Страница - 15

§29. ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ

Периоды, группы.

Периодическая система является графическим изображением Периодиче­ского закона Д. И. Менделеева. Она состоит из восьми групп и семи периодов. Периоды подразделяются на большие и малые. Первые три периода — малые, они состоят из одного ряда. Большие периоды состоят из двух рядов.

Далее рассмотрим изменение свойств атомов элементов (радиусы, ме­таллические и неметаллические свойства, валентности) и их соединений (кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов).

Хотя число энергетических уровней у элементов одного периода одинако­во, по периоду слева направо радиусы атомов уменьшаются, так как заряды ядер атомов постепенно возрастают в этом направлении.

По периодам слева направо увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне, что приводит к ослаблению металлических свойств и усилению неметаллических свойств.

У атомов металлов мало электронов на внешних энергетических уров­нях (1—3), поэтому они легко их отдают.

У атомов неметаллов для завершения внешнего энергетического уровня не хватает 1—4 электронов, поэтому неметаллы легко их принимают. Их ва­лентность в водородных соединениях определяется числом присоединенных электронов.

На примере атома фосфора рассмотрим валентность элемента. Валент­ность атомов элементов с точки зрения электронного строения атомов опреде­ляется участием неспаренных электронов в образовании химических связей между атомами. Электронная формула последнего энергетического уровня атома фосфора:

Третий энергетический уровень состоит из трех подуровней 3s, 3р, 3d. На 3d-орбитали 5 ячеек.

Валентных электронов пять, три из них неспаренные. На 3р-орбитали находятся три неспаренных электрона, поэтому фосфор проявляет валент­ность, равную III (Р₂О₃, Н₃РО₃). При подаче определенного количества энер­гии один электрон с 3s-орбитали переходит на 3d-орбиталь, такое состояние атома называется возбужденным. В результате атом фосфора становится пя­тивалентным (Р₂О₅, Н₃РО₄). В водородных соединениях фосфор трехвалентен (РН3), так как до завершения внешнего энергетического уровня не хватает 3 электронов (8-5 = 3).

Оксиды первых двух элементов каждого периода Периодической системы являются основными оксидами, которым соответствуют основные гидроксиды. Далее идут элементы, оксиды и гидроксиды которых проявляют амфотерность. В конце периодов расположены элементы, оксиды и гидроксиды которых проявляют кислотные свойства.

Каждая группа Периодической системы подразделяется на две подгруп­пы: главную (А) и побочную (В).

Число валентных электронов элементов одной группы одинаково. Валентные электроны элементов главных подгрупп (А) расположены на внешних энергетических уровнях.

Высшая валентность в соединениях элементов одной группы одинако­вая.

Элементы побочных подгрупп - металлы, у многих из них на внешнем энергетическом уровне имеется по два электрона, поэтому их низшая валент­ность равна II, а высшая соответствует номеру группы, они проявляют пере­менную валентность. Исключение: цинк имеет постоянную валентность (II) а, например, медь и серебро — низшую валентность (I).

В главной подгруппе сверху вниз увеличиваются значения атомных радиусов, так как увеличивается число энергетических уровней. Поэто­му уменьшается количество энергии, необходимой для отрыва электрона от внешнего электронного слоя, что приводит к усилению металлических свойств.

Основываясь на этих рассуждениях, можно сделать следующий вывод:

Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ периодически повторяются, так как периодически изменяется электронное строение атомов.

Валентные электроны, переменная валентность.

А

1. Назовите элемент, формула валентных электронов которого 3s²3p⁵.
2. Какому элементу соответствует электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p²? Опре­делите место расположения элемента в Периодической системе Д. И. Мен­делеева. Сколько у атома этого элемента энергетических уровней, а также протонов, нейтронов и электронов?
3. Напишите электронную формулу элемента, атомный номер которого 20. Определив валентность этого элемента, составьте формулы его оксида и ги­дроксида.

В

1. Какие валентности характерны для атома серы в соединениях? Объясните с помощью электронно-графических формул.
2. Объясните, почему валентности углерода в углекислом газе (СО₂) и метане (СН₄) одинаковы.
3. Почему значение валентности элементов: углерода, азота, кислорода и фтора в водородных соединениях снижается с IV до I?

C

1. Определите место расположения элемента в Периодической системе, если электронная формула его атома 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Какие валентности харак­терны для этого элемента? Напишите формулы его оксидов и гидроксидов.
2. У какого элемента и почему более выражены металлические свойства: а) натрий - алюминий; б) литий - калий?
3. Выберите ряд элементов, в котором усиливается способность отдавать элек­троны: О → S → Se → Те; Ве → В → С → N.
4. Укажите наиболее активный элемент: а) неметалл III периода; б) металл III периода.

Играем, думаем, учимся!

При правильном заполнении вы прочитаете названия 12 химических эле­ментов.

§30. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА ПО ПОЛОЖЕНИЮ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Протоны, нейтроны, заряд ядра, относительная атомная масса.

После того как мы выяснили зависимость свойств химических элементов от электронного строения атома, можно предположить свойства любого эле­мента Периодической системы (табл. 12). Для этого предлагаем следующий алгоритм:

1. Место химического элемента в Периодической системе.
2. Строение атома химического элемента в зависимости от положения в Периодической системе.
3. Свойства химического элемента и его соединений.

Таблица 12. Характеристика элементов (Сl, К)

А

1. Напишите формулы оксидов и гидроксидов следующих элементов: барий, цинк, сера, сурьма.
2. Выберите ряд элементов, в котором усиливается способность присоединять электроны:
3. Si - Р - S - Сl;
4. F - О - N - С.
5. Как изменяется способность элементов (усиливается, ослабевает) отдавать электроны в следующих рядах:
6. Ве — Мg — Са — Sr - Ва;
7. Mg - Аl - Si - Р - S - С1?

