Страница - 16

§31. ЕСТЕСТВЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СВОЙСТВА. ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ

В любой отрасли науки по мере накопления фактов возникает необ­ходимость в их систематизации и установлении внутренней причинно­следственной связи между ними.

Из курса биологии вы хорошо знакомы с систематизацией в раститель­ном и животном мире. В химии накопление знаний об элементах и их соеди­нениях привело к необходимости их группировки по сходным признакам.

Классификация элементов началась с деления их на металлы и неме­таллы, что было предложено шведским химиком Й. Я. Берцелиусом.

Кроме металлов и неметаллов существуют химические элементы, кото­рые проявляют двойственную природу, т. е. обладают свойствами и метал­лов, и неметаллов в зависимости от условий протекания химических реак­ций (Be, Zn, Al и др.). Их оксиды и гидроксиды называют амфотерными веществами (от греческого amphoteros - оба, тот и другой).

В природе существуют группы элементов со сходными химическими свойствами, их называют естественными семействами элементов. К типичным металлам относятся щелочные металлы. Кроме этих металлов мы будем рассматривать группу галогенов (VIIА) и инертных газов.

Щелочные металлы расположены в IА группе. Это литий (Li), натрий (Nа), калий (К), рубидий (Rb), цезий (Сs), франций (Fr). Франций - радиоактивный элемент. Они называются щелочными металлами, потому что при взаимодействии с водой образуют сильные растворимые основания - щелочи (рис. 39). Общая электронная формула валентных электронов ns¹ (п = 2 - 7).

Щелочные металлы обладают некоторыми общими свойствами: молеку­лы щелочных металлов состоят из одного атома, очень активные. Поэтому их нужно хранить под слоем керосина. Энергично реагируют с водой, в со­единениях проявляют валентность, равную I.

Металлическая активность щелочных металлов усиливается сверху вниз по группе, что связано с возрастанием атомных радиусов в этом направле­нии.

У щелочных металлов валентные электроны расположены на s-орбитали, поэтому их называют s-элементами. s-элементы в обычных условиях - это кристаллические вещества, которые по сравнению с остальными металлами обладают малыми значениями плотности (табл. 13). Литий, калий и натрий легче воды (p = 0,53 — 0,86 г/см³), поэтому они плавают на ее поверхности. У этих элементов температуры плавления и кипения также имеют низкие значения. Щелочные металлы и их соединения окрашивают пламя: натрий - в желтый, калий - в красно-фиолетовый, литий - в карминово-красный, рубидий - в розово-фиолетовый цвета (рис. 40).

Таблица 13. Некоторые характеристики щелочных металлов

Название и символ	Атомная масса	Формула валентных электронов	Радиус атомов, нм	Электроот­рицательность
Литий (Li)	7	2s1	0,152	1,0
Натрий (Na)	23	3s1	0,190	0,9
Калий (К)	39	4s1	0,227	0,8
Рубидий (Rb)	85	5s1	0,248	0,8
Цезий (Cs)	132	6s1	0,265	0,7

Щелочные металлы имеют на внешнем энергетическом уровне по одному электрону, который слабо связан с ядром из-за больших значений

атомных радиусов. Они легко отдают эти электроны (Ме°-1ē → Ме⁺¹), при этом принимают электронное строение впереди стоящего инертного газа. В соединениях проявляют постоянную валентность, равную I.

Литий по своим свойствам несколько отличается от остальных металлов. С водой литий взаимодействует медленно, натрий - более энергично, калий - наиболее энергично реагирует с водой, вспыхивает фиолетовым пламенем, а рубидий - со взрывом.

Оксиды этих элементов являются основными, им соответствуют основания, хорошо растворимые в воде, - щелочи, основные свойства кото­рых усиливаются сверху вниз по группе.

Литий был открыт в 1817 г. шведским ученым Арфедсоном, натрий и калий - в 1807 г. английским ученым Г. Дэви, рубидий и цезий - в 1861 г. Р. Бунзеном.

Литий используют для изготовления различных свинцовых и алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении. Добавка лития к сплавам увеличивает их твердость.

Рубидий и цезий используют для изготовления фотоэлементов.

Таблица 14. Щелочные металлы и их свойства

А

1. Как образуются ионы щелочных металлов и галогенов?
2. Дайте характеристику щелочных металлов по группе.
3. Какие естественные семейства элементов вам известны? Укажите их место в Периодической системе Д. И. Менделеева. Что их объединяет?

В

1. Как изменяются радиусы щелочных металлов в направлении Li—Cs? Объясните причину.
2. Как определяют соединения щелочных металлов?
3. Относительная молекулярная масса основания M_r(ЭOH) = 24. Определите элемент и охарактеризуйте его по месту в периодической системе.

С

1. Достаточно ли 0,15 моль серной кислоты для нейтрализации 8,4 г гидрок­сида калия?
2. Одинаковы ли объемы водорода, выделившиеся при взаимодействии 14 г лития и 46 г натрия с водой. Ответ обоснуйте расчетами.
3. Сколько граммов серной кислоты необходимо для нейтрализации 20 г ги­дроксида натрия?

Ответ: 24,5 г.

§32. ГАЛОГЕНЫ И ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ

Какие галогены и инертные газы вы знаете? Где они применяются? Что вы знаете об инертных газах? Расскажите об их применении.

В природе существуют группы элементов с противоположными щелоч­ным металлам свойствами, к примеру, галогены (табл. 15).

