Страница 262 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.93. Дан перечень элементов: Mg, S, О, Si, С. Расположите все элементы в порядке уменьшения радиуса атома.

Для того чтобы расположить химические элементы в порядке уменьшения радиуса атома, необходимо воспользоваться периодической таблицей элементов Д.И. Менделеева и знанием закономерностей изменения атомных радиусов.

Основные закономерности изменения радиусов атомов:
1. В пределах одного периода (горизонтального ряда) с увеличением порядкового номера (слева направо) радиус атома уменьшается. Это связано с тем, что заряд ядра растет, а число электронных слоев остается неизменным, что приводит к более сильному притяжению электронов к ядру.
2. В пределах одной группы (вертикального столбца) с увеличением порядкового номера (сверху вниз) радиус атома увеличивается. Это происходит из-за увеличения числа электронных слоев.

Рассмотрим положение данных элементов в периодической системе:
- Mg (магний) — 3-й период, 2-я группа.
- Si (кремний) — 3-й период, 14-я группа.
- S (сера) — 3-й период, 16-я группа.
- C (углерод) — 2-й период, 14-я группа.
- O (кислород) — 2-й период, 16-я группа.

Сначала сравним элементы, находящиеся в одном периоде.
- Элементы 3-го периода: Mg, Si, S. Двигаясь слева направо по периоду, радиус уменьшается. Следовательно, ряд по уменьшению радиуса для них будет: $Mg > Si > S$.
- Элементы 2-го периода: C, O. Аналогично, двигаясь слева направо по периоду, радиус уменьшается: $C > O$.

Теперь сравним элементы из разных периодов. Атомы элементов 3-го периода (Mg, Si, S) имеют три электронных слоя, а атомы элементов 2-го периода (C, O) имеют два электронных слоя. Поэтому радиусы атомов элементов 3-го периода в целом больше, чем радиусы атомов элементов 2-го периода.

Объединяя полученные результаты, мы можем составить общий ряд уменьшения радиуса атома. Сначала идут элементы 3-го периода в порядке убывания радиуса, а затем элементы 2-го периода в порядке убывания радиуса.

Таким образом, итоговый порядок расположения элементов по мере уменьшения их атомного радиуса следующий: $Mg > Si > S > C > O$.

Ответ: Mg, Si, S, C, O.

10.94. Дан перечень элементов: Al, Na, О, Не, К. Расположите все элементы в порядке увеличения первой энергии ионизации атома.

Для того чтобы расположить элементы в порядке увеличения первой энергии ионизации, необходимо проанализировать их положение в Периодической системе химических элементов и учесть общие закономерности изменения этого свойства. Первая энергия ионизации — это энергия, необходимая для отрыва самого слабо связанного электрона от нейтрального атома в его основном состоянии.

В общем случае, энергия ионизации увеличивается при движении по периоду слева направо (из-за роста заряда ядра и уменьшения радиуса атома) и уменьшается при движении по группе сверху вниз (из-за увеличения радиуса атома и эффекта экранирования).

Расположим данные элементы (Al, Na, O, He, K) в Периодической системе:
- K (Калий): 4-й период, 1-я группа.
- Na (Натрий): 3-й период, 1-я группа.
- Al (Алюминий): 3-й период, 13-я группа.
- O (Кислород): 2-й период, 16-я группа.
- He (Гелий): 1-й период, 18-я группа.

Применяя закономерности, сравним элементы:

У Калия (K) самая низкая энергия ионизации. Он находится в той же группе, что и натрий, но на один период ниже, что означает больший радиус атома и более легкий отрыв валентного электрона.

Далее следует Натрий (Na). Его энергия ионизации выше, чем у калия, но ниже, чем у алюминия, так как алюминий находится в том же периоде, но правее.

Энергия ионизации Алюминия (Al) выше, чем у натрия, из-за увеличения заряда ядра в пределах одного периода.

Кислород (O) находится во 2-м периоде. Атомы этого периода значительно меньше атомов 3-го периода (Na, Al), поэтому их электроны притягиваются к ядру сильнее. Следовательно, энергия ионизации у кислорода будет выше, чем у предыдущих трех элементов.

