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
тах, можно и нужно отказаться от определения химии, которое давали в свете атомно-молекулярного учения и принять
следующее определение: химия — это наука об элементах и
их соединениях.
Открытие периодического закона явилось завершением
движения мысли химиков — Д.И. Менделеев сумел подняться от особенности к всеобщности в познании химических элементов. Всеобщность — это общая закономерность для всех
элементов. Д.И. Менделеев сделал обобщение, которое связало все естественные группы элементов в одно целое — в одну
систему. Он показал зависимость свойств всех элементов от
величины их атомных масс. Периодическая система хими-
ческих элементов Д.И. Менделеева — это классификация
химических элементов по группам и периодам, представленная как единое целое в виде таблицы. До Д.И. Менделеева хи-
мические элементы разделяли по группам, а он соединил все
группы в целое, объединил все элементы в одну систему.
Помимо атомной массы, главным критерием для занесения элемента в ту или иную группу служили форма и свойства оксида, в котором элемент проявлял высшую валентность по кислороду. Например, в группу галогенов был помещён марганец, так как марганец проявлял такую же высшую
валентность по кислороду, как и галогены и образовывал оксид и гидроксид, сходные по форме и свойствам с оксидом и
гидроксидом галогенов: Cl
которым соответствуют кислородсодержащие кислоты HClO
HMnO
. В XIX веке это сходство элементов (марганца и хлора)
4
, Mn2O7 — кислотные оксиды,
2O7
4,
не могли объяснить, но оно было использовано Д.И. Менделеевым для создания периодической системы.
Объяснение многим вопросам, которая ставила периодическая система в XIX веке, было дано после открытия строения атома.
Краткое содержание, обобщение материала, данного в
§ 35, 36, приводятся в конце главы.
Этапы в истории познания химических элементов
Единичность особенность всеобщность
1-я ступень познания — познание единичности (...до середины XVIII века). Случайно открывались отдельные элементы.
81
2-я ступень познания — познание особенности (с середины XVIII века, а ещё полнее с первых лет XIX века до
1869 года).
В этот период вводятся понятия: валентность, атомный
вес; выделяются группы элементов, например, группа щелочных металлов, группа галогенов, группа двухвалентных элементов и др., обнаруживается правильное (закономерное) изменение некоторых свойств элементов внутри группы.
На этом этапе познания цель химиков — разделение элементов на группы на основании сходства и особенностей, обособляющих одну группу элементов от другой группы.
Li — 7 F — 19
Na
— 23 Cl — 35,5 Mg — 24
— 39 Br — 80 Ca — 40
K
Rb
— 85,4 I — 127 Sr — 87,6
— 133 Ba — 137
Cs
3-я ступень познания — познание всеобщности
(с 1869 года...).
Всеобщность — общая закономерность для всех элементов. До Д.И. Менделеева ученые сравнивали между собой
сходные элементы (сравнение элементов внутри групп).
1 марта 1869 года Д.И. Менделеева осенила блестящая идея,
ставшая ключом всего открытия (поворотным моментом в
истории познания элементов): элементы разных групп надо
сопоставить не по величине валентности, а по величине атомных весов: Cl — 35,5, K — 39,1. Ведь по величине атомных весов
эти элементы так близки, что примыкают друг к другу, несмотря на то, что по химическим свойствам они противоположны.
Д.И. Менделеев обнаружил связь между свойствами и атомными весами элементов разных групп и показал зависимость
свойств всех элементов от величины их атомных весов.
Д.И. Менделеев сделал обобщение, которое связало все естественные группы элементов в одно целое — в одну систему.
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
82
Это обобщение в 1869 году Д.И. Менделеев сформулировал
в виде периодического закона:
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости
от величины атомных весов элементов.
История открытия периодического закона
и периодической системы химических элементов
Li — 7 F — 19
Na — 23 Cl — 35,5 Mg — 24
K — 39 Br — 80 Ca — 40
Rb — 85,4 I — 127 Sr — 87,6
Cs — 133 Ba — 137
Д.И. Менделеев сравнил элементы разных групп не по валентности, а по атомным массам!
