Текст книги "Химия. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и строение атомов"

А.В. Гурова, О.Е. Рыбникова
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Предисловие

Пособие содержит краткое изложение важнейшей темы «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева». Периодический закон и Периодическая система (краткий вариант) рассматриваются по принципу от простого к сложному и с точки зрения строения атома.

Все теоретические понятия подкреплены примерами, таблицами, практическими заданиями разного вида: выбрать необходимый ответ, сопоставить, дать характеристику. Задания, нумерация которых соответствует номеру главы, составлены практически к каждой главе (кроме главы 2). Ко всем заданиям имеются ответы в конце книги. К заданиям, помеченным буквой П после номера, даны примеры ответов.

Проверить, насколько хорошо усвоены темы, можно, выполнив один из вариантов контрольной работы, которая также помещена в конец книги.

1. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

1.1. Периодический закон Д.И. Менделеева

1 марта 1869 г. русский ученый Д. И. Менделеев открыл Периодический закон – первую естественную классификацию химический элементов. Это был итог исследований самого ученого и обобщение опыта других исследователей: немецких ученых И. Деберей-нера и Л. Мейера, англичанина Дж. Ньюленд-са, француза А. Шанкуртуа и других. Ни одна классификация элементов до Менделеева не была полной.

Д. И. Менделеев был убежден в том, что между всеми химическими элементами имеется закономерная связь. В основу классификации химических элементов он положил атомную массу.

Формулировка Периодического закона, данная Д. И. Менделеевым:

«Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов (масс) элементов».

От лития Li к фтору F с возрастанием относительных атомных масс наблюдается постепенное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических.

Аналогично свойства изменяются от натрия Na к хлору Cl.

Таким образом, с возрастанием атомной массы химические свойства элементов и их соединений изменяются периодически. Это значит, что через определенное число элементов их свойства повторяются.

Д.И. Менделеев доказал, что:

1) общее у всех элементов – атомная масса;

2) свойства элементов зависят от атомных масс;

3) форма зависимости – периодическая;

4) формы соединений элементов также периодически повторяются;

5) исключением явились элементы: аргон Ar и калий К, кобальт Со и никель Nl, теллур Те и иод I (несоответствие атомных масс и порядкового номера).

1.2. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Графическим отображением Периодического закона явилась Периодическая система химических элементов.

Каждый химический элемент представлен

Порядковый (атомный) номер

в таблице символом и занимает определенное место, где указан символ элемента, его русское название, порядковый (атомный) номер, относительная атомная масса. У некоторых элементов атомная масса указана в квадратных скобках, что указывает на то, что данный элемент является радиоактивным.

Химические элементы сгруппированы по периодам и группам.

В Периодической системе имеется 7 периодов – горизонтальных рядов (ассоциация: период – «поле»), каждый из которых начинается щелочным металлом (исключение: в первом периоде водородом) и заканчивается инертным газом.

Различают малые и большие периоды.

К VI периоду относятся 14 элементов, которые сходны с лантаном и называются лантаноидами (лантаниды). К VII периоду относятся элементы, которые сходны с актинием и называются актиноидами (актиниды). Они находятся внизу таблицы.

В системе 10 рядов. Каждый малый период состоит из одного ряда. Каждый большой период (кроме 7) состоит из 2 рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего).

Основным признаком, по которому большие периоды, кроме 7, имеют два ряда, является скачок валентности. В одном большом периоде валентность дважды повторяется с увеличением атомных масс элементов от 1 до 7. Например, в 4 периоде в четвертом ряду валентность увеличивается от I у калия (K) до VII у марганца (Mn), затем следует триада Fe, Со, Ni, после этого начинается увеличение валентности у меди Cu(I) до Br(VII). Это нечётный ряд. Также дважды повторяются в больших периодах формы соединений элементов.

Изменение свойств элементов в периодах

В малых периодах (1 и 2) металлические свойства элементов уменьшаются слева направо, а неметаллические свойства усиливаются. Типичными называют 2 и 3 периоды.

В четных рядах больших периодов находятся металлы, поэтому изменение свойств в ряду слева направо выражено слабо.

У элементов нечетных рядов больших периодов свойства элементов в ряду слева направо изменяются так же, как у элементов малых периодов.

По вертикали элементы объединены в 8 групп (ассоциация: группа – «гора»), обозначенных римскими цифрами. Каждая группа делится на две подгруппы – главную и побочную.

