И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 5
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3/2006

Периодический закон и система химических элементов Д.И.Менделеева

План

1. История открытия периодического закона и системы химических элементов Д.И.Менделеева.

2. Периодический закон в формулировке Д.И.Менделеева.

3. Современная формулировка периодического закона.

4. Значение периодического закона и системы химических элементов Д.И.Менделеева.

5. Периодическая система химических элементов – графическое отражение периодического закона. Строение периодической системы: периоды, группы, подгруппы.

6. Зависимость свойств химических элементов от строения их атомов.

1 марта (по новому стилю) 1869 г. считается датой открытия одного из важнейших законов химии – периодического закона. В середине XIX в. было известно 63 химических элемента, и возникла потребность в их классификации. Попытки такой классификации предпринимали многие ученые (У.Одлинг и Дж.А.Р.Ньюлендс, Ж.Б.А.Дюма и А.Э.Шанкуртуа, И.В.Деберейнер и Л.Ю.Мейер), но лишь Д.И.Менделееву удалось увидеть определенную закономерность, расположив элементы в порядке возрастания их атомных масс. Эта закономерность имеет периодический характер, поэтому Менделеев сформулировал открытый им закон следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины атомной массы элемента.

Д.И.Менделеев (1834–1907)

В системе химических элементов, предложенной Менделеевым, был ряд противоречий, которые сам автор периодического закона устранить не смог (аргон–калий, теллур–йод, кобальт–никель). Лишь в начале XX в., после открытия строения атома, был объяснен физический смысл периодического закона и появилась его современная формулировка: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Такую формулировку подтверждает и наличие изотопов, химические свойства которых одинаковы, хотя атомные массы различны.

Периодический закон – один из основных законов природы и важнейший закон химии. С открытия этого закона начинается современный этап развития химической науки. Хотя физический смысл периодического закона стал понятен только после создания теории строения атома, сама эта теория развивалась на основе периодического закона и системы химических элементов. Закон помогает ученым создавать новые химические элементы и новые соединения элементов, получать вещества с нужными свойствами. Сам Менделеев предсказал существование 12 элементов, которые в то время еще не были открыты, и определил их положение в периодической системе. Свойства трех из этих элементов он подробно описал, и при жизни ученого эти элементы были открыты («экабор» – галлий, «экаалюминий» – скандий, «экасилиций» – германий). Кроме того, периодический закон имеет большое философское значение, подтверждая наиболее общие законы развития природы.

Графическим отражением периодического закона является периодическая система химических элементов Менделеева. Существует несколько форм периодической системы (короткая, длинная, лестничная (предложена Н.Бором), спиралеобразная). В России наибольшее распространение получила короткая форма. Современная периодическая система содержит 110 открытых на сегодняшний день химических элементов, каждый из которых занимает определенное место, имеет свой порядковый номер и название. В таблице выделяют горизонтальные ряды – периоды (1–3 – малые, состоят из одного ряда; 4–6 – большие, состоят из двух рядов; 7-й период – незавершенный). Кроме периодов выделяют вертикальные ряды – группы, каждая из которых подразделяется на две подгруппы (главную – а и побочную – б). Побочные подгруппы содержат элементы только больших периодов, все они проявляют металлические свойства. Элементы одной подгруппы имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек, что обусловливает их схожие химические свойства.

Лестничная форма периодической системы элементов Д.И.Менделеева

Период – это последовательность элементов (от щелочного металла до инертного газа), атомы которых имеют одинаковое число энергетических уровней, равное номеру периода.

Длинная форма периодической системы элементов Д.И.Менделеева

Главная подгруппа – это вертикальный ряд элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне. Это число равно номеру группы (кроме водорода и гелия).

Все элементы в периодической системе разделяются на 4 электронных семейства (s-, p-, d-,
f-элементы) в зависимости от того, какой подуровень в атоме элемента заполняется последним.

Побочная подгруппа – это вертикальный ряд d-элементов, имеющих одинаковое суммарное число электронов на d-подуровне предвнешнего слоя и s-подуровне внешнего слоя. Это число обычно равно номеру группы.

Важнейшими свойствами химических элементов являются металличность и неметалличность.

