Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
таллические свойства. С увеличением радиуса атома у элементов главных подгрупп химическая активность (неметалличность) уменьшается. Неметаллические свойства постепенно
уменьшаются, но идёт постепенное нарастание металлических
свойств — это подтверждается свойствами простых веществ,
образованных этими элементами: кислород — типичный неметалл — газ, имеет двухатомную молекулу, селен и теллур —
твёрдые вещества серого цвета с металлическим блеском. При
рассмотрении свойств простых веществ можно увидеть подтверждение и другой закономерности: с возрастанием молекулярной массы увеличиваются плотность и интенсивность окраски веществ: кислород — бесцветный газ, сера — порошкообразное вещество жёлтого цвета, а селен и теллур — твёрдые
вещества серого цвета с металлическим блеском.
Для элементов главной подгруппы VI группы характерно
образование нескольких простых веществ — аллотропных
видоизмений. Так элемент-кислород образует два простых вещества — кислород О
и озон О3. Аллотропные видоизмене-
2
ния есть у серы, селена и теллура.
При характеристике элементов обычно рассматривают,
помимо свойств простых веществ, свойства их соединений,
т. е. свойства оксидов, гидроксидов и водородных соединений. Состав оксидов может быть выражен общей формулой
ЭО
при степени окисления элемента +4 и ЭО3, если элемент
2
проявляет степень окисления +6, и состав кислородсодержащих кислот может быть выражен общими формулами соответственно Н
и Н2ЭО4 (Э — обозначает любой элемент дан-
2ЭО3
ной группы элементов). Оксиды, образованные этими элементами, — кислотные, а их гидроксиды — кислородсодержащие
кислоты — это подтверждение того, что данные элементы —
неметаллы с точки зрения свойств, которые проявляют оксиды и гидроксиды данных элементов; причём растворимость
оксидов уменьшается, что указывает на уменьшение неметаллических свойств элементов и уменьшение кислотных свойств
оксидов и гидроксидов: оксид теллура (IV) мало растворим в
воде, а оксид теллура (VI) нерастворим в воде, в то время как
оксиды серы и селена — растворимы в воде; сила кислородсодержащих кислот уменьшается с увеличением порядкового
номера элемента.
Обратимся к водородным соединениям неметаллов, составляющих главную подгруппу VI группы. Атомы кислорода, серы, селена и теллура, имея 6 электронов на внешнем
слое, причём из них два электрона неспаренных, присоединя-
221
ют по два атома водорода, образуя соответственно воду, сероводород, селеноводород и теллуроводород — вещества, имеющие молекулярное строение, а, следовательно, — это летучие
вещества; образование летучих водородных соединений —
одна из характеристик неметаллов. Общая формула водородных соединений для вышеуказанных элементов — Н
Э.
2
Сероводород, селеноводород и теллуроводород — ядовитые с неприятным запахом газы, которые растворяются
в воде, образуя соответственно сероводородную кислоту, селеноводородную кислоту и теллуроводородную кислоту.
В группах с возрастанием порядкового номера элемента
в связи с увеличением радиуса атомов облегчается отщепление водорода от молекул, и, следовательно, увеличивается
сила кислот. Из данной группы кислот наиболее сильной будет теллуроводородная кислота.
§ 15. Сравнительная характеристика элементов
главной подгруппы V группы
Азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут — это элементы,
которые составляют главную подгруппу V группы в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Об-
щим в строении атомов этих элементов является наличие
5 электронов в состоянии ns
завершения слоя нехватает 3-х электронов, а это значит, что
на внешнем слое атомов этих элементов имеется одна пара
спаренных электронов и три электрона неспаренных) — этим
и объясняется наличие сходных химических свойств. Строе-
ние наружного электронного слоя указывает на то, что эти
элементы в соединениях с менее электроотрицательными элементами (например, водородом и металлами) проявляют отрицательную степень окисления (–3), а в соединениях с
кислородом, который является более электроотрицательным,
чем азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут, проявляют положительную степень окисления. Высшая положительная
степень окисления равна +5 — по максимальному числу
электронов, находящихся на внешнем слое атома и которые
атом может отдать на образование химических связей с другими атомами. Все указанные выше элементы-неметаллы с
точки зрения строения атома, так как к неметаллам относят
элементы, на внешнем слое атома которых имеется от 4 до 7
электронов. Но все эти элементы находятся в разных перио-
2 np3
на внешнем слое атомов (до
222
дах, что указывает на то, что их атомы имеют разные радиусы: азот во втором периоде (в атомах азота два энергетических
уровня), фосфор в третьем периоде (в атомах фосфора три
энергетических уровня), мышьяк в четвёртом периоде (в атомах мышьяка четыре энергетических уровня), сурьма в пятом периоде (в атомах сурьмы пять энергетических уровней)
и висмут в шестом периоде (в атомах висмута шесть энергетических уровней) — это говорит о том, что электроны внешнего энергетического уровня в атомах этих элементов находятся
на разном расстоянии от ядра, а значит и разную прочность
связи наружных электронов с ядром в атоме и, следовательно, неметаллические свойства проявляются у данных элементов в разной степени. Неметалличность — это свойство атома
элемента прочно удерживать электроны наружного слоя. При
одинаковом числе электронов на внешнем слое прочность связи электронов с атомом зависит от радиуса атома (чем меньше
радиус, тем больше прочность связи электронов с атомом):
атом азота имеет наименьший радиус, следовательно, у него в
большей степени проявляются неметаллические свойства.
