Электроотрицательность селена (Se): значение, факторы и влияние в реакциях

Теория:

По шкале Полинга электроотрицательность селена (Se) равна (2,55), это характерное значение для халькогенов (элементов 16-й группы).

Определяющее его выраженные неметаллические свойства и способность образовывать соединения как с положительными, так и с отрицательными степенями окисления.

Селен — элемент 16-й (VIA) группы, занимающий место в 4-м периоде между мышьяком и бромом, непосредственно под серой.

Если представить эту характеристику как «силу притяжения» чужих электронов, то у атома селена эта способность выражена намного сильнее, чем у металлов, но уступает галогенам и более лёгким аналогам по подгруппе (кислороду и сере).

Его валентные электроны удерживаются ядром достаточно прочно, что позволяет атому легко притягивать электроны от элементов с меньшей ЭО или обобществлять их при образовании ковалентных связей.

Наличие шести валентных электронов (4s²4p⁴) влечёт три основных химических следствия:

1. Проявление характерных степеней окисления −2, +4 и +6 в сложных соединениях.
2. Образование кислотных оксидов (SeO₂, SeO₃) и соответствующих им кислот (H₂SeO₃, H₂SeO₄).
3. Преимущественное образование полярных и неполярных ковалентных связей с неметаллами и металлами.

Как определяют электроотрицательность: основные шкалы

Электроотрицательность (ЭО) — условная величина, отражающая способность атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.

Для селена различие между значениями в разных шкалах отражает его промежуточное положение между яркими неметаллами и полуметаллами.

Шкала Полинга

Шкала Полинга является наиболее распространенной и традиционно применяется в школьных и университетских программах.

Значение для селена составляет (2,55). Оно наглядно показывает, что селен относится к категории неметаллов со средней электроотрицательностью (близкой к углероду и водороду).

В отличие от металлов, селен преимущественно образует соединения с ковалентными связями.

Смотреть полную таблицу электроотрицательности для всех элементов.

Шкала Малликена

Шкала Малликена основана на энергетических характеристиках изолированного атома:

Первая энергия ионизации I = 941,0 кДж/моль — энергия, необходимая для отрыва первого валентного 4p-электрона.

Сродство к электрону E = 195,0 кДж/моль — энергия, выделяющаяся при присоединении электрона.

Формула: χ = ½ (I + E). В пересчете на относительные единицы шкала Малликена дает значение около (2,48), отражающее высокую способность удержания и притяжения электронов.

Шкала Олреда–Рохова

Олред и Рохов рассчитывают ЭО исходя из кулоновской силы притяжения внешних электронов к ядру:

где Z_эфф — эффективный заряд ядра, r — радиус атома.

Благодаря относительно небольшому атомному радиусу (120 пм) и значимому эффективному заряду ядра (+34) расчетное значение составляет (2,48).

Шкала Аллена

Шкала Ларри Аллена рассчитывается через среднюю энергию валентных электронов:

где E_i — энергии ионизации валентных электронов, n — их количество. Для селена с его шестью валентными (4s²4p⁴) электронами шкала Аллена дает значение (2,424).

По шкале Аллена селен удерживает валентные электроны значительно сильнее, чем элементы начала 4-го периода, что объясняет его неметаллический химический характер.

Почему у селена высокая электроотрицательность

Селен — элемент 16-й группы 4-го периода с атомным номером 34. Конфигурация — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴ (или [Ar]3d¹⁰4s²4p⁴).

Шесть валентных электронов находятся на 4-м энергетическом уровне. Заряд ядра (+34) сжимает электронную оболочку сильнее, чем у калия (+19), кальция (+20) и галлия (+31).

При этом ковалентный радиус селена невелик (около 120 пм), а эффективный заряд ядра высок.

Атому энергетически выгодно принимать два электрона до завершения 8-электронного внешнего слоя (октета), либо обобществлять их при взаимодействии с неметаллами.

Сравнение с элементами 4-го периода:

По мере движения слева направо по периоду от калия к брому ЭО закономерно возрастает из-за увеличения заряда ядра и уменьшения атомного радиуса.

Как свойства селена влияют на тип химической связи

Значение электроотрицательности селена определяет характер его связей в различных соединениях:

• Ковалентная полярная связь: в соединениях с более электроотрицательными элементами (например, O или F) электронная плотность смещена от селена (SeO₂, SeF₆). В соединениях с водородом (H₂Se) или металлами электронная плотность смещена к селену.
• Ковалентная неполярная связь: образуется в простом веществе (молекулы Se₈ и цепные структуры) благодаря одинаковой ЭО атомов.
• Кислотные оксиды и гидроксиды: оксиды селена (SeO₂, SeO₃) растворяются в воде с образованием селенистой (H₂SeO₃) и селеновой (H₂SeO₄) кислот.