Металличность – это способность атомов химического элемента отдавать электроны. Количественной характеристикой металличности является энергия ионизации.

Энергия ионизации атома – это количество энергии, которое необходимо для отрыва электрона от атома элемента, т. е. для превращения атома в катион. Чем меньше энергия ионизации, тем легче атом отдает электрон, тем сильнее металлические свойства элемента.

Неметалличность – это способность атомов химического элемента присоединять электроны. Количественной характеристикой неметалличности является сродство к электрону.

Сродство к электрону – это энергия, которая выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому, т. е. при превращении атома в анион. Чем больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон, тем сильнее неметаллические свойства элемента.

Универсальной характеристикой металличности и неметалличности является электроотрицательность (ЭО) элемента.

ЭО элемента характеризует способность его атомов притягивать к себе электроны, которые участвуют в образовании химических связей с другими атомами в молекуле.

Чем больше металличность, тем меньше ЭО.

Чем больше неметалличность, тем больше ЭО.

При определении значений относительной ЭО по шкале Полинга за единицу принята ЭО атома лития (ЭО(Li) = 1); самым электроотрицательным элементом является фтор (ЭО(F) = 4).

В малых периодах от щелочного металла к инертному газу:

• заряд ядер атомов увеличивается;

• число энергетических уровней не изменяется;

• число электронов на внешнем уровне увеличивается от 1 до 8;

• радиус атомов уменьшается;

• прочность связи электронов внешнего слоя с ядром увеличивается;

• энергия ионизации увеличивается;

• сродство к электрону увеличивается;

• ЭО увеличивается;

• металличность элементов уменьшается;

• неметалличность элементов увеличивается.

Все d-элементы данного периода похожи по своим свойствам – все они являются металлами, имеют мало различающиеся радиусы атомов и значения ЭО, поскольку содержат одинаковое число электронов на внешнем уровне (например, в 4-м периоде – кроме Cr и Cu).

В главных подгруппах сверху вниз:

•  число энергетических уровней в атоме увеличивается;

• число электронов на внешнем уровне одинаково;

• радиус атомов увеличивается;

• прочность связи электронов внешнего уровня с ядром уменьшается;

• энергия ионизации уменьшается;

• сродство к электрону уменьшается;

• ЭО уменьшается;

•  металличность элементов увеличивается;

•  неметалличность элементов уменьшается.

(Возможно несколько правильных ответов)

1. Среди всех элементов главной подгруппы I группы элемент литий обладает:

а) наиболее выраженными металлическими свойствами;

б) самой маленькой плотностью;

в) самой большой относительной атомной массой;

г) наименьшим радиусом атома.

2. Гипотетическая формула высшего оксида 115-го элемента периодической системы может иметь вид:

а) ЭО₂; б) Э₂О₅; в) ЭО₄; г) Э₂О₁₁₅.

3. Порядковый номер элемента с наибольшей электроотрицательностью в 4 группе периодической системы:

а) 6; б) 72; в) 82; г) 12.

4. Сколько энергетических уровней заполнено электронами в ионе калия?

а) 4; б) 3; в) 6; г) 5.

5. При сгорании 1,86 г органического вещества образовалось 3,96 г углекислого газа и 0,54 г воды. Сколько всего атомов содержит молекула этого соединения, если известно, что его молярная масса меньше 200 г/моль?

а) 3; б) 2; в) 15; г) 13.

6. В каких рядах химические элементы перечислены не в порядке уменьшения их атомных радиусов?

а) Ca, Mg, Be; б) S, Cl, Br;

в) Li, Na, K; г) B, Be, Li.

7. В порядке возрастания энергии ионизации расположены следующие элементы:

а) Na, Mg, Al, Si; б) Na, Mg, Ca, Si;

в) Na, Ca, Mg, Si; г) Si, Al, Mg, Na.

8. По происхождению (этимологии) названий «лишним» в перечне элементов будет:

а) селен; б) теллур; в) ниобий; г) церий.

9. Одинаковое по абсолютной величине, но разное по знаку значение степени окисления в летучем водородном соединении и в высшем оксиде имеет элемент:

а) бор; б) азот; в) сера; г) углерод.

