Справочники / Оганесян Э.Т., Попков В.А. Химия, ЕГЭ

8.Бертолетову соль массой 49 г нагревали до прекращения выделения

?кислорода. Твердый остаток массой 29,8 г представляет собой КСl. Определите формулу соединения.

Ответ: КСlO3.

9.Определите массы углерода и водорода, содержащиеся в 68,4 г мальто- зы С12Н22О11.

Ответ: 28,8 г С; 4,4 г Н.

10.В лаборатории кислород можно получить разложением перманганата калия по уравнению:

2 KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2.

Исходя из этого, рассчитайте массы разложившегося перманганата и образовавшегося оксида марганца (IV), если выделилось 5,6 л кислорода.

Ответ: 79 г KMnO4; 21,75 г MnO2

ПОВТОРИМ И ЗАПОМНИМ

! Атом, элемент, молекула — важнейшие понятия в химии. Многообразие химических соединений определяется взаимодействием атомов друг с другом, при этом образуются простые и сложные

вещества. Атомы одного и того же элемента способны образовывать несколько простых веществ, чем и обусловлена аллотропия. Каждое соединение характеризуется своим качественным и количественным составом, который постоянен для молекул одного и того же вещества. Состав простых и сложных веществ может быть изображен с помощью символов атомов соответствующих химических элементов с указанием их количества.

Атомы и молекулы характеризуются определенной массой, в связи с чем в химии используют два способа обозначения — абсолютная атомная (молекулярная) масса и относительная атомная (молекулярная) масса. Явления, происходящие с участием простых и сложных веществ, можно разделить на два типа: физические и химические.

ГЛАВА 2 ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА В СВЕТЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ АТОМА

Изучив главу, следует:

уметь охарактеризовать важнейшие составные части атома — ядро, электрон, протон и нейтрон; объяснить понятие «атомная орбиталь», описать формы s- и р-орбиталей, изобразить электронные конфигурации атомов; знать понятия «потенциал ионизации», «сродство к электрону», «электроотрицательность», «радиус атома», закономерности в изменениях свойств элементов внутри периодов и групп; уметь показать общие закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов внутри периода, внутри групп, объяснить периодический закон с позиций современных представлений о строении атома.

§ 1. Открытие периодического закона

Создание атомно-молекулярной теории, открытие новых химических элементов способствовали дальнейшему развитию учения об элементе. Вполне закономерными были попытки исследователей выявить взаимосвязь между химическими элементами как с качественной, так и с количественной стороны.

Первую попытку классификации элементов сделал А. Лавуазье, а затем Я. Берцелиус. Так возникло деление элементов на металлы и неметаллы.

Это деление осуществлялось лишь на основе качественных характеристик — свойств элементов. Поиск причин различия в свойствах привел ученых к необходимости связать качественные характеристики с количественными. В качестве главной количественной характеристики элемента рассматривалась его атомная масса. Поэтому исследования ученых были направлены на изучение связи свойств элементов и их атомных масс. Все это подготавливало открытие в будущем периодического закона. Большую роль также сыграл и международный химический съезд в г. Карлсруэ (1860). К этому времени уже было известно 63 химических элемента.

Как и его предшественники, Д.И. Менделеев в качестве основной характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомную массу. Но, в отличие от своих предшественников, Д.И. Менделеев искал закономерности в изменении атомных масс не только у химически сходных элементов внутри одной естественной группы, но и между несходными элементами. Сопоставив крайне противоположные в химическом отношении, но близкие по атомным массам такие члены группы, как щелочные металлы и галогены, и написав первые под вторыми, Д.И. Менделеев расположил под и над ними и другие группы сходных элементов в порядке изменения атомных масс. Оказалось, что члены этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем химические свойства элементов периодически повторяются. При этом обнаруживается, что распределение элементов по их атомной массе не только не противоречит их сходству, а, наоборот, прямо на него указывает.

1 марта 1869 г. считается датой открытия периодического закона Д.И. Менделеева.

При изучении свойств химических элементов Д.И. Менделеев уделял особое внимание атомной массе, кристаллической форме, плотности, атомному объему и форме соединений.

