§33. Характеристика элемента по его положению в периодической системе

Вопрос в начале параграфа

✓ Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева позволяют прогнозировать свойства элементов и образованных ими веществ. Каким образом?

Ответ:

Периодический закон и периодическая система Д. И. Менделеева обобщают сведения о химических элементах и объясняют периодичность в изменении их свойств. Эти два важнейших значения Периодического закона и Периодической системы дополняет ещё одно, которое заключается в возможности прогнозировать, т. е. предсказывать, описывать свойства и указывать пути открытия новых химических элементов.

Проверьте свои знания

1. По приведённому в параграфе плану дайте характеристику химических элементов: а) калия; б) магния; в) серы; г) хлора.

Ответ:

а) Калий
1) Атомный номер калия 19 (Z = 19). Калий расположен в IA−группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 4−ом периоде.
2) Заряд атомного ядра +19, оно содержит 19 протонов и 20 нейтронов. На электронной оболочке 19 электронов. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 8e; 8e; 1e.
3) На внешнем энергетическом уровне атома калия один валентный электрон. Калий − это элемент−металл. Простое вещество калий, образованное атомами данного химического элемента, также является металлом, следовательно, для него характерны все типичные свойства металлов: тепло− и электропроводность, пластичность, металлический блеск.
4) Металлические свойства у калия выражены слабее, чем у рубидия, но сильнее, чем у натрия, что объясняется ростом радиуса атома в ряду Na → K → Rb.
5) Металлические свойства у калия выражены сильнее, чем у кальция.
6) Максимальная валентность калия равна I, так как его атом содержит один валентный электрон. Формула высшего (и единственного) оксида калия − $K_{2}$O. Он является основным оксидом, следовательно, взаимодействует с кислотами, кислотными оксидами и водой
7) Формула гидроксида калия − KOH. Он является растворимым основанием − щёлочью, следовательно, взаимодействует с кислотами, кислотными оксидами и солями.
8) Калий не имеет летучего водородного соединения, но образует твёрдое ионное соединение − гидрид калия KH.

б) Магний
1) Атомный номер магния 12 (Z = 12). Магний расположен в IIA−группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3−ем периоде.
2) Заряд атомного ядра +12, оно содержит 12 протонов и 12 нейтронов. На электронной оболочке 12 электронов. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 8e; 2e.
3) Магний является металлом.
4) Металлические свойства у магния выражены слабее, чем у кальция, но сильнее, чем у бериллия, что объясняется ростом радиуса атома в ряду Be → Mg → Ca.
5) Металлические свойства у магния выражены сильнее, чем у алюминия, но слабее, чем у натрия.
6) Максимальная валентность магния равна II, так как его атом содержит два валентных электрона. Формула высшего (и единственного) оксида магния − MgO. Он является основным оксидом, следовательно, взаимодействует с кислотами, кислотными оксидами и водой.
7) Формула гидроксида магния − $Mg(OH)_ {2}$. Он является растворимым основанием − щёлочью, следовательно, взаимодействует с кислотами, кислотными оксидами и солями.
8) Магний не имеет летучего водородного соединения, но образует твёрдое ионное соединение − гидрид магния $MgH_{2}$.

в) Сера
1) Атомный номер серы 16 (Z = 16). Сера расположена в VIA−группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3−ем периоде.
2) Заряд атомного ядра +16, оно содержит 16 протонов и 16 нейтронов. На электронной оболочке 16 электронов. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 8e; 6e.
3) Сера образует несколько простых веществ − неметаллов, следовательно, для нее характерно явление аллотропии.
4) Неметаллические свойства у серы выражены слабее, чем у кислорода, но сильнее, чем у селена, что объясняется ростом радиуса атома в ряду O → S →Se.
5) Неметаллические свойства у серы выражены сильнее, чем у фосфора, но слабее, чем у хлора.
6) Максимальная валентность серы равна VI, так как его атом содержит шесть валентных электрона. Формула высшего оксида серы − $SO_{3}$. Этот кислотный оксид взаимодействует с водой, щелочами и основными оксидами.
7) Гидроксид серы $H_{2}$ $SO_{4}$ − взаимодействует со щелочами, основными оксидами и солями.
8) Формула летучего соединения − $H_{2}$S.