В главных подгруппах сверху вниз с увеличением относительных атомных масс усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические; в побочных подгруппах это не всегда соблюдается. Например, в VII группе в главной подгруппе расположены неметаллы: F, Cl, Br, I и, кроме того, At – металл, а в побочной подгруппе расположены металлы: Mn, Tc, Re. Следовательно, подгруппы объединяют наиболее сходные между собой элементы.

В VII группе находятся элементы – инертные (благородные) газы. Эти элементы по физическим свойствам относят к неметаллам, но химической активности они не проявляют, что и объясняет их название.

Рис 1. Изменение свойств элементов по периодам и группам

От ₄Ве до ₈₅At проходит условная линия, вдоль которой расположены химические элементы с переходными свойствами.

1.3. Значение Периодического закона

Периодический закон Д.И. Менделеева имеет очень большое значение в науке.

• Он положил начало современной химии.

• На основе Периодического закона Менделеев предсказал существование еще не открытых элементов и подробно описал свойства трех элементов, которые были открыты позднее, при его жизни. Это галлий Оа, скандий Яе, германий Ое.

• В настоящее время этот закон помогает при открытия новых химических элементов.

• На основании Периодического закона были исправлены и уточнены атомные массы элементов.

• У 20 элементов Д.И. Менделеев исправил атомные массы, а также исправил валентность многих элементов. Например, бериллий (Ве) считали трехвалентным элементом, у которого атомная масса 13,5, но в Периодической системе он занимает место над магнием МЗ, следовательно, это двухвалентный элемент, имеющий валентность II и атомную массу 9.

• На основе Периодического закона и Периодической системы Д. И. Менделеева быстро развивалось учение о строении атома. Правильность учения о строении атома проверялась Периодическим законом.

Задания

1.1 II. Охарактеризуйте положение элемента серы в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Ответ. Сера

• символ элемента S («эс»);

• порядковый (атомный) номер элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева № 16;

• относительная атомная масса A_r (S)= 32,064;

• элемент находится в 3-м малом периоде;

• в VIA группе (в VI группе, главной подгруппе);

• сера – неметалл.

1.2. Охарактеризуйте положение элемента № 29 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

1.3. Определите элемент, который находится в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева во IIA группе, 2-м периоде.

1.4 II. Выпишите элементы, которые находятся в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева в главной подгруппе I группы, в малых периодах.

Ответ. Литий Li – IA группа, 2-й малый период;

Натрий Na – IA группа, 3-й малый период;

Водород Н – элемент 1-го малого периода, занимающий в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева двойственное положение 1А (VIIА) группа.

1.5. Выпишите элементы, которые находятся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева во II группе в побочной подгруппе. Элементами каких периодов они являются?

1.6 II. Расположите данные химические элементы в порядке возрастания их металлических свойств: а) магний, алюминий, натрий; б) магний, бериллий, кальций.

В качестве подсказки используйте рис. 1.

Ответ. а) Магний Mg, алюминий А1, натрий – элементы 3-го малого (типичного) периода, поэтому с увеличением порядкового номера элемента по периоду металлические свойства ослабевают. Выпишем знаки химических элементов с указанием их порядкового (атомного) номера и расположим их в порядке уменьшения.

Mg № 12; А1 № 13; Na № 11, следовательно, металлические свойства возрастают от алюминия к натрию: ₁₃А1; ₁₂Mg; ₁₁Nа.

б) Магний Mg, бериллий Ве, кальций Са – элементы IIА группы. С увеличением порядкового номера элемента в главной подгруппе металлические свойства усиливаются. Выпишем знаки химических элементов с указанием их порядкового (атомного) номера и расположим их в порядке возрастания.

№ 12; Ве № 4; Са № 20, следовательно, металлические свойства возрастают от бериллия к кальцию: ₄Ве; ₁₂Мg; ₂₀Са.

1.7. Расположите данные химические элементы в порядке возрастания их неметаллических свойств: а) мышьяк, азот, фосфор; б) азот, кислород, углерод.

В качестве подсказки используйте рис. 1.

1.8. Укажите химический элемент 3-го периода, проявляющий наиболее выраженные неметаллические свойства.

1.9. Укажите химический элемент 1А группы, проявляющий наиболее выраженные металлические свойства.