Почему?

В

1. Как изменяются свойства:
2. металлические: Li → Na → К → Rb;
3. неметаллические: F → Сl → Вr → I;
4. As → Se → Вr?
5. Какое из приведенных оснований обладает более сильными основными свойствами: NaОH → Мg(ОН)₂ → Аl(OН)₃. Почему?
6. Формула оксида элемента III периода в высшей валентности ЭО₂. Определи­те этот элемент и охарактеризуйте строение его атома.

С

1. Элемент IV периода образует оксид ЭО₃. Составьте формулу его водородного соединения.
2. Относительная молекулярная масса кислоты Н2ЭО₃ равна 62. Напишите формулы оксидов, а также формулу водородного соединения кислотообра­зующего элемента.
3. Элемент образует с водородом соединение Н₂Э, относительная молекуляр­ная масса которого равна 34. Определите этот элемент, характер его гидрок­сидов. Напишите их формулы.

ДЕЛАЕМ ВЫВОДЫ

1. Период - горизонтальный ряд элементов в Периодической системе, который начинается со щелочного металла и заканчивается инертным газом. В периодах число энергетических уровней одинаково, элементы расположены по возрастанию зарядов ядер атомов.
2. Группа - вертикальный ряд сходных по свойствам элементов, у которых число валентных электронов одинаково. Валентные электроны элементов главных подгрупп расположены на внешнем энергетическом уровне, у элементов побочных подгрупп - на внешних и предвнешних уровнях.
3. По периодам слева направо металлические свойства посте­пенно ослабевают, а неметаллические - усиливаются, так как в этом направлении уменьшаются радиусы атомов и увеличивается число электронов на последнем уровне.
4. По группам сверху вниз из-за увеличения атомных радиусов усиливаются металлические свойства, а неметаллические - осла­бевают.

ЗНАЧЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА. ЖИЗНЬ И ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Периодический закон и Периодическая система элементов Д. И. Менделее­ва оказали огромное влияние на развитие не только химии, но и теоретической физики, астрономии, медицины, геологии и многих других наук. Руководству­ясь Периодическим законом, ученые-физики определили электронное строение атомов.

Д. И. Менделеев открыл фундаментальный закон периодичности изменений свойств элементов и на основе этого закона создал свою знаменитую таблицу хи­мических элементов.

На основе открытого им закона Д. И. Менделеев удивительно точно предсказал физико-химические свойства еще не открытых в то время элементов, заложив тем самым методологическую основу неорганической химии (экаалюминий - галлий, экабор — скандий, экасилиций - германий).

Периодический закон утвердился в науке и стал путеводной звездой в поисках еще не открытых в земной природе элементов, а также еще не полученных соеди­нений уже известных элементов.

Периодическая система привела в строгий порядок огромное число фактов и разрозненных знаний о химических элементах и их соединениях. Опираясь на Пе­риодический закон, ученые-физики синтезировали ряд трансурановых элементов, которые дополнили Периодическую систему и оказались дополнительным свиде­тельством ее правильности.

В Периодическом законе нашли свое отражение важнейшие законы диалектики.

Заслуги Д. И. Менделеева были отмечены американским ученым Г. Сиборгом, который назвал открытый им элемент №101 менделеевием.

Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января (8 февраля) 1834 г. в г. То­больске в Сибири. Его отец был директором городской гимназии. После окончания гимназии будущий ученый поступил в Петербургский педагогический институт, который окончил в 1857 г. с золотой медалью. Свои первые научные работы он опубликовал еще в студенческие годы.

После защиты магистерской диссертации в 1859 г. Д. И. Менделеев был ко­мандирован в заграничную научную поездку в Германию. Вернувшись на родину, он с головой уходит в науку и педагогическую деятельность. После двух лет про­фессорской деятельности в Петербургском технологическом институте переходит в университет, где успешно работает в течение 23 лет.

В 1876 г. Д. И. Менделеев был избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

Д. И. Менделеев был человеком широких, прогрессивных взглядов, крупным общественным деятелем, много сил отдавал развитию народного образования. Во время студенческих волнений 1890-х годов ученый выступил на стороне студентов и был вынужден уйти из университета.

Последние годы жизни Д. И. Менделеев возглавлял Палату мер и весов.

Круг его научных интересов не ограничивался химией. Он является автором фундаментальных исследований по физике, метрологии, химической технологии, экономике, воздухоплаванию, сельскому хозяйству и др. Его работы не утратили своего значения и в наши дни.

Любознательный ум ученого не ведал страха. Исследуя земную атмосферу, он в одиночку совершил полет на воздушном шаре. «Заболев» освоением Арктики, он разработал проект ледокола. Также Д. И. Менделеев разработал состав бездымного пороха.

Д. И. Менделеев тщательно изучал нефтяные месторождения, самое серьезное внимание уделял вопросам технологии нефти, считая нефть важнейшим сырьем для получения многих ценных химических продуктов.

Вершиной его творческой деятельности, бесспорно, является открытый им Пе­риодический закон и созданная на его основе Периодическая система химических элементов. Д. И. Менделеевым написан первый российский учебник по неоргани­ческой химии «Основы химии», в котором свойства неорганических соединений впервые описаны на основе Периодического закона.

За выдающиеся заслуги в науке Д. И. Менделеев был избран почетным чле­ном академий и научных обществ многих стран мира; удостоен золотой медали им. М. Фарадея.

В возрасте 73 лет он скончался. Проститься с одним из величайших ученых мира пришло множество людей. Впереди процессии несли Периодическую табли­цу.