г) Хлор
1) Атомный номер хлора 17 (Z = 17). Хлор расположен в VIIA−группе периодической системы Д. И. Менделеева, в третьем периоде.
2) Заряд атомного ядра +17, оно содержит 17 протонов и 18 нейтронов. На электронной оболочке 17 электронов. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 8e; 7e.
3) Хлор является неметаллом, явление аллотропии для него не характерно.
4) Неметаллические свойства у хлора выражены слабее, чем у фтора, но сильнее, чем у брома, что объясняется ростом радиуса атома в ряду F → Cl → Br.
5) Неметаллические свойства у хлора выражены сильнее, чем у серы и аргона.
6) Максимальная валентность хлора равна VII, так как его атом содержит семь валентных электрона. Формула высшего оксида хлора − $Cl_{2}$ $O_{7}$. Этот кислотный оксид взаимодействует с водой, щелочами и основными оксидами.
7) Гидроксид хлора $HClO_{4}$ − взаимодействует со щелочами, основными оксидами и солями.
8) Формула летучего соединения − HCl .

2. Летучие водородные соединения состава $ЭH_{3}$ образуют:
а) Ga, Al, B;
б) Fe, S, Sc;
в) Be, Ca, Sr;
г) P, As, Sb.
Ответ поясните.

Ответ:

Летучие водородные соединения состава $ЭH_{3}$ образуют элементы, которые соответствуют двум требованиям:
1) являются неметаллами.
2) проявляют валентность − III.
Этим требованиям удовлетворяют элементы VA−группы, т.е. фосфор, мышьяк и олово.
Ответ: г) P, As, Sb.

3. Расположите элементы в порядке усиления неметаллических свойств:
а) бор, азот, углерод;
б) кислород, селен, теллур;
в) фосфор, мышьяк, хлор, сера, фтор, германий.

Ответ:

Неметаллические свойства усиливаются снизу вверх по подгруппе и слева направо по периоду.
Элементы в порядке усиления неметаллических свойств:
а) бор → углерод → азот
б) теллур → селен → кислород
в) германий → мышьяк → фосфор → сера → хлор → фтор

4. Напишите высший оксид и соответствующий ему гидроксид с наиболее выраженными кислотными свойствами для элементов−неметаллов: фосфора, кремния, хлора, серы.

Ответ:

1) Высший оксид фосфора: $P_{2}$ $O_{5}$.
Высший гидроксид фосфора: $H_{3}$ $PO_{4}$.
2) Высший оксид кремния: $SiO_{2}$.
Высший гидроксид кремния: $H_{2}$ $SiO_{3}$.
3) Высший оксид хлора: $Cl_{2}$ $O_{7}$.
Высший гидроксид хлора: $HClO_{4}$.
4) Высший оксид серы: $SO_{3}$.
Высший гидроксид серы: $H_{2}$ $SO_{4}$.

5. Напишите высший оксид и соответствующий ему гидроксид с наиболее выраженными оснóвными свойствами для элементов−металлов: алюминия, железа, меди, свинца.

Ответ:

Запишем высшие оксиды и соответствующие им гидроксиды с наиболее выраженными оснóвными свойствами:
1) Высший оксид алюминия: $Al_{2}$ $O_{3}$.
Высший гидроксид алюминия: $Al(OH)_ {3}$.
2) Высший оксид железа: FeO.
Высший гидроксид железа: $Fe(OH)_ {2}$.
3) Высший оксид меди: CuO.
Высший гидроксид меди: $Cu(OH)_ {2}$.
4) Высший оксид свинца: PbO.
Высший гидроксид свинца: $Pb(OH)_{2}$.