10. Свойства высших оксидов элементов 3-го периода изменяются следующим образом:

а) амфотерные, основные, кислотные;

б) основные, кислотные, амфотерные;

в) основные, амфотерные, кислотные;

г) кислотные, амфотерные, основные.

Ключ к тесту

Задачи на изотопы

Уровень А

1. Рассчитать изотопный состав (в %) водорода (средняя относительная атомная масса A_r = 1,008) и лития (A_r = 6,9), предполагая, что каждый элемент состоит только из двух изотопов, относительные атомные массы которых отличаются на единицу.

Ответ. Водород: ¹Н – 99,2% и ²Н – 0,8%;
литий: ⁶Li – 10% и ⁷Li – 90%.

2. Относительная атомная масса природного водорода составляет 1,00797. Этот водород является смесью изотопов протия (A_r = 1,00782) и дейтерия (A_r = 2,0141). Какой процент дейтерия в природном водороде?

Ответ. 0,015%.

3. Среди приведенных символов элементов укажите изотопы и изобары:

Ответ. У изотопов одинаковые химические символы,
у изобаров одинаковые атомные массы.

4. Природный литий (A_r = 6,9) состоит из изотопов с массовыми числами 6 и 7. Сколько процентов первого изотопа* он содержит?

Ответ. 10%.

5. Масса атома изотопа магния равна 4,15•10^–23 г. Определите число нейтронов, которое содержит ядро этого атома.

Ответ. 13.

6. Медь имеет два изотопа с массовыми числами 63 и 65. Массовая доля их в природной меди составляет соответственно 73% и 27%. На основании этих данных рассчитайте среднюю относительную атомную массу природной меди.

Дано:

(⁶³Cu) = 73%,

(⁶⁵Cu) = 27%.

Найти:

A_r(Cu).

Решение

Пусть m(образца) = 100 г, тогда m(⁶³Cu) = 73 г; m(⁶⁵Cu) = 27 г.

Ответ. 63,54.

7. Средняя относительная атомная масса природного хлора равна 35,45. Вычислите массовые доли двух его изотопов, имеющих массовые числа 35 и 37.

Ответ. 77,5% и 22,5%.

8. Определите относительную атомную массу бора, если известны массовые доли его изотопов
(¹⁰В) = 19,6% и (¹¹В) = 80,4%.

Ответ. 10,804.

9. Литий состоит из двух природных изотопов с массовыми числами 6 (₁ = 7,52%) и
7 (₂ = 92,48%). Рассчитайте относительную атомную массу лития.

Ответ. 6,9248.

10. Рассчитайте относительную атомную массу кобальта, если известно, что в природе существуют два его изотопа: с массовыми числами 57 (₁ = 0,17%) и 59 (₂ = 99,83%).

Ответ. 58,9966.

11. Относительная атомная масса бора составляет 10,811. Определите процентное содержание в природном боре изотопов с массовыми числами 10 и 11.

Ответ. 18,9% и 81,1%.

12. Галлий имеет два природных изотопа с массовыми числами 69 и 71. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если относительная атомная масса элемента 69,72.

Ответ. 1,78:1.

13. Природный бром имеет два изотопа с массовыми числами 79 и 81. Относительная атомная масса брома 79,904. Определите массовую долю каждого из изотопов в природном броме.

Ответ. 54,8% и 45,2%.

Уровень Б

1. Кремний имеет три стабильных изотопа – ³⁰Si (3,05 %(мол.)), ²⁹Si и ²⁸Si. Вычислите содержание (в %(мол.)) самого распространенного изотопа кремния. Как будут отличаться молярные массы диоксида кремния, имеющего разный изотопный состав, если учесть, что кислород имеет три стабильных изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18?

Ответ. 94,55%;
18 видов молекул диоксида кремния.

2. Образец состоит из смеси двух изотопов одного элемента; 30% составляет изотоп, в ядре атома которого – 18 нейтронов; 70% составляет изотоп, в ядре атома которого – 20 нейтронов. Определите порядковый номер элемента, если средняя относительная атомная масса элемента в смеси изотопов составляет 36,4.

Ответ. 17.

3. Химический элемент состоит из двух изотопов. В ядре атома первого изотопа – 10 протонов и 10 нейтронов. В ядре атома второго изотопа – нейтронов на 2 больше. На 9 атомов более легкого изотопа приходится один атом более тяжелого изотопа. Вычислите среднюю относительную атомную массу элемента.