С увеличением радиуса атома у элементов главных подгрупп
химическая активность (неметалличность) уменьшается. Неметаллические свойства постепенно уменьшаются, но идёт постепенное нарастание металлических свойств — это подтверждается свойствами простых веществ, образованных этими элементами: азот — неметалл — газ, имеет двухатомную
молекулу, фосфор — неметалл (но уже есть аллотропное видоизменение фосфора — чёрный фосфор, которое имеет металлический блеск и электропроводность). Свойства мышьяка, сурьмы и висмута представляют дальнейшее развитие металлических свойств, едва заметных у фосфора: мышьяк,
сурьма и висмут — это вещества, которые выглядят, как металлы — твёрдые с металлическим блеском, обладающие
хоть и в малой степени электропроводностью и теплопроводностью. Но они в отличие от металлов мышьяк, сурьма и
висмут — хрупкие вещества. При рассмотрении свойств простых веществ можно увидеть подтверждение и другой закономерности: с возрастанием молекулярной массы увеличиваются плотность и интенсивность окраски веществ: азот — бесцветный газ, фосфор — твёрдое вещество (аллотропные
модификации разного цвета: белый, красный, жёлтый и т. д.).
Известны модификации мышьяка жёлтого цвета и серого цвета с металлическим блеском. Есть несколько видоизменений
сурьмы: жёлтая, чёрная, серая. При обычных условиях устой-
223
чива лишь кристаллическая сурьма серебристо-белая с синеватым металлическим блеском. Металлические свойства по
сравнению с фосфором и мышьяком у сурьмы усиливаются.
Она проводит теплоту и электрический ток, хотя и хуже, чем
обычные металлы, и в отличие от них обладает хрупкостью.
Вывод: с точки зрения свойств простых веществ к неметаллам
можно отнести лишь азот и фосфор, а мышьяк, сурьма и висмут
проявляют как свойства неметалла, так и свойства металла.
А сейчас рассмотрим эти элементы с точки зрения свойств,
которые проявляют их соединения: оксиды, гидроксиды и водородные соединения.
Состав высших оксидов элементов главной подгруппы V
группы может быть выражен общей формулой Э
азота (V) N
— кислотный оксид, растворимый в воде, кото-
2O5
. Оксид
2О5
рому соответствует гидроксид — кислородсодержащая кислота — азотная кислота HNO
. Оксид фосфора (V) Р2О5 — кис-
3
лотный оксид, растворимый в воде, которому соответствует
гидроксид — кислородсодержащая кислота — фосфорная
кислота Н
Оксид сурьмы (V) As2O5 — кислотный оксид,
3РО4.
мало растворим в воде, но ему соответствует кислородсодержащая кислота H
AsO4. Оксид висмута очень неустойчив и
3
мало изучен, существование кислот пятивалентного висмута
не доказано, но известны соли состава МеВiО
.
3
Высшие оксиды данных элементов обладают кислотными
свойствами, но с возрастанием порядкового номера элемента
кислотные свойства ослабевают. Кислоты в чистом виде удаётся получить не для всех указанных элементов, но соли кислот, в которых степень окисления элемента +5, существуют.
Атомы азота, фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута на
внешнем слое имеют три неспаренных электрона, по которым
они присоединяют три атома водорода, образуя соответственно аммиак, фосфин, арсин, стибин и висмутин — водородные
соединения указанных элементов, состав которых может быть
выражен общей формулой ЭН
С возрастанием порядкового
3.
