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
Вопросы и задания:
1. Какие металлы входят в объём понятия «элемент-металл»?
2. Какие металлы входят в объём понятия «элемент-типичный
металл»? Приведите примеры типичных металлов.
3. Какое понятие «элемент-металл» или «элемент-типичный металл» больше по объёму?
4. Какие оксиды образуют элементы-металлы?
5. Какие гидроксиды образуют элементы-металлы?
6. Какие отмечают особые свойства оксидов и гидроксидов типичных металлов?
7. Какая валентность характерна для типичных металлов?
8. Перечислите свойства типичного металла, которые считают
проявлением ярко выраженных металлических свойств и которые позволяют их называть «типичными».
§ 34. Понятие «элемент-типичный неметалл»
Под общее понятие «элемент-неметалл» подходят все известные нам неметаллы — это большое по объёму понятие —
это родовое понятие. Под понятие «элемент-типичный не-
металл» подходят неметаллы, имеющие кроме характеристик, присущих всем неметаллам, ещё какие-то особые
характеристики (видовые отличия), которые позволяют
их выделить из общего понятия «неметалл» в особую группу — группу галогенов. Таким образом, добавляя к слову
«неметалл» определение «типичный» мы расширяем
содержание понятия «неметалл», но уменьшаем объём этого
понятия, так как к типичным неметаллам не могут быть
отнесены все неметаллы. К типичным неметаллам относят
только неметаллы, обладающие какими-то особыми
свойствами, которые их отличают от других неметаллов и
которые позволяют их называть «типичными» —
расширение содержания понятия.
Элементы-типичные неметаллы имеют ту же схему гене-
тической связи, как и другие неметаллы:
Неметалл кислотный оксид кислота (кислород-
содержащая)
К типичным неметаллам относят фтор F, хлор Cl, бром Br,
иод I, которые имеют общее название — галогены, т. е. соле-
71
Объем понятий
«элемент-металл», «элемент-неметалл», «переходный» элемент
Элемент-
типичный
металл
Элемент-металл Элемент-
Элемент-
переходный
металл
«Переходный»
элемент
неметалл
Элемент-
типичный
неметалл
роды или солеобразователи. Своё название галогены получили за то, что открытый первым из них хлор входит в состав
поваренной соли (от греческого «гальс» — соль). Но простые
вещества, образованные этими элементами, фтор F
бром Br
, иод I2, образуют двухатомные молекулы и отлича-
2
, хлор Cl2,
2
ются от других простых веществ-неметаллов высокой химической активностью. Они энергично соединяются с металлами и
многими неметаллами. Оксиды типичных неметаллов —
кислотные и им соответствуют гидрокси ды — кислородсодержащие кислоты. Валентность в кислородных соединениях типичные неметаллы проявляют самую высокую, т. е.
семь. Например, хлор образует высший оксид Cl
соответствует хлорная кислота
HClO4. Водородные соедине-
, которому
2O7
ния типичных неметаллов, как например, HCl, HBr, HI —
летучие (газы, за исключением фтороводорода) и бесцветные
вещества, которые растворяясь в воде, образуют соответствующие кислоты. Галогены — это элементы, проявляющие
наиболее ярко свойства, которые называют неметаллически-
ми свойствами, а поэтому галогены — типичные неметаллы.
72
Вопросы и задания:
1. Какие элементы могут быть отнесены к понятию «элемент-
неметалл»?
2. Какие неметаллы входят в объём понятия «элемент-типичный
неметалл»? Приведите примеры типичных неметаллов.
3. Какое понятие «элемент-неметалл» или «элемент-типичный
неметалл» больше по объёму?
4. Какие оксиды образуют элементы-неметаллы?
5. Какие гидроксиды образуют элементы-неметаллы?
6. Какие отмечают особые свойства оксидов и гидроксидов типич-
ных неметаллов?
7. Какая валентность характерна для типичных неметаллов?
8. Перечислите свойства типичного неметалла, которые считают
проявлением ярко выраженных неметаллических свойств и кото-
рые позволяют их называть «типичными».
73
Глава 5
Периодический закон и периодическая
система химических элементов
Д.И. Менделеева
§ 35. Предпосылки открытия периодического закона
В течение долгого времени, в процессе развития науки, постепенного накопления знаний о химических элементах готовятся предпосылки открытия периодического закона. На пер-
вом этапе случайно открываются отдельные элементы, накапливаются знания об этих отдельных элементах.
