Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева позволяют прогнозировать свойства элементов и образованных ими веществ. Каким образом?
Свойства элементов зависят от строения их атомов — прежде всего, от количества электронов на внешнем уровне. Элементы, стоящие в одном столбце (группе), имеют похожую электронную конфигурацию, значит — похожие химические свойства. По положению элемента в таблице можно предсказать его валентность, тип соединений, кислотно-основные свойства и активность. Это позволяет заранее понимать, какие вещества он может образовывать и какими будут их свойства.
1. По приведённому в параграфе плану дайте характеристику химических элементов: а) калия; б) магния; в) серы; г) хлора.
а) Калий (K) Период: 4 Группа: 1 (щелочной металл) Металлический элемент. На внешнем уровне 1 электрон. Химически активен, легко отдаёт электрон. Образует соединения с валентностью 1. Взаимодействует с водой, кислотами, галогенами. Образует щёлочь KOH.
б) Магний (Mg) Период: 3 Группа: 2 (щелочноземельный металл) На внешнем уровне 2 электрона. Относительно активен. Валентность в соединениях — 2. Образует оксид MgO и основание Mg(OH)₂. Реагирует с кислотами, при нагревании — с водой.
в) Сера (S) Период: 3 Группа: 16 (VI группа) Неметалл. На внешнем уровне 6 электронов. Может принимать 2, 4 или 6 электронов в соединениях — валентность переменная: 2, 4, 6. Образует кислоты и оксиды: H₂S, SO₂, SO₃.
г) Хлор (Cl) Период: 3 Группа: 17 (группа галогенов) Неметалл. 7 электронов на внешнем уровне. Очень активный окислитель. Валентность в соединениях — обычно 1, но может быть 3, 5, 7. Образует летучие соединения: HCl, Cl₂O, HClO₄.
2. Летучие водородные соединения состава ЭН3 образуют:
а) Ga, Аl, В; б) Fе, S, Sc; в) Ве, Са, Sr; г) Р, Аs, Sb.
Ответ поясните.
Правильный ответ: г) P, As, Sb
Пояснение: Элементы из группы 15 (азотная группа) образуют соединения с водородом типа ЭH₃ (например, NH₃, PH₃, AsH₃). Это соединения с ковалентной связью, они летучие.
а) Ga, Al, B — это элементы 13 группы, они не образуют такие соединения. б) Fe, S, Sc — не подходят, это металл и элемент 16 группы (S образует H₂S, а не H₃S). в) Be, Ca, Sr — щелочноземельные металлы, с водородом дают ионные гидриды, не ЭH₃. г) P, As, Sb — правильно, все они образуют летучие соединения PH₃, AsH₃, SbH₃.
3. Расположите элементы в порядке усиления неметаллических свойств:
а) бор, азот, углерод;
б) кислород, селен, теллур;
в) фосфор, мышьяк, хлор, сера, фтор, германий.
а) азот – углерод – бор Правильный порядок: бор < углерод < азот (неметаллические свойства усиливаются слева направо и снизу вверх)
б) теллур – селен – кислород Правильный порядок: теллур < селен < кислород
в) германий – мышьяк – фосфор – сера – хлор – фтор Правильный порядок: германий < мышьяк < фосфор < сера < хлор < фтор
4. Как изменяются радиус атома, окислительные свойства атомов, максимальная валентность, металлические свойства простых веществ в ряду элементов:
а) Al – Si – P – S; б) Ba – Sr – Ca – Mg; в) Te – Se – Br – Cl; г) Ge – Ga – Al – B.
а) Al – Si – P – S Слева направо: радиус атома уменьшается, окислительные свойства увеличиваются, максимальная валентность уменьшается (Al – 3, Si – 4, P – 5, S – 6), металлические свойства ослабевают.
б) Ba – Sr – Ca – Mg Сверху вниз: радиус атома увеличивается, окислительные свойства уменьшаются, максимальная валентность остаётся 2, металлические свойства усиливаются.
в) Te – Se – Br – Cl Слева направо и снизу вверх: радиус атома уменьшается, окислительные свойства усиливаются, максимальная валентность снижается, металлические свойства ослабевают.
г) Ge – Ga – Al – B Слева направо и снизу вверх: радиус атома уменьшается, окислительные свойства растут, максимальная валентность может снижаться, металлические свойства уменьшаются.
5. Напишите формулы высшего оксида и соответствующего ему гидроксида с наиболее выраженными кислотными свойствами для элементов-неметаллов: фосфора, кремния, хлора, серы.
Фосфор: P₂O₅ → H₃PO₄ Кремний: SiO₂ → H₂SiO₃ Хлор: Cl₂O₇ → HClO₄ Сера: SO₃ → H₂SO₄
6. Напишите формулы высших оксидов и соответствующих им гидроксидов для элементов-металлов: алюминия, магния, меди, лития.
Алюминий: Al₂O₃ → Al(OH)₃ Магний: MgO → Mg(OH)₂ Медь: CuO → Cu(OH)₂ Литий: Li₂O → LiOH
7. Запишите формулы двух высших оксидов, если их состав ЭО3 и Э2O3, а также три уравнения реакций, характеризующие химические свойства этих оксидов.