Характерные особенности селена:

• Полупроводниковые свойства: селен проявляет фотопроводимость (резкое увеличение электропроводности на свету).
• Аллотропия: существует в нескольких аллотропных модификациях (серый гексагональный, красный моноклинный и аморфный селен).

Сравнение селена с другими элементами VIA группы (халькогенами)

При движении сверху вниз по подгруппе от кислорода к полонию ЭО закономерно уменьшается ввиду увеличения радиуса атома и числа электронных слоев.

Положение в периодической системе и электронная структура

• Группа: 16-я (VIA).
• Период: 4-й.
• Конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴.
• Валентные электроны: 6 на внешнем уровне.
• Свойства: наличие свободных 4d-орбиталей позволяет атому селена переходить в возбужденные состояния с распариванием электронных пар и увеличением валентности до IV и VI.

Физические и энергетические характеристики

• Суммарная энергия ионизации (1–6) — около 13 300 кДж/моль.
• Атомный радиус — около 120 пм.
• Окислительно-восстановительная двойственность — проявляет свойства окислителя с металлами и водородом, и восстановителя с кислородом и галогенами.

Степень окисления селена: роль электронной структуры

Значение ЭО по Полингу (2,55) определяет разнообразное химическое поведение селена в химических реакциях.

Эта характеристика обуславливает ключевые степени окисления элемента:

• Отрицательная степень окисления (−2): при взаимодействии с металлами и водородом (H₂Se, Na₂Se).
• Степень окисления 0: наблюдается в простом веществе.
• Положительные степени окисления (+4, +6): при взаимодействии с более электроотрицательными элементами (SeO₂, SeO₃, H₂SeO₄).

Главное правило: при реакции с более электроотрицательными элементами (O, F, Cl) селен отдаёт или смещает свои электроны, проявляя положительные степени окисления (+4, +6).

Валентность селена: особенности элемента

На внешнем уровне у атома селена в основном состоянии находится 2 неспаренных 4p-электрона и 2 неподелённые электронные пары (4s² и 4p²).

При распаривании 4p-пары и переходе электрона на 4d-орбиталь образуется 4 неспаренных электрона (валентность IV).

При последующем распаривании 4s-пары образуется 6 неспаренных электронов (валентность VI). Поэтому селен проявляет валентности II, IV и VI.

Краткий итог: электронное строение 4s²4p⁴ с учётом наличия вакантных d-орбиталей определяет переменные валентности селена II, IV, VI.

Как электронная конфигурация селена объясняет его свойства

Электроотрицательность селена вытекает из строения его электронной оболочки.

Электронная формула селена: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴

На внешнем энергетическом уровне находятся 6 валентных электронов.

Два ключевых фактора:

1. Энергетическая выгода. Присоединение двух электронов завершает внешний слой до устойчивого октета криптона [Kr].
2. Высокая энергия ионизации. Значительные затраты энергии на отрыв электронов обуславливают преобладание неметаллических свойств и ковалентного характера связей.

Значение электроотрицательности (2,55) — это прямое следствие формулы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴.

Химическая активность и применение

Благодаря своей электронной структуре и значению ЭО селен широко используется:

• В полупроводниковой технике, фотоэлементах и ксерографии (благодаря фотопроводимости).
• В стекольной промышленности для обесцвечивания стекла или придания ему красного цвета (селеновый рубин).
• В металлургии как легирующая добавка для улучшения обрабатываемости сталей и сплавов.

Особенности, отличающие селен от соседних элементов

В отличие от серы и теллура:

• селен по электроотрицательности (2,55) практически равен сере (2,58), но превосходит теллур (2,10);
• селеновая кислота (H₂SeO₄) является более сильным окислителем, чем серная кислота;
• проявляет выраженные полупроводниковые свойства в серой модификации.

Вывод

Электроотрицательность селена (по Полингу равна 2,55):

1. Отражает высокую способность ядра удерживать валентные 4s- и 4p-электроны и притягивать чужие.
2. Обуславливает его (неметаллические свойства и окислительно-восстановительную двойственность).
3. Фиксирует его (переменные степени окисления (−2, +4, +6)).
4. Объясняет образование (преимущественно ковалентных связей).

Таким образом, селен выступает классическим примером неметалла-халькогена со средней электроотрицательностью.

Проверка знаний

1) По шкале Полинга электроотрицательность селена равна 2,55.

2) Селен имеет меньшую электроотрицательность, чем калий.

3) Оксиды селена (SeO₂, SeO₃) проявляют кислотные свойства.

4) Электронная конфигурация внешнего слоя селена — 4s²4p⁴.

5) В соединениях с водородом и металлами селен проявляет степень окисления −2.

Часто задаваемые вопросы