Система элементов позволила Д.И. Менделееву сделать основные выводы: 1) у элементов, расположенных по возрастанию атомных масс, проявляется периодичность свойств, т.е. атомная масса определяет свойства элемента; 2) элементы с малыми атомными массами типические, они наиболее распространены в природе и характеризуются ярко выраженными свойствами; 3) можно ожидать открытия еще многих неизвестных элементов; 4) следует иметь в виду дальнейшее уточнение атомных масс элементов. На основании этих выводов был сформулирован периодический закон.

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

Открытие, сделанное Д.И. Менделеевым, стало лишь началом разработки естественной системы химических элементов. Был установлен главный принцип, гласивший, что физические и химические свойства простых веществ и соединений составляют периодическую функцию атомной массы всех элементов. Это и означало, что был открыт новый закон природы.

Открытие Д.И. Менделеева стало подлинно научной теорией с того времени, когда были открыты скандий, галлий, германий и благородные газы. Среди последних — аргон, который в таблице занял место до калия, хотя его атомная масса равна 40.

Позже это кажущееся несоответствие получило объяснение в работе Мозли.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Атомная масса элементов избиралась учеными как ведущий признак классификации. Почему?

2.Д.И. Менделеев предложил классификацию элементов. В чем преимущество этой классификации по сравнению с работами его предшественников?

3.Д.И. Менделеев из построенной им системы сделал важнейшие выводы. Какие?

§2. Структура Периодической системы

элементов Д.И. Менделеева

Внастоящее время наиболее распространенными формами Периодической системы являются короткая и длинная.

Короткая форма таблицы была разработана Д.И. Менделеевым в 1870 г., и ее называют классической (первый вариант системы, предложенный Д.И. Менделеевым в 1869 г., имел длинную форму, т.е. в ней периоды располагались одной строкой). Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Так, существенным недостатком короткой формы является сочетание в одной группе несходных элементов. Недостаток длинной формы — растянутость, некомпактность.

Всредней школе, как правило, изучают короткую форму, о структуре которой и пойдет речь.

Каждый элемент, изображенный соответствующим символом, имеет порядковый номер и занимает определенную клетку в таблице. Говоря о месте элемента в системе, прежде всего имеется в виду общая взаимосвязь между ним и окружающими его в системе элементами, а через них — со всеми остальными элементами.

Каждая клетка — это занумерованное место элемента в системе, его координаты.

Горизонтальный ряд элементов, расположенных по возрастанию порядковых номеров, в котором имеет место закономерное изменение свойств элементов от типично металлических к типично неметаллическим и далее к благородным газам, называется периодом.

ВПериодической системе имеется семь периодов, из них первый, второй и третий называют малыми, а четвертый, пятый, шестой и седьмой — большими. Периоды содержат разное число элементов.

Впервом периоде находятся два элемента (водород и гелий), во втором и третьем — по восемь, в четвертом и пятом — по восемнадцать, в шестом — тридцать два, а в седьмом — двадцать семь элементов.

Каждый период (кроме первого) начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом. Элементы второго и третьего периодов называются типическими. Своеобразен первый период, включающий водород и гелий. Здесь отсутствует щелочной металл. Как же в этом периоде происходит закономерное изменение свойств элементов? Из таблицы видно, что в первом периоде водород обозначен дважды, т.е. его можно, с одной стороны, рассматривать как аналог щелочных металлов, а с другой — как легчайший аналог галогенов. Подробно о причинах такой «двойственности» водорода указано в гл. 7.

Вкороткопериодном варианте Периодической системы (ПС) распределение элементов первых трех периодов осуществляется одним горизонтальным рядом для каждого периода. В четвертом, пятом, шестом и седьмом периодах элементы располагаются двумя горизонтальными рядами для каждого периода. Седьмой период (без актиноидов) завершен; он, как и предыдущие 4-й, 5-й и 6-й, состоит из двух рядов — четного (10-й ряд по общей нумерации в ПС) и нечетного (11-й ряд). Четный ряд заполнен полностью и заканчивается элементом Z = 110. Следующий, 11-й, ряд содержит 8 элементов с Z = 111–118. В Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) РФ российскими физиками совместно с физиками США, Германии и Японии искусственным путем синтезированы элементы с порядковыми номерами 104–118.

Элементы с порядковыми номерами 58–71, именуемые лантаноидами, а с номерами 90–103 — актиноидами, выделены из шестого и седьмого периодов. Причина этого — горизонтальная аналогия, что обусловлено строением атомов этих элементов.