A
(Cl) = 35,5 Ar (K) = 39
r
F — 19 Cl — 35,5 Br — 80 I — 127
Li — 7 Na — 23 K — 39,1 Rb — 85,4 Cs — 133
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
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
83
Был еще 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
§ 37. Периодическая система химических элементов
Д.И. Менделеева
Все элементы в периодической системе химических элементов оказались расположенными в порядке возрастания
величины их атомных масс (за некоторым исключением) и
разбитыми на группы и периоды.
Период — это совокупность элементов, расположенных в
порядке постепенного возрастания атомных масс, начинающаяся с типично металлического элемента (щелочного металла) и заканчивающаяся типично неметаллическим элементом (галогеном); заключительный элемент каждого периода — инертный газ. Таким образом, на протяжении каждого
периода проходит вся гамма оттенков в характере элемента от
одного «полюса» свойств (типичная металличность) до противоположного «полюса» свойств (типичная неметалличность)
и до третьего «полюса» (химическая инертность), причём по
пути от первого полюса ко второму мы встретим элементы
промежуточного между металлом и неметаллом характера,
совмещающие в той или иной степени их свойства. Такие элементы можно называть в широком смысле слова амфотерны-
ми (двойственными) — в данном пособии их называют «переходными» элементами. (См. § 33.)
Следовательно, период характеризуется тем, что начинается типичным щелочным металлом, а затем с каждым по-
следующим элементом металлические свойства постепенно
уменьшаются, а неметаллические свойства постепенно возрастают: это проявляется в том, что валентность элементов по
кислороду возрастает на единицу, растворимость оксидов
(основных) и гидроксидов (оснований) уменьшается, затем
идут «переходные» элементы (элементы, через которые осуществляется переход от металлов к неметаллам), оксиды и гидроксиды которых являются амфотерными и которые не рас-
84
творяются в воде, а затем идут элементы, оксиды которых
уже кислотные и им соответствуют кислородсодержащие кислоты, причём растворимость оксидов и кислородсодержащих
кислот постепенно увеличивается, т. е. к концу периода неметаллические свойства усиливаются и ярче всего проявляются
в типичном неметалле-галогене. Заканчивается период
инертным газом, который обладает особыми свойствами, отличающими его от других элементов тем, что он не вступает в
химические реакции с веществами, образованными другими
элементами, при обычных условиях, т. е. он не проявляет ни
свойств металла, ни свойств неметалла.
В периодической системе семь периодов (три первых —
малые периоды, а остальные — большие периоды; названия
«малые» и «большие» периоды получили за соответствующее
число элементов, составляющих периоды). Большие периоды
делятся на ряды: чётные и нечётные. В вариантах периодической системы, которая изучается в школах, период представляет собой горизонтальный ряд элементов, который начинается со щелочного металла и заканчивается инертным газом.
Номера периодов записаны в крайнем левом столбце, а номера рядов в следующем столбце.
Группа — это совокупность элементов, проявляющих в
соединениях одну и ту же высшую валентность и образующих вертикальные столбцы элементов. Номер группы запи-
сан римскими цифрами над группами элементов. В периодической системе элементов восемь групп. Каждая группа делится на главную и побочную подгруппы. Главная
подгруппа — это подгруппа, в которую входят элементы как
больших, так и малых периодов, а побочная подгруппа — это
подгруппа, в которую входят элементы только больших периодов. В главных подгруппах наблюдается закономерность:
с возрастанием атомной массы неметаллические свойства
уменьшаются, а металлические свойства возрастают. При переходе от одного периода к другому свойства элементов резко
меняются: от инертного газа к типичному металлу. А во всей
системе свойства элементов меняются периодически, т. е. элементы со сходными свойствами (составляющие главные подгруппы, например) обнаруживаются в системе через определённое число элементов.
85
Глава 6
Строение атома. Периодический закон
и периодическая система химических
элементов Д.И. Менделеева в свете теории
строения атома
§ 38. Состав атома
Состав атома: атом состоит из ядра и электронов, совершающих сложные движения вокруг ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон — это положительно заряженная
частица с зарядом +1, с массой 1 а.е.м.; нейтрон — это нейтральная частица с массой 1 а.е.м. Электрон — это частица,
которая имеет заряд –1 и очень маленькую массу 1/1840
а.е.м.