6. Запишите два высших оксида, соответствующих общим формулам $ЭO_{3}$ и $Э_{2}$ $O_{3}$, а также три реакции, характеризующие их химические свойства

Ответ:

$SO_{3}$ − высший оксид, соответствующий общей формуле $ЭO_{3}$.
$Al_{2}$ $O_{3}$ − высший оксид, соответствующий общей формуле $Э_{2}$ $O_{3}$.
Запишем уравнения:
$SO_{3}$ + $H_{2}$O = $H_{2}$ $SO_{4}$
$SO_{3}$ + 2NaOH = $Na_{2}$ $SO_{4}$ + $H_{2}$O
$SO_{3}$ + $Na_{2}$O = $Na_{2}$ $SO_{4}$
$Al_{2}$ $O_{3}$ + 6HCl = 2$AlCl_{3}$ + 3$H_{2}$O
$Al_{2}$ $O_{3}$ + 3$SO_{3}$ = $Al_{2}$ $(SO_{4}$ $)_{3}$
$Al_{2}$ $O_{3}$ + 3$H_{2}$O = 2$Al(OH)_{3}$

Примените свои знания

7. Напишите уравнения химических реакций кальция: а) с кислородом; б) с серой; в) с водой.

Ответ:

а) 2Ca + $O_{2}$ = 2CaO
б) Ca + S = CaS
в) Ca + 2$H_{2}$O = $Ca(OH)_{2}$ + $H_{2}$

8. Используя приведённый в параграфе план, найдите сходство и различия пар химических элементов: а) лития и натрия; б) углерода и азота.

Ответ:

а) Литий и натрий
1) Расположены в IA−группе периодической системы Д. И. Менделеева.
2) Заряд ядра натрия +11, а лития +3. Атом натрия содержит 11 протонов. Число нейтронов в ядре равно 12 (напомним, число нейтронов в ядре рассчитывается по формуле: N = A – Z, где N − число нейтронов, A − массовое число, Z − порядковый номер). Число электронов на электронной оболочке также равно 11, так как атом электронейтрален. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 8e; 1e. Атом лития содержит 3 протонов. Число нейтронов в ядре равно 4. Число электронов на электронной оболочке также равно 3, так как атом электронейтрален. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 1e.
3) На внешнем энергетическом уровне атомов один валентный электрон. Это элементы−металлы. Простое вещество, образованное атомами данного химического элемента, также является металлом, следовательно, для них характерны все типичные свойства металлов: тепло− и электропроводность, пластичность, металлический блеск.
4) Металлические свойства у натрия выражены сильнее, чем у лития, что объясняется ростом радиуса атома в ряду Li − Na
5) Металлические свойства у лития выражены сильнее, чем у бериллия, что связано с уменьшением числа валентных электронов в ряду Be − Li
6) Максимальная валентность равна − I, так как их атомы содержат один валентный электрон. Формула высшего оксида − $Me_{2}$O, являются основными, поэтому реагируют с кислотами, водой и кислотными оксидами.
7) Формула гидроксидов − MeOH (Me − металл). Они является растворимыми основаниями − щёлочами, следовательно, взаимодействуют с кислотами, кислотными оксидами и солями.
8) Не имеют летучего водородного соединения, но образует твёрдое ионное соединение − гидриды MeH (Me − металл).

б) Углерод и азот
1) Атомный номер углерода 6 (Z = 6). Углерод расположен в IVA−группе периодической системы Д. И. Менделеева, во втором периоде.
Атомный номер азота 7 (Z = 7). Азот расположен в VA−группе периодической системы Д. И. Менделеева, во втором периоде.
2) Заряд атомного ядра углерода +6, оно содержит 6 протонов и 6 нейтронов. На электронной оболочке 6 электронов. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 4e. Заряд атомного ядра азота +7, оно содержит 7 протонов и 7 нейтронов. На электронной оболочке 7 электронов. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2e; 5e.
3) Углерод и азот являются элементами − неметаллами.
4) Неметаллические свойства у углерода выражены слабее, чем у азота, но сильнее, чем у бора, что связано с увеличением числа валентных электронов в ряду B − C − N .
5) Неметаллические свойства углерода выражены сильнее, чем у кремния, а у азота сильнее чем у фосфора, объясняется ростом радиуса в группе сверху вниз.
6) Максимальная валентность равна − IV, так как их атомы содержат 4 валентных электрона. Оксиды этих элементов являются кислотными, то есть реагируют со щелочами, водой и основными оксидами.
7) Гидроксиды являются кислотами ($HNO_{3}$, $H_{2}$ $CO_{3}$) , то есть реагируют с основными оксидами, щелочами и солями.
8) Формулы летучих водородных соединений − $NH_{3}$ и $CH_{4}$.