Гелий (He) имеет самую высокую энергию ионизации. Это инертный газ с полностью завершенной и очень стабильной электронной оболочкой. Он находится в верхнем правом углу Периодической таблицы, что соответствует максимальному значению энергии ионизации среди всех элементов.

Таким образом, итоговая последовательность элементов в порядке возрастания их первой энергии ионизации выглядит следующим образом: K, Na, Al, O, He.

Ответ: K, Na, Al, O, He.

10.95. Дан перечень элементов: Li, F, Si, Р, Cl. Расположите все элементы в порядке увеличения электроотрицательности.

Решение

Электроотрицательность — это фундаментальное химическое свойство атома, характеризующее его способность притягивать к себе электроны от других атомов в химической связи. Для определения порядка увеличения электроотрицательности элементов необходимо проанализировать их положение в периодической системе Д.И. Менделеева.

Общие закономерности изменения электроотрицательности в периодической системе:

• В периоде (горизонтальном ряду) с увеличением порядкового номера (слева направо) электроотрицательность элементов возрастает. Это связано с увеличением заряда ядра при почти неизменном радиусе атома.
• В главной подгруппе (вертикальном столбце) с увеличением порядкового номера (сверху вниз) электроотрицательность элементов уменьшается. Это происходит из-за увеличения числа электронных слоев и, следовательно, атомного радиуса, что ослабляет притяжение валентных электронов к ядру.

Расположим данные элементы в соответствии с их положением в периодической системе:

• $Li$ (Литий) — 2-й период, 1-я группа.
• $F$ (Фтор) — 2-й период, 17-я группа.
• $Si$ (Кремний) — 3-й период, 14-я группа.
• $P$ (Фосфор) — 3-й период, 15-я группа.
• $Cl$ (Хлор) — 3-й период, 17-я группа.

Теперь сравним их электроотрицательность, следуя указанным закономерностям:

1. Литий ($Li$) — щелочной металл, находится в самом начале периода. Металлы обладают низкой электроотрицательностью. Среди данных элементов у лития она будет наименьшей.
2. Элементы 3-го периода ($Si$, $P$, $Cl$) расположены в порядке возрастания номера группы (14, 15, 17). Следовательно, их электроотрицательность увеличивается в ряду: $Si < P < Cl$.
3. Фтор ($F$) и хлор ($Cl$) находятся в одной группе (галогены), но в разных периодах. Так как фтор расположен выше хлора, его электроотрицательность значительно выше. Фтор является самым электроотрицательным из всех химических элементов, поэтому в данном ряду он будет последним.

Объединяя все выводы, мы можем выстроить элементы в единый ряд по возрастанию их электроотрицательности. Начинаем с элемента с самой низкой электроотрицательностью ($Li$), затем идут элементы 3-го периода в порядке возрастания их свойства, и завершает ряд самый электроотрицательный элемент ($F$).

Получаем следующую последовательность:

$Li \rightarrow Si \rightarrow P \rightarrow Cl \rightarrow F$

Ответ: $Li, Si, P, Cl, F$.

10.96. Дан перечень элементов: S, Na, Al, Р, В. Расположите все элементы в порядке уменьшения электроотрицательности.

Решение

Для того чтобы расположить химические элементы в порядке уменьшения электроотрицательности, необходимо проанализировать их положение в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Электроотрицательность — это способность атома в химическом соединении притягивать к себе электроны. В Периодической системе существуют общие закономерности изменения электроотрицательности:

1. В периоде (горизонтальный ряд) с увеличением порядкового номера элемента (слева направо) электроотрицательность возрастает, так как увеличивается заряд ядра и уменьшается радиус атома.

2. В главной подгруппе (вертикальный столбец) с увеличением порядкового номера (сверху вниз) электроотрицательность уменьшается, так как увеличивается число электронных слоев и радиус атома.