2. Строение атома

Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом делим. Он состоит из положительно заряженного ядра, окруженного электронной оболочкой, состоящей из постоянно движущихся отрицательно заряженных электронов. Число электронов (е-) численно совпадает с зарядом ядра(Z). Следовательно, атом – электронейтральная частица (1911 г. – Э. Резерфорд, 1913 г. – Н. Бор).

Основной характеристикой атома является заряд его ядра.

2.1. Элементарный состав атома

Таблица. Элементарный состав атома

В центре атома находится положительно заряженное ядро, которое имеет очень маленький размер по сравнению с размером самого атома. Радиус ядра в сто тысяч (100 000) раз меньше радиуса атома. Ядро имеет сложное строение. Оно состоит из протонов и нейтронов.

Протоны – это частицы с положительным зарядом +1 (в условных единицах) и относительной массой, равной 1(р⁺).

Число протонов определяет заряд ядра атома и численно совпадает с порядковым номером элемента:

X = р⁺ = порядковый номер элемента.

Например: натрий Na, порядковый номер № 11, следовательно, заряд ядра Z = +11, протонов в ядре р⁺ = 11.

Рис. 2. Строение атома гелия He

Нейтроны – это частицы, не имеющие заряда, с относительной массой, равной 1(n⁰).

Число нейтронов в ядре атома одного и того же элемента может быть различным. Чтобы рассчитать число нейтронов, надо из относительной атомной массы (A_r) элемента вычесть заряд ядра Z (порядковый номер элемента), т. к. масса ядра атома определяется суммой масс протонов и нейтронов. Следует помнить, что для расчета берут округленное значение относительной атомной массы.

Например: натрий Ка, порядковый номер № 11, следовательно, заряд ядра X= +11, протонов в ядре р⁺ = 11.

Число протонов р⁺ = 11;

заряд ядра Z = +11;

относительная атомная масса А_г = 23;

число нейтронов п⁰ = А_г – Z = 23–11 = 12.

Вокруг ядра атома постоянно вращаются электроны.

Электроны – частицы с отрицательным зарядом -1 и очень маленькой массой, которую принято считать равной 0 (масса электрона приблизительно равна ¹/₁₈₃₇ массы протона).

Количество электронов численно равно количеству протонов (порядковому номеру элемента), поэтому атом электронейтральная частица, т. е. не имеющая заряда.

Например: натрий Nа, порядковый номер № 11, следовательно, заряд ядра Z = +11, протонов в ядре р⁺ = 11.

Число протонов р⁺ = 11;

заряд ядра Z = +11;

относительная атомная масса А_г = 23;

число нейтронов п⁰ = А_г – Z = 23–11 = 12;

число электронов е^- = 11,

р⁺ = 11

е^- = 11

___________

0 → следовательно, атом натрия электронейтральная частица Nа⁰.

Положительный заряд ядра является главной характеристикой атома.

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Задания

2.1.1. Дополните следующую схему.

2.1.2. Число протонов в ядре можно определить по ____________________.

Число электронов можно определить по ____________________.

Число нейтронов можно определить по ____________________.

Приведите пример.

2.1.3 II. Назовите элемент, в ядре которого содержится 13 протонов. Каков элементарный состав его атома?

Ответ. Так как число протонов в ядре численно равно порядковому (атомному) номеру элемента, то это элемент № 13 – алюминий Аl. Элементарный состав атома алюминия:

число протонов р⁺ = 13, число электронов е^- = 13, т. к. атом электронейтрален;

относительная атомная масса А_г = 27;

число нейтронов в ядре атома n⁰ = А_г – Z = 27–13 = 14.

2.1.4. Укажите элемент, в атоме которого находится 31 электрон. Каков элементарный состав его атома?

2.1.5. Установите соответствие между химическими элементами и их элементарным составом.

2.2. Изотопы

Изотопы – это атомы одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разной массой.

В составе атомов всех изотопов одного и того же химического элемента одинаковое число протонов и электронов, но разное число нейтронов, поэтому масса изотопов различна.

Слово «изотоп» в переводе с греческого языка означает: «изос» – один и «топос» – место. Изотопы одного химического элемента занимают одно место в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Изотопы элемента не имеют специальных названий.

Например:

Исключением является водород, изотопы которого имеют специальные химические символы и названия:

Химические свойства изотопов практически одинаковы.

В Периодической системе Д. И. Менделеева для каждого элемента указана относительная атомная масса, т. е. среднеарифметическое значение масс атомов природных изотопов данного химического элемента, с учетом их распространенности в природе. Вследствие чего относительная атомная масса – дробное число.