Ответ. 20,2.

4. Изотоп ¹³⁷Cs имеет период полураспада 29,7 лет. 1 г этого изотопа прореагировал со взрывом с избытком воды. Каков период полураспада цезия в образовавшемся соединении? Ответ обоснуйте.

Ответ. T_1/2 = 29,7 лет.

5. Через сколько лет количество радиоактивного стронция-90 (период полураспада 27 лет), выпавшего с радиоактивными осадками в результате ядерного взрыва, станет менее 1,5% от того количества, которое было обнаружено в момент после ядерного взрыва?

Ответ. 163,35 лет.

6. В методе меченых атомов радиоактивные изотопы используют для того, чтобы «проследить маршрут» некоторого элемента в организме. Так, пациенту с больной поджелудочной железой вводят препарат радиоактивного изотопа йода-131 (претерпевает ^–-распад), что позволяет врачу проследить за прохождением йода по организму больного. Напишите уравнение радиоактивного распада и рассчитайте, через какое время количество радиоактивного йода, введенного в организм, уменьшится в 10 раз (период полураспада 8 сут).

Ответ.

7. Сколько времени потребуется для того, чтобы три четверти никеля превратились в медь в результате ^–-распада, если период полураспада изотопа ⁶³₂₈Ni составляет 120 лет?

Дано:

T_1/2(⁶³₂₈Ni) = 120 лет.

Найти: .

Решение

Ответ. 240 лет.

8. Найдите массу изотопа ⁸¹Sr (период полураспада 8,5 ч), оставшуюся после 25,5 ч хранения, если первоначальная масса составляла 200 мг.

Ответ. 25 мг.

9. Вычислите процент атомов изотопа ¹²⁸I (период полураспада 25 мин), оставшихся нераспавшимися после его хранения в течение 2,5 ч.

Ответ. 1,5625%.

10. Период полураспада ^–-радиоактивного изотопа ²⁴Na равен 14,8 ч. Напишите уравнение реакции распада и вычислите, сколько граммов дочернего продукта образуется из 24 г этого изотопа за 29,6 ч.

Ответ.

11. Изотоп ²¹⁰Ро, излучающий -частицы, используется в смеси с бериллием в нейтронных источниках. Через какое время интенсивность таких источников уменьшится в 32 раза? Период полураспада изотопа равен 138 дням.

Ответ. 690 сут.

Упражнения на ядерные реакции

1. Сколько - и ^–-частиц должно было потерять ядро ²²⁶Ra для получения дочернего элемента с массовым числом 206, принадлежащего IV группе периодической системы элементов? Назовите этот элемент.

Ответ. 5, 4^–, ²⁰⁶₈₂Pb.

2. Ядро атома изотопа ²³⁸₉₂U в результате радиоактивного распада превратилось в ядро ²²⁶₈₈Ra. Сколько - и ^–-частиц испустило при этом исходное ядро?

Ответ. 3, 2^–.

3. Изотоп ⁹Be, поглощая одну -частицу и испуская нейтрон, превращается в изотоп другого элемента. Какой элемент образуется? Напишите уравнение ядерной реакции.

Ответ. Образуется изотоп ¹²С по уравнению ядерной реакции:

4. Атомы ²³⁸U испускают -частицы. Получающиеся при этом атомы другого элемента испускают
^–-частицы, при этом образуются атомы нового элемента, испускающие ^–-частицы. Определите, изотоп какого элемента образуется в результате этих последовательных превращений.

Ответ. ²³⁴₉₂U.

5. Первой в истории искусственной ядерной реакцией была реакция изотопа ¹⁴N с -частицами, получаемыми при распаде ²¹⁰Po. В результате ядерной реакции азот превратился в изотоп кислорода ¹⁷О. Напишите уравнения происходящих ядерных превращений.

Ответ. .

* В настоящее время в научной литературе для обозначения вида атомов с определенным числом в его ядре протонов и нейтронов используется термин «нуклид». Нуклиды одного элемента – это изотопы. Использовать термин «изотоп» в единственном числе ИЮПАП и ИЮПАК не рекомендуют. – Прим. ред.