9. Определите положение химических элементов в периодической системе по следующим данным: а) ядро атома содержит 5 протонов; б) массовое число атома равно 35, причём в ядре атома 18 нейтронов; в) в электронной оболочке атома содержится 13 электронов; г) электронная оболочка атома состоит из трёх энергетических уровней, на внешнем уровне находится 4 электрона.

Ответ:

а) а) ядро атома содержит 5 протонов, следовательно, порядковый номер элемента равен 5, значит это бор − B.
Ответ: бор − B.

б) Найдем количество протонов: 35 − 18 = 17, следовательно, порядковый номер равен 17, значит это хлор − Cl.
Ответ: хлор − Cl.

в) В электронной оболочке атома содержится 13 электронов, следовательно, порядковый номер элемента равен 13, значит, это алюминий − Al.
Ответ: алюминий − Al.

г) Электронная оболочка атома состоит из трех энергетических уровней, значит, элемент располагается в 3−ем периоде. Так как на внешнем уровне находится 4 электрона, значит элемент в IVA−группе, следовательно, это кремний − Si.
Ответ: кремний − Si.

10. Для реакции с хлором взяты одинаковые массы магния и кальция. Не производя химических расчётов, определите, для какой из этих двух реакций потребуется больший объём газообразного хлора.

Ответ:

Так как для нахождения количества вещества используется формула: n = m : M, то количество зависит не только от массы, но и от относительной атомной массы. Относительная атомная масса магния меньше, чем кальция, поэтому в одной и той же массе содержится больше атомов магния, чем кальция. Таким образом, хлора потребуется больше для кальция.

11. При сжигании 0,45 г простого вещества, образованного атомами элемента IIA−группы, образовалось 1,25 г оксида. Определите, какое вещество было взято для реакции.

Ответ:

Дано:
m (в−ва) = 0,45 г
m (оксида) = 1,25 г
Найти:
вещество − ?
Решение:
Напишем уравнение реакции, где Э − простое вещество, ЭO − оксид:
2Э + $O_{2}$ = 2ЭO
n (Э) = n (ЭO)
n (Э) = m : M = 0,45 г : x г/моль, где x − молярная масса
n (ЭO) = m : M = 1,25г : (x + 16) г/моль, где (x+16) − молярная масса оксида.
Тогда 0,45 : x = 1,25 : (x + 16)
x = 9, следовательно, M (в−ва) = 9 г/моль
Атомную массу, равную 9, имеет бериллий − Be.
Ответ: Be (бериллий).

Используйте дополнительную информацию

12. Подготовьте сообщение об открытии одного из химических элементов. Для подготовки сообщения можно воспользоваться сайтом химического факультета МГУ: http://www.chem.msu.su/rus/history/element/welcome.html

Ответ:

Литий
Когда Дави производил свои знаменитые опыты по электролизу щелочных земель, о существовании лития никто и не подозревал. Литиевая щелочная земля была открыта лишь в 1817 г. талантливым химиком−аналитиком, одним из учеников Берцелиуса Арфведсоном.
В 1800 г. бразильский минералог де Андрада е Сильва, совершая научное путешествие по Европе, нашел в Швеции два новых минерала, названных им петалитом и сподуменом, причем первый из них через несколько лет был вновь открыт на острове Уте. Арфведсон заинтересовался петалитом, произвел полный его анализ и обнаружил необъяснимую вначале потерю около 4% вещества. Повторяя анализы более тщательно, он установил, что в петалите содержится "огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы". Берцелиус предложил назвать ее литионом (Lithion), поскольку эта щелочь в отличие от кали и натра впервые была найдена в "царстве минералов" (камней); название зто произведено от греч.− камень. Позднее Арфведсон обнаружил литиевую землю, или литину, и в некоторых других минералах, однако его попытки выделить свободный металл не увенчались успехом. Очень небольшое количество металлического лития было получено Дэви и Бранде путем злектролиза щелочи.
В 1855 г. Бунзен и Маттессен разработали промышленный способ получения металлического лития злектролизом хлорида лития. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия: литион, литин (Двигубский, 1826) и литий (Гесс); литиевую землю (щелочь) называли иногда литина.