электрону E = 78,0 кДж/моль — энергия, выделяющаяся при присоединении электрона.
Формула: χ = ½ (I + E). В пересчете на относительные единицы шкала Малликена дает значение около (2,26), подтверждающее неметаллический характер элемента.
Олред и Рохов рассчитывают ЭО исходя из кулоновской силы притяжения внешних электронов к ядру:
где Zэфф — эффективный заряд ядра, r — радиус атома.
Из-за ковалентного радиуса (120 пм) и значительного эффективного заряда ядра (+33 с учетом d-сжатия) расчетное значение составляет (2,20).
Шкала Ларри Аллена рассчитывается через среднюю энергию валентных электронов:
где Ei — энергии ионизации валентных электронов, n — их количество. Для мышьяка с его пятью валентными (4s24p3) электронами шкала Аллена дает значение (2,211).
По шкале Аллена мышьяк удерживает валентные электроны гораздо сильнее металлов своего периода, что объясняет преобладание неметаллических свойств.
Мышьяк — элемент 15-й группы 4-го периода с атомным номером 33. Конфигурация — 1s22s22p63s23p63d104s24p3 (или [Ar]3d104s24p3).
Пять валентных электронов находятся на 4-м энергетическом уровне.
Заряд ядра (+33) существенно сжимает электронное облако благодаря прохождению 3d-подуровня (d-сжатие).
Атомный радиус мышьяка составляет около 120 пм, что обуславливает высокое притяжение внешних p-электронов к ядру.
Сравнение с элементами 4-го периода:
| Элемент | ЭО (Полинг) | Электронная конфигурация |
|---|---|---|
| Ga (галлий) | 1,81 | [Ar] 3d10 4s2 4p1 |
| Ge (германий) | 2,01 | [Ar] 3d10 4s2 4p2 |
| As (мышьяк) | 2,18 | [Ar] 3d10 4s2 4p3 |
| Se (селен) | 2,55 | [Ar] 3d10 4s2 4p4 |
| Br (бром) | 2,96 | [Ar] 3d10 4s2 4p5 |
По мере движения слева направо по периоду от галлия к брому ЭО закономерно возрастает из-за увеличения заряда ядра и уменьшения атомного радиуса.
Значение электроотрицательности мышьяка определяет преимущественно ковалентный характер его связей в различных соединениях:
Характерные особенности мышьяка:
| Элемент | ЭО (Полинг) | Первая энергия ионизации, кДж/моль | Атомный радиус, пм |
|---|---|---|---|
| N (азот) | 3,04 | 1402,3 | 65 |
| P (фосфор) | 2,19 | 1011,8 | 100 |
| As (мышьяк) | 2,18 | 947,0 | 120 |
| Sb (сурьма) | 2,05 | 834,0 | 140 |
| Bi (висмут) | 2,02 | 703,0 | 160 |
При переходе сверху вниз по группе от азота к висмуту ЭО естественным образом снижается, однако у фосфора и мышьяка она практически одинакова из-за d-сжатия у мышьяка.
Значение ЭО по Полингу (2,18) определяет разнообразие степеней окисления мышьяка в химических реакциях.
Эта характеристика обуславливает ключевые состояния элемента:
Главное правило: мышьяк проявляет отрицательные степени окисления с менее электроотрицательными элементами (металлами) и положительные — с более электроотрицательными (O, F, Cl).
На внешнем уровне у атома мышьяка находится 3 неспаренных 4p-электрона и неподелённая пара 4s-электронов.
В основном состоянии мышьяк проявляет валентность III.
При распаривании 4s-электронов и переходе одного из них на свободный d-орбиталь мышьяк проявляет валентность V.
Краткий итог: электронное строение 4s24p3 определяет характерные валентности мышьяка, равные III и V.
Электроотрицательность мышьяка вытекает из строения его электронной оболочки.
Электронная формула мышьяка: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3
На внешнем энергетическом уровне находятся 5 валентных электронов.
Два ключевых фактора:
Значение электроотрицательности (2,18) — это прямое следствие формулы [Ar]3d104s24p3.
Благодаря полупроводниковым свойствам и значению ЭО мышьяк применяется:
В отличие от германия и селена:
Электроотрицательность мышьяка (по Полингу равна 2,18):
Таким образом, мышьяк выступает классическим примером полуметалла с умеренно высокой электроотрицательностью.
Правильные ответы: 1, 3, 4, 5.
Разбор ошибок:
2 — неверно: электроотрицательность мышьяка (2,18) выше, чем у германия (2,01).
По шкале Полинга электроотрицательность мышьяка равна 2,18.
Из-за d-сжатия (заполнения 3d-подуровня 10 электронами), которое компенсирует увеличение радиуса атома мышьяка по сравнению с фосфором.
Мышьяк образует преимущественно ковалентную полярную и ковалентную неполярную химическую связь.