Таблица 15. Галогены и их свойства

Галогены - типичные неметаллы, при взаимодействии с металлами обра­зуют соли (галоген означает солерод). Молекулы галогенов двухатомные. Все галогены образуют летучие водородные соединения, растворы которых явля­ются кислотами. В отличие от щелочных металлов, активность элементов по мере возрастания относительных атомных масс у галогенов ослабевает.

Галогены расположены в VIIА группе. Это фтор F, хлор Сl (рис. 41), бром Вr, йод I, астат Аt. Астат - радиоактивный элемент.

Электронная конфигурация внешнего слоя этих элементов пs² пр⁵ (п = 2 - 6). (табл. 16).

Таблица 16. Некоторые свойства галогенов

Название и символ	Атомная масса	Формула валентных электронов	Радиус атомов, нм	Электро­отрица­тельность	Темпе­ратура ки­пения, °С	Агрегатное состояние, цвет
1	2	3	4	5	6	7
Фтор (F)	19	2s22р5	0,064	4,0	-108	Зеленоватый газ

продолжение:

1	2	3	4	5	6	7
Хлор (Сl)	35,5	3s23р5	0,099	2,8	–35	Желто­зеленый газ
Бром (Вг)	80	4s24р5	0,114	2,7	58,8	Красно-бурая жидкость
Иод (I)	127	5s25р5	0,133	2,2	183	Черно­красные кристаллы

Последний электрон у атомов галогенов поступает на р-орбиталь, поэтому они называются р-элементами. По группе сверху вниз радиусы атомов увеличиваются, в том же направлении растут значения температур кипения и плотности. Агрегатные состояния переходят из газообразного (F₂, Сl₂) через жидкое (Вr₂) в твердое (I₂), а окраска сгущается (от желто-зеленой у хлора до черно-серого с фиолетовым блеском у йода).

Галогены - типичные неметаллы, на внешнем энергетическом уровне у них не хватает одного электрона для завершения слоя, поэтому они легко принимают один электрон, проявляя неметаллические свойства. При этом принимают электронное строение инертного газа, стоящего после них в пе­риодической системе. Кроме фтора, все остальные галогены образуют кис­лотные оксиды.

В соединениях фтор проявляет валентность, равную I. Остальные галогены проявляют валентности I, III, V, VII.

Неметаллические свойства элементов в группе сверху вниз ослабевают, так как из-за увеличения атомных радиусов сила притяжения электронов к ядру уменьшается.

Еще одна природная группа элементов - инертные газы (табл. 17).

Каждый период в Периодической системе завершается инертным газом. Инертные газы характеризуются низкой химической активностью. Из-за чего такая пассивность? Для разрешения этого вопроса рассмотрим электронное строение этих элементов. У известных вам инертных газов внешний слой завершен (у гелия - два, у аргона и неона - по восемь электронов).

Таблица 17. Сравнительная характеристика инертных газов

Это одноатомные газы без цвета и запаха. Среди них самым химически инертным является гелий, более активны криптон и ксенон. В направлении возрастания относительной атомной массы, от Не до Хе, наблюдается возрастание температуры кипения и плавления. Усиливается также растворимость газов в воде и других растворителях.

Гелий обнаружен в атмосфере Солнца и других звезд. В земной атмосфере и коре гелий может накапливаться в результате распада радиоактивных элементов. Он состоит из двух изотопов: , неон и аргон - из трех: . Криптон на Земле встречается в виде шести изотопов, ксенон - девяти, а радон не имеет устойчивых изотопов.

Аргон более распространен на Земле, его содержание в земной атмосфере составляет 0,9%.

Инертные газы (Не, Не, Аг) применяются в основном при сварке метал­лов, в лампах, в фонарях, а также как хладагенты при физических исследо­ваниях (рис. 42).

Изучение свойств естественных семейств химических элементов и их со­единений помогает нам систематизировать наши знания.

Знаешь ли ты?

Йод был открыт при «помощи» кошки. Французский ученый Б. Кур- туа приготовил в двух склянках два различных раствора: в первой - концентрированную Н_2SО₄, во второй - спиртовый раствор морских водорослей. В это время на плече ученого сидела кошка, она прыгнула и опрокинула обе склянки. Эти вещества прореагировали с образованием сине-фиолетового газа. При охлаждении он превратился в фиолетовые крис­таллы. Так в 1811 г. был открыт йод.

2NaI + 2Н_2SО₄ = I₂ + SО₂ + Nа_2SО₄ + 2Н₂О

А

1. Назовите галогены и инертные газы. Дайте их характеристику по Периоди­ческой системе Д. И. Менделеева.
2. Какие природные изотопы хлора вам известны?

В

1. К каким оксидам относятся оксиды галогенов: а) основным; б) кислотным?
2. Какой объем хлороводорода образуется при взаимодействии 30 л хлора с водородом?

С

1. В природе встречаются два изотопа неона ²⁰Ne и ²²Ne в составе атмосфе­ры. Содержание ²⁰Ne — 90,9%. Определите относительную атомную массу неона?
2. Сколько граммов брома образуется при пропускании хлора через раствор, содержащий 47,6 г бромида калия? К какому типу относится данная реак­ция?
3. Что общего у этих частиц: S^2-, Сl^-, Аr?

А. Электронная конфигурация

В. Валентность

С. Заряд ядра

D. Относительная атомная масса

E. Число энергетических уровней.