номера элемента прочность водородных соединений уменьшается и висмутин разлагается на висмут и водород уже при
комнатной температуре. Водородные соединения азота, фосфора, мышьяка и сурьмы — газы.
Образование соединений с металлами характерно для азота и фосфора, всё же известны некоторые соединения, аналогичные нитридам и фосфидам Mg
, Mg3Sb2, Mg3Bi2.
3As2
С точки зрения свойств соединений, которые образуют
указанные элементы, мы можем сделать вывод, что указан-
224
ные элементы можно отнести к элементам, у которых в большей степени проявляются неметаллические свойства, т. е. к
неметаллам.
§ 16. Сравнительная характеристика элементов
главной подгруппы IV группы
Главную подгруппу четвёртой группы составляют элементы: углерод, кремний, германий, олово и свинец. Общим в
сторении атомов этих элементов является наличие 4 электронов в состоянии ns
ружного слоя атомов этих элементов объясняется наличие
сходных свойств элементов: максимальная степень окисления у этих элементов равна +4, но и принять на внешний слой
они могут не более 4 электронов, а значит отрицательная степень окисления у них равна –4. С точки зрения строения атома, поскольку они имеют 4 электрона на внешнем слое атома,
их можно назвать неметаллами, так как к неметаллам относят элементы, имеющие 4–7 электронов на внешнем слое атома. Среди элементов главных подгрупп IV–VII групп подгруппа углерода объединяет элементы с наименее выраженными
неметаллическими свойствами. На примере элементов подгруппы углерода наглядно проявляется закономерное изменение свойств элементов с возрастанием заряда атомных ядер:
постепенное ослабление неметаллических свойств (наиболее
выраженных у углерода) и постепенное усиление металлических свойств (наиболее выраженных у свинца). Эта закономерность прослеживается на изменениях свойств простых веществ, оксидов, гидроксидов и водородных соединений.
Четырёхэлектронный внешний слой и малые атомные радиусы углерода и кремния не способствуют образованию отрицательно заряженных ионов (что характерно для неметаллов) вследствие наименьшего среди неметаллов числа электронов на внешнем слое и они не склонны также к образованию
положительно заряженных ионов (что характерно для металлов) вследствие наибольшего среди металлов числа электронов на внешнем слое атома. Строение внешнего слоя атомов
углерода и кремния способствует образованию ковалентных
связей как с другими элементами, так и с одноимёнными атомами. Углерод и кремний образуют вещества с атомной кристаллической решёткой. Углерод образует графит, который
уже имеет слабый блеск и электропроводность. Кремний —
2np2
на внешнем слое атомов. Строением на-
225
твёрдое вещество с металлическим блеском, но хрупкое.
Кремний и германий — полупроводники. Олово и свинец
с точки зрения свойств простого вещества уже можно отнести
к металлам, так как — это твёрдые вещества с металлическим блеском, обладающие мягкостью и легкоплавкостью,
что характерно для типичных металлов. С возрастанием заряда атомного ядра радиус увеличивается и заметно уменьшается электроотрицательность элементов, нарастают металлические свойства.
Высшие оксиды (общая формула ЭО
) углерода, кремния и
2
германия — кислотные оксиды, а оксиды олова и свинца —
амфотерные. Оксид углерода плохо растворим в воде, а оксиды остальных элементов в воде не растворяются. Высшим
оксидам углерода, кремния и германия соответствуют гидроксиды — кислородсодержащие кислоты: угольная, кремниевая и германиевая, состав которых может быть выражен общей формулой Н
, а амфотерным оксидам олова и
2ЭО3
свинца соответствуют амфотерные гидроксиды: тетрагидроксид олова Sn(OH)
и тетрагидроксид свинца Pb(OH)4.
4
Угольная кислота (непрочное соединение) в чистом виде не
получена, кремниевая и германиевая кислоты в воде не растворяются, гидроксиды олова и свинца в воде не растворяются. С возрастанием заряда атомного ядра элемента кислотные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают и нарастают основные свойства.
Водородные соединения общей формулы ЭН
известны для
4
всех элементов данной подгруппы и представляют собой газы,
что указывает на проявление неметаллических свойств у элементов. Прочность летучих водородных соединений заметно
уменьшается от углерода к свинцу.
С точки зрения свойств простых веществ углерод и кремний относят к неметаллам, германий к переходным элементам, а олово и свинец к металлам.