Считают, что первый этап в истории познания химических
элементов (ступень познания единичности) длился до середины XVIII века.
С середины XVIII века начался следующий этап в истории
познания химических элементов (ступень познания
особенности). В этот период формируется понятие «элемент»,
вводятся понятия «атомность» (современное название —
валентность), понятие «атомный вес» («атомная масса»).
С учётом валентности элементы делят на одновалентные,
двухвалентные и т. д. В этот период элементы стали
сравнивать между собой, подмечать особенности элементов
и объединять их в группы по признаку сходства в свойствах
и резко обособлять от всех остальных элементов, как от
несходных с ними. Уже в начале XIX века были известны:
группа щелочных металлов, группа щёлочно-земельных металлов, группа галогенов, группа серы, группа фосфора.
И даже была обнаружена зависимость свойств элементов от
величины атомных весов внутри группы. На этом этапе задача учёных состояла в том, чтобы объединить элементы в группы по признаку их сходства и на основе особенностей этих
элементов отделить их от других групп элементов, т. е. разделить известные в то время химические элементы на группы.
Остановимся на рассмотрении группы щелочных метал-
лов и группы галогенов, чтобы понять почему элементы воз-
можно было объединить в отдельные группы. Группу щелочных металлов составляли элементы: литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb и цезий Cs. Обратим внимание на
особенности этих элементов, которые отличали их от других
74
Таблица 7
Оксиды Гидроксиды Соли
LiCl
растворимость
гидроксидов
LiOH Увеличивается
растворимость
оксидов
O NaOH NaCl
2
O Увеличивается
O KOH KCl
2
Li
2
O RbOH RbCl
O CsOH CsCl
2
2
Типичные металлы, химически очень активные (простые вещества
хранять под слоем керосина или парафина), валентность в соедине-
ниях — I, образуют сходные по составу и свойствам оксиды (основ-
ные, растворимые в воде), образуют сходные по составу и свойствам
гидроксиды (основания — щёлочи), сходные по составу и свойствам
соли (растворимые в воде)
Элементы образуют простые вещества с различной химической
активностью и различными физическими свойствами (разные t
плавления), различны и свойства сложных веществ, образованных
этими элементами (например, разная растворимость оксидов и ги-
дроксидов)
С возрастанием атомной массы увеличивается химическая актив-
ность простых веществ, увеличивается растворимость оксидов и
гидроксидов
Группа щелочных металлов (типичные металлы)
r
A
Химический
знак и формула
ложены в поряд-
ке возрастания
относительных
атомных масс
= 7 Элементы распо-
= 23 Na
= 39 K
= 86 Rb
r
r
простых веществ
Натрий Na A
Литий Li A
= 133 Cs
r
r
Калий K A
Рубидий Rb A
Цезий Cs A
r
Особенности, которые отличают их от других
элементов и дают возможность объединить их в
отдельную группу (сходные свойства элементов
данной группы)
Различия в свойствах элементов внутри груп-
пы
75
Закономерность изменения свойств элемен-
тов, обнаруженная внутри группы (зависи-
мость свойств элементов от величины атомных
масс элементов)
Необходимо подчеркнуть то, что особенности свойств щелочных металлов резко обособляли их от других элемен-
тов, но в то же время давали возможность объединить их в отдельную группу — семейство щелочных металлов
Таблица 8
металлами
Соединения с
соединения
Водородные
HF NaF
HCl NaCl
HBr NaBr
HI NaI
Увеличивается плот-
ность и интенсивность
окраски веществ
2
2
2
Простые
вещества
Фтор F
2
Типичные неметаллы, молекулы простых веществ —
двухатомные, простые вещества — летучие соедине-
ния, валентность в соединениях с кислородом — VII,
а в соединениях с водородом и металлами — I, водо-
родные соединения — летучие вещества
мической активностью и различными физическими
свойствами, различны и свойства сложных веществ,
образованных этими элементами
С возрастанием атомной массы химическая актив-
ность элементов и простых веществ уменьшается, уве-
личивается плотность и интенсивность окраски про-
стых веществ
Группа галогенов (типичные неметаллы)
ны в порядке возрас-
тания относительных
атомных масс
r
= 19 Элементы расположе-
= 35,5 Хлор Cl
= 80 Бром Br
r
Элементы A
Фтор F A
= 127 Иод I
r
r
r
Хлор Cl A
Бром Br A
Иод I A
Особенности, которые отличают их от других элементов и
дают возможность объединить их в отдельную группу (сход-
ные свойства элементов данной группы)
Различия в свойствах элементов внутри группы Элементы образуют простые вещества с различной хи-
Закономерность изменения свойств элементов, обнаружен-
76
ная внутри группы (зависимость свойств элементов от вели-
чины атомных масс элементов)
Необходимо подчеркнуть то, что особенности свойств галогенов резко обособляли их от других элементов, но в то
же время давали возможность объединить их в отдельную группу — семейство галогенов