Название частицы Заряд Масса Обозначение
Протон +1 1 а.е.м. +, р, Н
Нейтрон 0 1 а.е.м. n
Электрон –1 1/1840 а.е.м. e
+
Заряд ядра определяется числом протонов, содержащихся в ядре. Масса атома определяется числом протонов и нейтронов, так как масса электронов настолько мала, что её не
учитывают, когда говорят о массе атома. После создания теории строения атома было установлено, что порядковый номер
элемента в периодической системе Д.И. Менделеева показывает: 1) заряд ядра атома, 2) число протонов и 3) число элек-
тронов. Поскольку число протонов и электронов в атоме одинаковы, атом — электрически нейтральная частица, так как
общий положительный заряд всех протонов нейтрализуется
общим отрицательным зарядом всех электронов.
Химический элемент — это вид атомов с одинаковым
зарядом ядра.
После создания теории строения атома было также установлено, что элементы в периодической системе Д.И. Менделеева расположены в порядке возрастания зарядов их атомных ядер, а поэтому периодический закон формулируется
так: свойства элементов, а также формы и свойства их соеди-
86
нений находятся в периодической зависимости от величины
зарядов их атомных ядер.
При дальнейшем изучении элементов обнаружили, что
атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы.
Выяснили, что причиной этому является разный состав ядра
атомов. Атомы одного и того же элемента в составе ядра имеют одно и то же число протонов, но могут иметь разное число
нейтронов, что и является причиной разных атомных масс.
Изотопы — это атомы одного и того же элемента, имеющие разные массы.
Изотопы водорода
Атом водорода Н
Заряд ядра +1 +1 +1
Состав
ядра
Относительная атомная масса A
Число протонов 1 1 1
Число нейтронов 0 1 2
r
123
Относительные атомные массы, которые записаны в периодической системе Д.И. Менделеева, представляют собой
среднюю относительную атомную массу всех изотопов данного химического элемента с учётом их доли в природе.
§ 39. Строение электронных оболочек атомов
При рассмотрении свойств элементов, размещённых в периодической системе Д.И. Менделеева по периодам и группам
возникали вопросы, на которые в то время не было ответов:
почему наблюдается изменение свойств элементов, в периодах — постепенное, а при переходе от одного периода к дру-
гому — резкое, а во всей системе — периодическое? Чтобы
ответить на эти и на ряд других вопросов недостаточно знать
общее число электронов, нужно выяснить, как они расположены в атомах элементов. Проникнуть в тайну распределения электронов в атомах помогли физические методы исследования строения атома. Учёные физики установили, что
электроны размещаются на различных расстояниях от атомного ядра и образуют электронные слои, называемые ещё
электронными оболочками или энергетическими уровнями.
Физики определили также, что номер периода в периодической системе показывает число энергетических уровней в
87
атоме, причём в каждом энергетическом уровне содержится
строго определённое число электронов. Энергетические уровни нумеруют, начиная от самого близкого к ядру: (n — номер
энергетического уровня) n
= 1, n = 2, n = 3 и т. д. В атоме раз-
личают внутренние слои (внутренние энергетические уров-
ни) и наружный (внешний) слой (внешний энергетический
уровень). Другой важный вывод, который сделали физики,
заключался в возможности вычислить максимально возможное число электронов, которое может содержаться на внутренних энергетических уровнях. Оказалось, что оно определяется
по формуле 2n
2
, где n — номер энергетического уровня. Далее
нам потребуется знать следующие понятия: завершённый внутренний слой и завершённый наружный слой.
Завершённый внутренний электронный слой (завершённый внутренний энергетический уровень) — это электронный слой, в котором число электронов соответствует
формуле 2n
2
.
Завершённый наружный электронный слой — это электронный слой, в котором содержится 8 электронов (иногда 2
электрона).
Было найдено, что по номеру группы можно определить:
1) число электронов на внешнем слое атомов элементов
главных подгрупп;
2) число валентных электронов в атомах элементов как
главных, так и побочных подгрупп;
3) высшую валентность элементов главных и побочных
подгрупп;
4) высшую положительную степень окисления (о степени
окисления будет сказано позже).