§ 17. Сравнительная характеристика элементов
главной подгруппы I группы
Главную подгруппу I группы в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева составляют элементы:
литий, калий, натрий, рубидий, цезий и франций — щелочные металлы. Общим в строении атомов этих элементов является наличие одного s-электрона на внешнем слое атомов, чем
и объясняются сходные свойства этих элементов. Все они —
226
типичные металлы, т. е. элементы, в которых металлические
свойства выражены наиболее ярко. Все они начинают периоды и имеют по сравнению с элементами соответствующих периодов наибольшие радиусы атомов. Эти металлы легко расстаются со своими внешними электронами и превращаются
в положительно заряженные ионы и, следовательно, они являются сильными окислителями. Во всех соединениях они
проявляют единственную степень окисления +1. Но свойство
металличности проявляется у этих элементов по-разному, так
как они имеют разные радиусы атомов, а, следовательно и
разную прочность связи наружного электрона с атомом.
Металличность — это свойство атома элемента легко отдавать свои электроны. При одинаковом числе электронов на
наружном слое атома прочность связи наружных электронов
с атомом зависит от радиуса атома в обратно пропорциональной зависимости: чем больше радиус, тем меньше прочность
электронов с атомом. Но все эти элементы находятся в разных
периодах, а это значит, что их атомы имеют разные радиусы:
литий во втором периоде (в атомах лития два энергетических
уровня), натрий в третьем периоде (в атомах натрия три энергетических уровня), калий в четвёртом периоде (в атомах калия четыре энергетических уровня), рубидий в пятом периоде
(в атомах рубидия пять энергетических уровней), цезий в шестом периоде (в атомах цезия шесть энергетических уровней)
и франций в седьмом периоде (в атомах франция семь энергетических уровней) — это говорит о том, что электроны внешнего энергетического уровня в атомах этих элементов находятся на разном расстоянии от ядра, а значит и разную прочность связи наружных электронов с ядром в атоме и,
следовательно, металлические свойства проявляются у данных элементов в разной степени. Самым химически активным является франций.
Все эти элементы образуют простые вещества с металлической решёткой. Щелочные металлы, как и все металлы, —
это твёрдые непрозрачные вещества серебристо-белого цвета,
электропроводны, пластичны, но они как типичные металлы
характеризуются малой твёрдостью (т. е. они — мягкие, их
можно резать ножом) и плотностью, имеют низкие температуры плавления. Щелочные металлы отличаются высокой
химической активностью, а поэтому при хранении щелочных
металлов необходимо преградить доступ воздуха и влаги к металлам. По этой причине щелочные металлы хранят под слоем керосина в герметически закрытых сосудах.
227
Оксиды (общая формула Э2О) — основные и растворимые
в воде. Оксиды, растворяясь в воде, взаимодействуют с водой,
образуя гидроксиды — основания (общая формула ЭОН), растворимые в воде, т. е. щёлочи. Образование растворимых
в воде оксидов и гидроксидов — это характерные свойства
типичных металлов. Растворимость оксидов и гидроксидов
увеличивается по подгруппе с возрастанием порядкового номера элемента.
Гидриды щелочных металлов — кристаллические ионные соединения, и, следовательно, гидриды — нелетучие соединения.
Соли щелочных металлов имеют ионную кристаллическую решётку, а поэтому соли — твёрдые, нелетучие, тугоплавкие соединения. Соли щелочных металлов — растворимы в воде.
§ 18. Характеристика элементов побочных подгрупп
в периодической системе химических элементов
Д.И. Менделеева
Побочные подгруппы составляют d-элементы, так как
в атомах этих элементов идёт заполнение d-подуровня предвнешнего слоя или некоторые имеют уже заполненный
d-подуровень, но валентными являются электроны наружного слоя плюс электроны с d-подуровня предвнешнего слоя.
Эти элементы относят к переходным элементам. Их также
называют переходными металлами, так как, проявляя свой-
ства как металла, так и неметалла, имеют преобладание металлических свойств.
С точки зрения строения атома элементы, составляющие
побочные подгруппы, — металлы, потому что на внешнем
слое атома у большинства из этих элементов 2 электрона (иногда 1 электрон), а к металлам относят элементы, на внешнем
слое атомов которых имеется 1–3 электрона.
С точки зрения свойств простых веществ эти элементы
также могут быть отнесены к металлам. Простые вещества,
образуемые этими элементами, имеют металлическую кристаллическую решётку и обладают физическими свойствами,
характерными для металлов. Потеря у некоторых элементов
такого качества, как например, пластичность, и появление
хрупкости указывает на проявление неметаллических
свойств.