Пример 1 — неметалл: Оксид: SO₃ Реакции: SO₃ + H₂O → H₂SO₄ SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O SO₃ + CaO → CaSO₄
Пример 2 — металл: Оксид: Al₂O₃ Реакции: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O Al₂O₃ + 3C → 2Al + 3CO (при восстановлении в печи)
8. Напишите уравнения химических реакций кальция:
а) с кислородом;
б) с серой;
в) с водой.
а) Ca + O₂ → 2CaO б) Ca + S → CaS в) Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
9. Используя приведённый в параграфе план, найдите сходство и различия пар химических элементов:
а) лития и натрия;
б) углерода и азота.
а) Литий и натрий Сходство: щелочные металлы, 1 электрон на внешнем уровне, активные, реагируют с водой с выделением водорода. Различие: литий находится во 2 периоде, натрий — в 3. У лития атом меньше, у натрия — более выраженные металлические свойства.
б) Углерод и азот Сходство: неметаллы, находятся в p-блоке, участвуют в образовании ковалентных связей. Различие: углерод — 4 валентных электрона, азот — 5; у углерода валентность 4, у азота — до 5. Азот активнее как окислитель.
10. Определите положение химических элементов в Периодической системе по еледующим 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.
а) 5 протонов — это бор (B) Порядковый номер: 5, Группа 13, Период 2
б) Массовое число 35, нейтронов 18 → протонов 17 — это хлор (Cl) Порядковый номер: 17, Группа 17, Период 3
в) 13 электронов — это алюминий (Al) Порядковый номер: 13, Группа 13, Период 3
г) 3 энергетических уровня, 4 электрона на внешнем — это кремний (Si) 2 уровня = 8 электронов, ещё 4 на внешнем → всего 14 электронов Порядковый номер: 14, Группа 14, Период 3
11. Прочитайте фрагмент характеристики химического элемента по положению в Периодической системе и определите этот элемент:
а) его металлические свойства выражены сильнее, чем у алюминия, но слабее, чем у индия;
б) его неметаллические свойства выражены сильнее, чем у бора, но слабее, чем у азота;
в) формула летучего водородного соединения — НЭ, а электронная оболочка атома содержит четыре электронных уровня;
г) на внешнем электронном уровне содержится четыре электрона, элемент расположен в третьем периоде;
д) неметалл, максимальная валентность равна пяти, число электронных уровней в электронной оболочке атома равно четырём.
а) Между алюминием и индием по металлическим свойствам — это галлий (Ga). Он находится между Al и In в 13 группе.
б) Между бором и азотом по неметаллическим свойствам — это углерод (C). Он менее неметаллический, чем азот, но более, чем бор.
в) Формула водородного соединения HЭ, 4 уровня — это водородное соединение с йодом (HI). У йода 4 энергетических уровня.
г) 3 период, 4 электрона на внешнем уровне — это кремний (Si).
д) Неметалл, валентность 5, 4 уровня — это мышьяк (As). Он находится в 5 группе, период 4.
12. 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.
Магний и кальций образуют соединения MgCl₂ и CaCl₂. Отношение масс атомов: Mg легче Ca, но оба образуют хлориды с двумя атомами Cl. Поскольку взяты одинаковые массы, то магния по количеству атомов будет больше, чем кальция. Поэтому магний потребует больший объём хлора, чтобы полностью прореагировать.
13. При сжигании 0,45 г простого вещества, образованного атомами элемента IIА-группы, образовалось 1,25 г оксида. Определите, какое вещество было взято для реакции.
Обозначим массу оксигена: 1,25 г – 0,45 г = 0,80 г кислорода
Масса кислорода — 0,80 г Масса вещества — 0,45 г
Определим массовую долю кислорода в оксиде: 0,80 / 1,25 ≈ 0,64
Смотрим оксиды типа MeO: Пример с кальцием: Ca = 40, O = 16 → CaO = 56 16 / 56 ≈ 0,29 — не подходит
Пример с бериллием: Be = 9, BeO = 25 16 / 25 = 0,64 — подходит
Значит, вещество — бериллий (Be)
14. Представьте себе, что оганесон стал стабильным химическим элементом. Спрогнозируйте свойства этого элемента и соответствующего простого вещества на основании положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.
Оганесон (Og) — элемент 118, находится в 18 группе, период 7. Это благородный газ, но:
Из-за большого числа электронов его оболочка сильно поляризуема
Может иметь слабые химические свойства, в отличие от более лёгких инертных газов
Предположительно — летучее, инертное, тяжёлое вещество
Возможна реакционная способность при особых условиях (например, комплексные соединения)
15. Подготовьте сообщение об открытии одного из химических элементов. Для подготовки сообщения можно воспользоваться сайтом химического факультета МГУ.
Германий был предсказан Д. И. Менделеевым как "эка-кремний" до его открытия. Элемент был открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером при изучении минерала аргиродита. Он подтвердил свойства, которые Менделеев предположил заранее: атомная масса, плотность, тип оксида и даже химическая активность. Это стало одним из доказательств правильности периодической системы.