Например: рассчитайте относительную атомную массу элемента хлора, если известно, что в природе 75,5 % изотопов хлора – 35 (т. е. с массовым числом 35) и 24,5 % изотопов хлора – 37.

Найдем среднеарифметическое значение атомных масс с учетом распространения изотопов хлора в природе:

Ar(Cl) = (35×75,5+37×24,5)/100 = 35,5

Задания

2.2.1 II. Выберите правильный ответ.

Изотопы элемента различают по:

а) числу протонов;

б) числу нейтронов;

в) числу электронов.

Ответ:

б). Изотопы – это атомы одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разной массой. Масса зависит от количества протонов и нейтронов, т. к. количество протонов у изотопов одинаково, то изотопы различают по числу нейтронов.

2.2.2 II. Определите число протонов и нейтронов в атомах следующих изотопов:

Ответ:

а) Число протонов совпадает с порядковым (атомным) номером элемента, а число нейтронов равно разности между относительной атомной массой и зарядом ядра (порядковым (атомным) номером элемента).

2.2.3. Запишите изотопы лития Li, атомы которых содержат 3 и 4 нейтрона. При ответе используйте Периодическую систему Д. И. Менделеева.

2.2.4 II. Известны следующие изотопы:

Выберите атомы, которые являются изотопами одного и того же элемента Э. Назовите этот элемент. Ответ обоснуйте.

Ответ. Изотопы – это атомы одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разной массой. Заряд ядра совпадает с порядковым (атомным) номером элемента.

Следовательно, подходят

Это элемент № 20 – кальций Са.

2.2.5. Рассчитайте относительную атомную массу элемента бора, если известно, что в природе 19,57 % изотопов бора – 10 (т. е. с массовым числом 10) и 80,43 % изотопов бора – 11.

2.3. Строение электронной оболочки атомов

Электронная оболочка атомов состоит из электронов, постоянно вращающихся вокруг ядра. Она занимает бóльшую часть атома.

Химические свойства элементов определяются особенностями строения электронных оболочек их атомов.

Электроны проявляют одновременно свойства частиц и свойства волны.

Особенности движения электронов в атоме позволяют рассматривать каждый электрон как микрооблако, не имеющее четких границ.

Элетроны с приблизительно одинаковым запасом энергии (E) образуют в атоме элетронный слой или энеретический уровень (n).

В атоме может быть несколько энеретических уровней, количество которых численно совпадает с номером периода, в котором находится химический элемент Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Нумерация энергетических уровней начинается от ядра атома. Последний энергетический уровень называется внешним.

Максимальное количество электронов на каждом энергетическом уровне можно рассчитать по формуле:

N = 2n²,

где N– максимальное число электронов на энергетическом уровне, n– номер энергетического уровня.

Например: если n = 1, то N = 2×1² = 2;

n = 2, то N = 2×2² = 8;

n = 3, то N = 2×3² = 18;

n = 4, то N = 2×4² = 32.

Электроны последовательно заполняют внешний энергетический уровень атома до полного его завершения, а затем начинают заполнять новый электронный слой. Если на энергетическом уровне находится максимальное число электронов, то уровень считается завершенным. Если число электронов не максимально, то – незавершенным.

Например: строение атома натрия.

Элемент Na натрий порядковый номер № 11, следовательно, заряд ядра Z=+11, число электронов 11.

Натрий находится в 3-м малом периоде Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, следовательно, в его атоме три энергетических уровня. По формуле N = 2n² рассчитываем количество электронов на каждом энергетическом уровне. Исходя из распределения электронов, приходим к выводу, что 1-й и 2-й энергетические уровни в атоме натрия завершенные, 3-й энергетический уровень – незавершенный.

Для элементов главных (А) подгрупп количество электронов на внешнем уровне совпадает с номером группы, в которой находится элемент в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Так, натрий – элемент 1А группы, поэтому на внешнем энергетическом уровне в атоме натрия только 1 электрон.

Для элементов побочных (В) подгрупп количество электронов на внешнем уровне 2 или 1. У некоторых элементов побочных подгрупп происходит «провал» электронов на предвнешний энергетический уровень.

По количеству электронов на внешнем энергетическом уровне можно определить отношение элементов к металлам, неметаллам, благородным газам.

У атомов химических элементов металлов на внешнем энергетическом уровне 1, 2, 3, (4) электрона. Исключением являются

неметаллы – водород, гелий, бор.