228
Необходимо также рассмотреть эти элементы с точки
зрения свойств их соединений, главным образом, оксидов и
гидроксидов.
Для большинства этих элементов в соединениях характерна переменная валентность и переменная степень окисления.
С увеличением степени окисления атомов элементов
побочных подгрупп металлические свойства элементов
уменьшаются, а неметаллические свойства усиливаются, что проявляется в свойствах их оксидов и гидроксидов:
основные свойства оксидов и гидроксидов — уменьшаются, а кислотные свойства — усиливаются.
Для переходных металлов свойственно образование комплексных соединений (особых структур, которые не рассматривают в средней школе), в которых переходные металлы
входят в состав анионов, что характерно для неметаллов.
Так, например, даже золото образует комплексные соединения типа кислот HAu(OH)
свою высшую валентность III. Соли кислоты HAu(OH)
и др., в которых золото проявляет
4
назы-
4
вают ауратами.
В побочных подгруппах металлические свойства, как например, химическая активность металлов (с некоторыми
исключениями), понижаются с ростом относительной
атомной массы. Пример этого — взаимодействие с кислота-
ми. Цинк взаимодействует с кислотами активно, кадмий менее энергично, ртуть не вытесняет водород из обычных кислот.
Рассмотрим некоторые из элементов побочных подгрупп.
Элементы подгруппы цинка интересны тем, что в свободном состоянии, т. е. в виде простых веществ представляют собой белые легкоплавкие металлы, которые довольно летучи
(особенно ртуть). При обычных условиях цинк довольно хру-
пок. Кадмий становится хрупким при нагревании его до 80 °С.
Хрупкость и летучесть — свойства, характерные для неметал-
лов. Оксиды и гидроксиды этих элементов нерастворимы в воде.
Гидроксид цинка и гидроксид кадмия — амфотерные соединения
с преобладанием основных свойств над кислотными.
Из элементов подгруппы цинка ртуть вызывает наибольший интерес с бытовой точки зрения. Ртуть входит в группу
металлов, ионы которых оказывают губительное воздействие
на живой организм. Ртуть чрезвычайно опасна. Губительное
воздействие оказывают очень малые количества ртути, но ещё
229
большая опасность связана с тем, что контакт со ртутью возможен у любого человека, так как медицинский термометр
есть в каждом доме.
Разбившийся термометр представляет собой серьёзную
опасность, если ртуть вылилась из баллончика, и мельчайшие капельки ртути рассыпались по полу. Особенно это опасно, если пол паркетный и капельки попадают в щели между
планками. Ртуть — летучее вещество и пары ртути будут находиться в воздухе. Если не принять мер, у лиц, находящихся
в этой комнате, постепенно может развиться тяжёлая болезнь — хроническое отравление ртутью, проявляющееся
в возбудимости, острых головных болях, общей слабости,
прогрессирующем ослаблении памяти, обмороках. Эти постепенно проявляющиеся признаки хронического отравления
могут сопровождаться разрыхлением десен, выпадением зубов и волос, расстройством пищеварительного тракта.
Чтобы предотвратить всё это, надо тщательно собрать все капельки ртути. Для этого можно воспользоваться медной проволочкой или пластинкой, листочками станиоли («серебряной»
бумажкой от конфет). И к медной, и к оловянной поверхности
жидкая ртуть, смачивая её, прилипнет. Той же проволочкой
или станиолем особо тщательно надо извлечь все забившиеся
в щели мелкие капельки ртути. После сбора капель места, где
могла задержаться ртуть, надо засыпать порошком серы или
алюминиевой пыли или полить раствором хлорида железа (III).
Опасность хронического ртутного отравления в том, что
человек не обнаруживает каких-либо признаков расстройства
здоровья в течение довольно долгого периода скрытого действия ртути на организм.
Ртуть — химически довольно инертный металл, который
в природе встречается, кроме минерала киновари HgS, в виде
простого вещества Hg — самородной ртути.
Из элементов, составляющих побочную подгруппу VI
группы, рассмотрим хром. Имея на внешнем уровне один
электрон, хром в отличие от элементов главной подгруппы обладает преимущественно металлическими свойствами. Сход-
ство между элементами обеих подгрупп проявляется только в соединениях с высшей степенью окисления (+6). Рассмо-
трим хром и его соединения: на внешнем слое атомов хрома
один электрон, следовательно хром — металл с точки зре-
ния строения атома. Рассмотрим свойства хрома как простого вещества: хром — твёрдое непрозрачное серовато-белое вещество с металлическим блеском, тугоплавкое, электропро-
230
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]