Проанализируем положение данных элементов ($S, Na, Al, P, B$) в Периодической системе:

Бор ($B$) — 2-й период, 13-я группа (IIIA).
Натрий ($Na$) — 3-й период, 1-я группа (IA).
Алюминий ($Al$) — 3-й период, 13-я группа (IIIA).
Фосфор ($P$) — 3-й период, 15-я группа (VA).
Сера ($S$) — 3-й период, 16-я группа (VIA).

Большинство элементов ($Na, Al, P, S$) находятся в одном, 3-м периоде. Расположим их в порядке уменьшения электроотрицательности, двигаясь по периоду справа налево: сера является самой электроотрицательной, так как находится правее всех, а натрий — наименее, так как находится левее всех. Таким образом, для элементов 3-го периода ряд будет следующим: $S > P > Al > Na$.

Теперь определим место бора ($B$) в этом ряду. Бор находится во 2-м периоде, над алюминием ($Al$), который расположен в 3-м периоде. Так как оба элемента находятся в одной группе (13-й), а электроотрицательность в группе уменьшается сверху вниз, то бор более электроотрицателен, чем алюминий: $B > Al$.

Сравним бор ($B$) с фосфором ($P$). Фосфор находится в 3-м периоде и 15-й группе, а бор — во 2-м периоде и 13-й группе. Движение вправо по периоду (от 13-й к 15-й группе) приводит к более значительному увеличению электроотрицательности, чем ее уменьшение при переходе на один период вниз. Следовательно, фосфор более электроотрицателен, чем бор: $P > B$.

Таким образом, бор ($B$) по значению электроотрицательности находится между фосфором ($P$) и алюминием ($Al$).

Итоговый ряд расположения элементов в порядке уменьшения их электроотрицательности выглядит так: Сера ($S$) > Фосфор ($P$) > Бор ($B$) > Алюминий ($Al$) > Натрий ($Na$).

Ответ: $S, P, B, Al, Na$.

10.97. Когда электрон в атоме переходит с более низкого уровня энергии на более высокий, энергия поглощается. В результате какого из электронных переходов, представленных на рисунке, в атоме водорода поглощается наибольшее количество энергии?

Дано:

Схема энергетических уровней атома водорода.
Электронные переходы с поглощением энергии:
A: с начального уровня $n_i = 2$ на конечный уровень $n_f = 3$
B: с начального уровня $n_i = 1$ на конечный уровень $n_f = 2$
C: с начального уровня $n_i = 1$ на конечный уровень $n_f = 4$
D: с начального уровня $n_i = 2$ на конечный уровень $n_f = 4$

Найти:

Переход, которому соответствует наибольшее количество поглощенной энергии $\Delta E_{max}$.

Решение:

Согласно постулатам Бора, когда электрон в атоме переходит с более низкого энергетического уровня $E_i$ на более высокий $E_f$, он поглощает фотон. Энергия этого фотона $\Delta E$ равна разности энергий конечного и начального уровней.

$\Delta E = E_f - E_i$

Энергия электрона на $n$-ом стационарном уровне в атоме водорода вычисляется по формуле:

$E_n = -\frac{E_0}{n^2}$

где $E_0$ — это энергия ионизации атома водорода из основного состояния (положительная постоянная величина), а $n$ — главное квантовое число, соответствующее номеру уровня.

Таким образом, энергия, поглощаемая при переходе электрона с уровня $n_i$ на уровень $n_f$, равна:

$\Delta E = E_{n_f} - E_{n_i} = \left(-\frac{E_0}{n_f^2}\right) - \left(-\frac{E_0}{n_i^2}\right) = E_0 \left(\frac{1}{n_i^2} - \frac{1}{n_f^2}\right)$

Для определения перехода с максимальным поглощением энергии необходимо рассчитать $\Delta E$ для каждого из четырех случаев, указанных на схеме.