элементов и обособляли в отдельную группу (сходные свойства): типичные металлы, которые образовывали химически
активные простые вещества, в соединениях эти элементы проявляли валентность, равную единице, наблюдалось сходство
в составе и свойствах оксидов (оксиды — основные, растворимые в воде и взаимодействующие с водой с образованием гидроксидов этих элементов), наблюдалось сходство в составе и
свойствах гидроксидов (гидроксиды — основания, растворимые в воде, — щёлочи). Соли всех щелочных металлов растворимы в воде. Внутри группы щелочных металлов естественно имелись и различия в свойствах элементов: разные
температуры плавления простых веществ, разная химическая
активность, разная растворимость оксидов и гидроксидов. Внутри группы при расположении элементов в порядке возрастания
атомных масс была обнаружена закономерность: с возрастанием атомной массы увеличивается химическая активность простых веществ, увеличивается растворимость оксидов и гидроксидов. (См. табл. 7 «Группа щелочных металлов».)
Теперь рассмотрим группу галогенов, которую составляли
элементы: фтор F, хлор Cl, бром Br и иод I. Подчеркнём осо-
бенности этих элементов, которые отличали их от других
элементов и позволяли объединить в отдельную группу: типичные неметаллы, которые образуют химически активные
простые вещества: фтор F
, хлор Cl2, бром Br2 и иод I2;
2
молекулы простых веществ — двухатомные, простые
вещества — летучие, валентность элементов в соединениях с
водородом и металлами равна единице, водородные
соединения — летучие. Внутри группы галогенов имелись и
различия: различная химическая активность, различные
физические свойства простых веществ и сложных веществ,
образованных этими химическими элементами. Была
обнаружена и закономерность изменения свойств внутри
группы: с возрастанием атомной массы уменьшается
химическая активность, а плотность и интенсивность
окраски простых веществ увеличивается (хлор — газ
светло-зелёного цвета, фтор — газ зелёно-жёлтого цвета,
бром — жидкость красно-бурого цвета, а иод — твёрдое
вещество тёмно-серого цвета с фиолетовым оттенком). (См.
табл. 8 «Группа галогенов».)
Ещё раз необходимо подчеркнуть, что особенности
щелочных металлов и галогенов резко обособляли каждую
рассмотренную нами группу от других элементов, как от
несходных с ними.
77
Через 20 лет после своего открытия Д.И. Менделеев писал
о том периоде времени, который мы называем 2-й ступенью в
познании химических элементов (познание особенности):
«Периодическая законность имела под собой к 60-м годам
подготовленную почву и если высказана с определённостью
лишь к концу 60-х, то этому причину, должно искать в том,
что сравнению подвергали только сходственные между
собой». И это превратилось в препятствие, которое тормозило
развитие всего учения о веществе.
Научный подвиг Д.И. Менделеева состоит именно в том,
что он сломал это препятствие, поднял учение об элементах на
высшую ступень всеобщности, которая воплотилась в
периодическом законе и периодической системе.
§ 36. История открытия периодического закона
Осенью 1867 года Д.И. Менделеев стал профессором Петербургского университета, в котором он приступил к чтению
лекций по неорганической химии. В это же время он писал
книгу «Основы химии», основной материал которой и составили эти лекции. В первой части книги были даны материалы
по общим вопросам химии, а затем Д.И. Менделеев приступил к изложению отдельных групп элементов. Сначала были
описаны галогены как одновалентные элементы. Вторая часть
книги начиналась с описания щелочных металлов, так как
они тоже были одновалентными элементами. Но Д.И. Менделеева неотступно волновала мысль: какую группу элементов
излагать после щелочных металлов? Если придерживаться
принципа валентности, то за одновалентными элементами
(галогенами и щелочными металлами) должны следовать элементы, ведущие себя и как одновалентные, и как двухвалентные (медь, серебро, ртуть), а затем двухвалентные — щелочноземельные металлы. Но, если принимать во внимание не валентность, а химические свойства, то непосредственно к
щелочным металлам примыкают щелочно-земельные металлы. Д.И. Менделееву надо было продолжать читать лекции
студентам и писать книгу «Основы химии», а поэтому требовалось точно определить порядок изложения дальнейшего
материала. Он постоянно думал над решением этого вопроса и
вдруг 1 марта 1869 года его осенила блестящая идея, ставшая
ключом всего открытия: элементы разных групп надо сопо-
ставлять не по величине валентности, а по величине атом-
78
ного веса! (Поворотный момент в истории познания химических элементов.) И он записывает на клочке бумаги Cl —
35,5 и K — 39,1. Несмотря на то, что они обладают
противоположными химическими свойствами, их атомные
веса (атомные массы) очень близки.