Внутри больших периодов соседние элементы ближе друг к другу по химическим и физическим свойствам, чем в верхних периодах. Так, в малых периодах по мере перехода от одного элемента к другому наблюдаются значительные скачки в свойствах. В нижних же периодах переход от металлических свойств к неметаллическим происходит медленнее, а в триадах элементов, составляющих побочную подгруппу VIII группы (например, семейство железа Fe – Co – Ni), наблюдается горизонтальная аналогия.

Вертикальные ряды, объединяющие элементы с одинаковой высшей степенью окисления в высших оксидах, называются группой.

Однако из данного правила есть целый ряд исключений: например, в I группе расположены медь и золото, которые в высших оксидах проявляют степень окисления более +1 (Аu2+3О3, Cu+2O), в VII — фтор, проявляющий степень окисления только –1, и т.д.

Впределах одной группы не все элементы явно сходны по своим свойствам (например, золото и франций; медь и рубидий). Поэтому каждая группа делится на две подгруппы — главную и побочную. Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые

сними по свойствам элементы больших периодов (в I группе — литий и натрий, а также калий, рубидий, цезий и франций).

Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов

(в I группе — медь, серебро, золото; во II — цинк, кадмий, ртуть и т.д.).

Элементы, составляющие главные подгруппы, по своим химическим свойствам существенно отличаются от таковых побочных подгрупп. Это можно проследить на примере I и VII групп. В главной подгруппе VII группы находятся галогены, наружная электронная оболочка которых отвечает конфигурации ns2np5 (F, C1, Вr, I, At). Они представляют собой наиболее типичные неметаллы. В побочной подгруппе находятся марганец, технеций и рений, проявляющие металлические свойства. Характерно, что у элементов подгруппы марганца внешняя оболочка имеет конфигурацию ns2, но у них, в отличие от галогенов, предвнешняя оболочка не завершена, поскольку на ее d-подуровне имеется только 5 электронов.

Вглавной подгруппе I группы располагаются щелочные металлы, внешняя оболочка которых отвечает конфигурации ns1 (предвнешняя оболочка завершенная). В побочной подгруппе I группы находятся медь (–3d104s1), серебро (–4d105s1) и золото (–5d106s1).

3.Охарактеризуйте элементы германий, селен, фосфор, исходя из их по-

?ложения в Периодической системе.

4.Перечислите элементы подгрупп IIIA, IVB.

5.Укажите число периодов и групп в Периодической системе.

6.Почему существует подразделение элементов на подгруппы?

7.Какие элементы считаются типическими?

8.На примере VII группы объясните сходства и различия элементов.

9.В первом периоде всего два элемента. Как объяснить закономерное изменение свойств элементов этого периода в сравнении со вторым и третьим периодами?

§3. Строение атома. Ядра атомов

Вплоть до 70-х годов XIX в. утверждение о неделимости атома воспринималось как аксиома, поэтому трудно было понять и объяснить открытое З. Круксом катодное излучение. Экспериментально было показано, что катодное излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц.

В1895 г. В. Рентген открыл новый вид излучения, названный рентгеновским.

В1896 г. французский физик А. Беккерель исследовал некоторые флюоресцирующие вещества, которые могли бы служить источниками проникающего излучения типа рентгеновского. Из множества изученных им веществ только соединения урана оказали воздействие на фотопленку, защищенную черной бумагой. Беккерель установил, что все соединения урана обладают способностью испускать лучи, по свойствам идентичные рентгеновским. В том же году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри приступили к детальному изучению открытого Беккерелем явления. Исследуя урановую руду в 1898 г., они сообщили об открытии нового элемента — полония. Несколько позже ими же был открыт еще один элемент — радий, который обладал радиоактивностью во много раз большей, чем уран. Способность веществ к самопроизвольному излучению была названа радиоактивностью.

Э. Резерфорд показал, что под влиянием магнитного поля радиоактивное излучение дифференцируется на α-, β- и γ-излучение. Неоспоримым фактом было то, что радиоактивное излучение связано со сложным процессом — расщеплением атомов. Это свидетельствовало о том, что атом неделим только химически, физически же делим

иимеет дискретную структуру. Такой вывод еще более подкреплялся

48 ЧАСТЬ I ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ

дальнейшим изучением катодных лучей, приведшим к открытию электрона — составной части атома.