У атомов химических элементов неметаллов на внешнем энергетическом уровне 4, 5, 6, 7 электронов. К неметаллам относятся водород и бор.

Благородные (инертные) газы – химические элементы, атомы которых имеют устойчивый 8-электронный внешний энергетический уровень. Исключение: гелий – 2 электрона на внешнем энергетическом уровне.

Задания

2.3.1 II. Изобразите схему строения атомов следующих химических элементов: бериллия, магния, хлора. Найдите сходства и различия в строении атомов данных химических элементов.

Сходства:

1) у всех этих элементов завершен первый энергетический уровень; у атомов магния и хлора также завершен второй энергетический уровень;

2) у атомов бериллия и магния на внешнем энергетическом уровне по два электрона, т. к. это элементы IIA группы;

3) у атомов магния и хлора по три энергетических уровня, т. к. это элементы третьего малого периода;

4) у атомов магния и хлора незавершен внешний энергетический уровень.

Различия:

1) у атомов данных химических элементов разный заряд ядра, т. к. разные порядковые номера;

2) у атомов данных химических элементов разное количество электронов;

3) у бериллия, магния и хлора разное количество энергетических уровней, т. к. они находятся в разных периодах;

4) у бериллия, магния и хлора различное число завершенных и незавершенных энергетических уровней;

5) у бериллия, магния и хлора различное количество электронов на внешнем энергетическом уровне.

2.3.2. У атомов с порядковыми номерами № 6 и № 9 одинаковое количество а) нейтронов,

6) электронов,

в) энергетических уровней,

г) электронов на внешнем энергетическом уровне.

Поясните ответ.

2.3.3 II. Установите соответствие между порядковым (атомным) номером элемента и количеством электронов на внешнем энергетическом уровне. Дайте пояснение.

Ответ. Количество электронов на внешнем энергетическом уровне у атомов элементов главных подгрупп численно совпадает с номером группы.

Следовательно, 2 электрона на внешнем энергетическом уровне может быть у атома элемента IIA группы. Находим порядковый номер элемента, который расположен во второй группе.

Это элемент № 12 – магний. Ответ: 2 – а).

2.3.4 II. Определите, атомы каких химических элементов имеют электронную конфигурацию:

а) 2е^- 8е^- 3е^-;

б) 2е^- 5е^-;

в) 2е^- 8е^- 8е^- 2е^-.

Ответ. I способ. а) Сумма электронов на всех энергетических уровнях численно равна порядковому номеру элемента.

2 + 8 + 3 = 13, следовательно, это элемент № 13 – алюминий.

II способ. а) В атоме неизвестного химического элемента:

• три энергетических уровня, следовательно, он расположен в третьем малом периоде;

• на внешнем энергетическом уровне у этого элемента 3 электрона; следовательно, элемент находится в ШЛ группе. Это алюминий.

Оба способа являются взаимопроверкой.

2.3.5 II. Сколько завершенных и незавершенных энергетических уровней содержится в атомах химических элементов:

а) лития, б) № 16, в) № 19.

Ответ. в) Химический элемент с порядковым номером 19 – калий K. Он находится в 4-м большом периоде, в IA группе Периодической системы Д. И. Менделеева. В атоме этого элемента:

– 19 электронов, т. к. порядковый (атомный) номер 19;

– 19 протонов, т. к. атом электронейтрален;

– 4 энергетических уровня, т. к. элемент находится в 4-м большом периоде;

– 1 электрон на внешнем энергетическом уровне, т. к. это элемент I-A группы.

Так как это элемент главной подгруппы, то на внешнем энергетическом уровне у него находится 1 электрон. По формуле N = 2n² рассчитываем число электронов на первом и втором энергетических уровнях. Подсчитаем число записанных электронов, оно равно 2 + 8 + 1 = 11. На 3-м энергетическом уровне будут расположены 8 оставшихся электронов (19–11 = 8).

Исходя из составленной схемы, делаем вывод: в атоме калия 2 завершенных (1-й и 2-й) и 2 незавершенных (3-й и 4-й) энергетических уровня.

2.3.6 II. Определите принадлежность химических элементов: а) № 10, б) № 11, в) № 15 – к металлам, неметаллам, благородным газам с точки зрения строения их атомов.

Ответ. а) Химический элемент с порядковым номером № 10 – неон – находится во 2-м периоде, VIIIA группе. В атоме этого элемента на внешнем энергетическом уровне 8 электронов, следовательно, неон является благородным газом.