F — 19 Cl — 35,5 Br — 80 I — 127
Li — 7 Na — 23 K — 39,1 Rb — 85,4 Cs — 133
Взяв за основу сравнения атомные массы, Д.И. Менделеев
понял, что после щелочных металлов нужно рассматривать
щелочно-земельные металлы, так как они близки к щелочным
металлам и по атомным массам и по свойствам (близкие по
значению валентности, оксиды — основные, гидроксиды —
основания).
F — 19 Cl — 35,5 Br — 80 I — 127
Li — 7 Na — 23 K — 39,1 Rb — 85,4 Cs — 133
Mg — 24 Ca — 40 Sr — 87,6
Д.И. Менделеев, начавший с вопроса о том, какую группу
излагать после щелочных металлов, внезапно натолкнулся на
какую-то ещё неизвестную закономерность природы (связь
между свойствами и атомными массами элементов разных
групп элементов).
Но надо было ещё убедиться — распространяется ли обнаруженный «кусочек» закономерной связи на все элементы?
Практически это означало попытаться составить таблицу
из всех известных в то время элементов, сопоставляя все группы элементов по величине атомных масс. Д.И. Менделеев отложил все дела и занялся этим немедленно. Было, конечно,
много вариантов расположения групп элементов. В начальных вариантах группы располагались горизонтально с уменьшением атомных масс:
Li — 7 Na — 23 K — 39 Rb — 86 Cs — 133
? Mg — 24 Ca — 40 Sr — 88 Ba — 137
B — 11 Al — 27 ? ?
C — 12 Si — 28 ? Sn — 119
N — 14 P — 31 As — 75 Sb — 122
O — 16 S — 32 Se — 79 Te — 128
F — 19 Cl — 35,5 Br — 80 I — 127
79
Рассмотрим варианты, достаточно близкие к окончательному варианту таблицы, представленной Д.И. Менделеевым.
Был вариант с вертикальным расположением групп:
I II III IV V VI VII
Li — 7 ? B — 11 C — 12 N — 14 O — 16 F — 19
Na — 23 Mg — 24 Al — 27 Si — 28 P — 31 S — 32 Cl — 35,5
K — 39 Ca — 40 ? ? As — 75 Se — 79 Br — 80
Rb — 86 Sr — 88 ? Sn — 119 Sb — 122 Te — 128 I — 127
Cs — 133 Ba — 137
Сопоставляя группы по величине атомных масс, Д.И. Менделеев получил таблицу (систему химических элементов). Составив таблицу, Д.И. Менделеев обнаружил, что элементы,
расположенные в порядке возрастания их атомных масс, проявляют закономерность в изменении свойств: элементы, проявляющие сходные свойства, повторяются через определённое число элементов (периодически).
В заключительной главе «Основ химии» Д.И. Менделеев
сформулировал периодический закон: физические и химиче-
ские свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, ими образуемых, стоят в периодической зависимости (образуют периодическую функцию, как
говорят в математике) от их атомного веса.
Более простая формулировка периодического закона:
Свойства химических элементов, а также форма и свойства их химических соединений находятся в периодической
зависимости от величины атомных весов элементов.
Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым
1 марта 1869 года в результате многолетней работы по отысканию принципов систематизации элементов и изучения самых различных их свойств. Над систематизацией химических элементов Д.И. Менделеев работал в течение 15 лет.
В первом издании «Основ химии» (1871) Д.И. Менделеев
писал: «Вся сущность теоретического учения в химии и лежит в отвлечённом понятии об элементах… Главный интерес
химии — в изучении основных качеств элементов…химию в
современном её состоянии можно поэтому назвать учением об
элементах».
Это менделеевское определение химии и её предмета
полностью сохранило всю свою силу и сегодня, а поэтому на
данном этапе изучения химии после более подробного изучения некоторых понятий, касающихся понятий об элемен-
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]