Электрон — легчайшая элементарная частица атома, несущая отрицательный электрический заряд, равный 1,602 . 10–19 Кл. Заряд электрона условно принимается за –1. Масса покоя электрона равна 9,1095 . 10–31 кг, что составляет 1/1836 массы самого легкого элемента — водорода. Электрон обозначается символом е–.

В1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу, что все объекты микромира характеризуются двойственной природой, обладая одновременно свойствами частицы и волны. Волновой характер электрона был доказан экспериментально: пучок электронов, рассеиваемый кристаллом, дает такую же дифракционную картину, как и рентгеновское излучение.

В1926 г. Э. Шредингер, исходя из представления о наличии волновых свойств у электрона, показал, что движение электрона может быть описано с помощью волновой функции. Электрон следует рассматривать как размытое распределение отрицательного заряда в виде электронного облака. Согласно квантовой механике вероятность нахождения электрона далеко от ядра очень мала, хотя и существует. Поэтому можно говорить об определенной области, за пределами которой этой вероятностью можно пренебречь.

Область в пространстве, в которой вероятность пребывания электрона максимальна, называется орбиталью.

Следовательно, орбиталь — это волновая функция, характеризующая состояние электрона. Поэтому для каждой заданной волновой функции существует граничная поверхность, внутри которой сосредоточена определенная доля электронного заряда. Максимальная электронная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона. Следовательно, понятие «орбиталь» подразумевает форму электронного облака, которая меняется в зависимости от плотности отрицательного заряда. Орбитали могут отличаться одна от другой энергией, необходимой для удаления отрицательного заряда, формой электронного облака и ориентацией электронного облака относительно центра симметрии — ядра атома. В этом проявляются дискретность характеристик электрона, квантованность его свойств. Характеристики орбитали — энергию, форму, ориентацию в пространстве — можно задать определенными числами, которые получили название квантовых чисел.

Электронейтральность свободных (несвязанных) атомов указывает на то, что в них должно содержаться одинаковое число положительных и отрицательных единиц электричества.

При потере атомом водорода электрона образуется частица, несущая единичный положительный заряд. Она получила название протона. Заряд протона равен по абсолютной величине и противоположен по знаку заряду электрона, а масса равна 1,67 . 10-24 г, что

в1836,12 раза больше массы электрона. Протон обозначается символом р.

Э.Резерфорд, изучая рассеивание α-частиц при прохождении их

через металлическую фольгу, установил, что большинство из них продолжает свое прямолинейное движение. Некоторые же α-частицы изменяли свое направление, так как полностью отражались от поверхности фольги. На основании этих данных был сделан важный вывод о том, что в центре атома находится чрезвычайно плотная частица, несущая положительный заряд. Эта частица была названа ядром атома. Здесь сосредоточена основная масса атома.

Размеры атомного ядра (диаметр ~ 10–14–10–15 м) существенно меньше по сравнению с размерами атома (диаметр ~ 10–10 м), однако примерно 99,97% массы атома сосредоточено в ядре.

Поскольку масса является мерой энергии, то в ядре, следовательно, сосредоточена практически вся энергия атома. Плотность ядерного вещества очень велика и составляет примерно 10–17 кг/м3.

В1933 г. была обнаружена электрически нейтральная частица, названная нейтроном. Масса ее оказалась почти равной массе протона. Нейтрон обозначают символом n. Протоны и нейтроны называют элементарными частицами, входящими в состав ядра атома.

Все элементы в Периодической системе пронумерованы в том порядке, в каком они следуют друг за другом. Номера элементов называются порядковыми, или атомными, номерами.

Ядро атома в первую очередь характеризуется двумя параметрами: зарядом Z и массовым числом А. Массовое число определяет сумму протонов и нейтронов в ядре, а порядковый номер — число протонов

вядре. В настоящее время общепринятым изображением ядер атомов и их характеристик является следующее: слева от символа внизу указывают заряд ядра, а массовое число — вверху. Например, ядро

атома углерода обозначают так: 126С. Из этого следует, что заряд ядра (а следовательно, и число протонов) равен 6, массовое число равно 12, а число нейтронов есть разность между массовым числом и зарядом ядра, т.е. 6. Так как массы протона и нейтрона очень мало