Строение атома можно показать, используя условные
схемы строения атома. В этих схемах по сути показана клас-
сификация электронов на основании запаса энергии электронов. Электроны, обладающие определенным запасом энергии,
составляют энергетический уровень, который на схеме показывают в виде дуги. Составим условную схему строения атома
натрия, используя наши знания о положении натрия в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева:
натрий в периодической системе Д.И. Менделеева имеет порядковый номер 11, расположен в третьем периоде, в первой
группе, главной подгруппе. Порядковый номер натрия –11,
следовательно, заряд ядра атома натрия +11 и 11 электронов
совершают сложные движения вокруг ядра. 11 электронов
размещены на трёх энергетических уровнях, так как натрий
88
находится в третьем периоде. На внешнем слое атома натрия
один электрон (натрий — в главной подгруппе первой группы), а на внутренних энергетических уровнях число электронов определяем по формуле 2n
2
.
Na
n
=1 n=2 n=3
+11 ) ) )
2 8 1
А теперь, используя наши даже небольшие знания о строе-
нии атома и о физических значениях порядкового номера элемента, номера периода, номера группы, составим условные
схемы атомов элементов первых трёх периодов. Проверить
правильность составления условных схем строения атомов
элементов первых трёх периодов можно по табл. 9.
Внимательно изучив составленную табл. 9, можно сделать
выводы о причинах изменения свойств в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева в свете теории
строения атомов:
— причина постепенного ослабления металлических
свойств и постепенного усиления неметаллических свойств в
периоде заключается в увеличении на 1 электрон в наружном
слое атома каждого последующего элемента;
— причина резкого, скачкообразного изменения свойств эле-
ментов при переходе от одного периода к другому заключается в
образовании нового слоя и, следовательно, в резкой разнице в
числе электронов в наружном слое соседних атомов (8 электронов у инертных газов и 1 электрон у щелочных металлов);
— причина наличия сходных свойств у элементов, относя-
щихся к одной и той же главной подгруппе, заключается в
том, что атомы элементов, составляющих главную подгруппу, имеют одинаковое число электронов на наружном слое;
— причина периодического изменения свойств элементов
при рассмотрении их в порядке возрастания зарядов атомных
ядер заключается в том, что элементы, атомы которых име-
ют одинаковое число электронов на наружном слое, встречаются через определённое число элементов, т. е. периодически — это объяснение периодического закона с точки зрения
строения атомов.
Элементы-металлы, расположенные в начале периодов,
имеют 1, 2, 3 электрона на наружном слое атомов.
Элементы-неметаллы, расположенные в главных под-
группах 4–7 групп, имеют от 4 до 7 электронов на наружном
слое атомов.
89
Условные схемы строения атомов элементов малых периодов.
I II III IV
1 Н
n=1
)
+1
1
1s
3 Li
n=1 n=2
+3 ) )
2 1
1s2 2s
1
1
I
Li
O
основный оксид
2
I
LiOH
основание
4 Be
n=1 n=2
+4 ) )
2 2
1s2 2s
2
I
BeO
амфотерный
оксид
II II
Be(OH)
, H2BeO
2
амфотерный
гидроксид
5 B
n=1 n=2
+5 ) )
2 3
1s2 2s22p
1
III
B
кислотный оксид
2
2O3
III
H
3BO3
кислота
6 C
n=1 n=2
+6 ) )
2 4
1s2 2s22p2
кислотный оксид
H2CO
кислота
IV
CO
IV
2
3
_ _ _
11 Na
n=1 n=2 n=3
+11 ) ) )
2 8 1
1s2 2s22p6 3s
I
Na2O
основный оксид
I
NaOH
основание
__ _
12 Mg
n=1 n=2 n=3
+12 ) ) )
2 8 2
1
1s2 2s22p6 3s
II
MgO
основный оксид
II
Mg(OH)
основание
13 Al
n=1 n=2 n=3
+13 ) ) )
2 8 3
2
1s2 2s22p6 3s23p
амфотерный оксид
III III
Al(OH)
2
амфотерный
90
III
Al2O
3
, H3AlO
3
гидроксид
14 Si
n=1 n=2 n=3
+14 ) ) )
2 8 4
1
1s2 2s22p6 3s23p
кислотный оксид
3
H
кислота
SiH
CH
SiO
IV
IV
IV
SiO
2
IV
4
2
2
3
4
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]