1. Переход A (с уровня 2 на уровень 3):
$\Delta E_A = E_0 \left(\frac{1}{2^2} - \frac{1}{3^2}\right) = E_0 \left(\frac{1}{4} - \frac{1}{9}\right) = E_0 \left(\frac{9-4}{36}\right) = \frac{5}{36}E_0$

2. Переход B (с уровня 1 на уровень 2):
$\Delta E_B = E_0 \left(\frac{1}{1^2} - \frac{1}{2^2}\right) = E_0 \left(1 - \frac{1}{4}\right) = \frac{3}{4}E_0$

3. Переход C (с уровня 1 на уровень 4):
$\Delta E_C = E_0 \left(\frac{1}{1^2} - \frac{1}{4^2}\right) = E_0 \left(1 - \frac{1}{16}\right) = \frac{15}{16}E_0$

4. Переход D (с уровня 2 на уровень 4):
$\Delta E_D = E_0 \left(\frac{1}{2^2} - \frac{1}{4^2}\right) = E_0 \left(\frac{1}{4} - \frac{1}{16}\right) = E_0 \left(\frac{4-1}{16}\right) = \frac{3}{16}E_0$

Теперь необходимо сравнить полученные значения энергий. Для удобства можно привести дроби к десятичному виду:

$\Delta E_A = \frac{5}{36}E_0 \approx 0.139 E_0$
$\Delta E_B = \frac{3}{4}E_0 = 0.75 E_0$
$\Delta E_C = \frac{15}{16}E_0 = 0.9375 E_0$
$\Delta E_D = \frac{3}{16}E_0 = 0.1875 E_0$

Сравнивая числовые коэффициенты перед $E_0$, видим, что наибольшее значение соответствует переходу C:

$0.9375 > 0.75 > 0.1875 > 0.139$

Следовательно, поглощенные энергии упорядочены следующим образом: $\Delta E_C > \Delta E_B > \Delta E_D > \Delta E_A$.

Таким образом, наибольшее количество энергии поглощается при переходе С. Это можно было определить и визуально по диаграмме: разность энергий между уровнями убывает с ростом их номера $n$. Переход C соответствует самому большому "прыжку" — с самого низкого начального уровня ($n=1$) на самый высокий конечный ($n=4$), что и дает наибольшую разность энергий.

Ответ: наибольшее количество энергии поглощается в результате электронного перехода C.

10.98. В таблице даны значения энергий $E_1,$ $E_2$ и ${Е}_3,$ необходимые для отрыва первого, второго и третьего электронов от атомов элементов А, Б, В, Г и Д. Известно, что среди этих элементов – аргон, барий, магний, натрий и хлор. Расшифруйте буквенные обозначения элементов.

Дано:

Энергии ионизации $E_1$, $E_2$, $E_3$ (в кДж/моль) для пяти неизвестных элементов А, Б, В, Г и Д:
А: $E_1=500$, $E_2=970$, $E_3=3460$
Б: $E_1=1250$, $E_2=2300$, $E_3=3840$
В: $E_1=1520$, $E_2=2670$, $E_3=3930$
Г: $E_1=500$, $E_2=4560$, $E_3=6910$
Д: $E_1=740$, $E_2=1450$, $E_3=7730$
Список возможных элементов: аргон (Ar), барий (Ba), магний (Mg), натрий (Na), хлор (Cl).

Найти:

Расшифровать буквенные обозначения элементов.

Решение:

Для определения элементов будем анализировать значения их последовательных энергий ионизации. Ключевым фактором является резкое увеличение энергии ионизации при переходе к отрыву электрона от стабильного, заполненного электронного слоя (внутренней оболочки). Это позволяет определить количество валентных электронов у атома и, соответственно, его положение (группу) в периодической системе.

Рассмотрим электронные конфигурации и ожидаемые скачки энергий ионизации для предложенных элементов:

• Натрий (Na): [Ne]3s¹. 1 валентный электрон. Ожидается очень большой скачок между $E_1$ и $E_2$.
• Магний (Mg): [Ne]3s². 2 валентных электрона. Ожидается очень большой скачок между $E_2$ и $E_3$.
• Барий (Ba): [Xe]6s². 2 валентных электрона. Как и у магния, ожидается скачок между $E_2$ и $E_3$. Поскольку атомный радиус бария больше, чем у магния, его первые энергии ионизации будут ниже.
• Хлор (Cl): [Ne]3s²3p⁵. 7 валентных электронов. Первые три электрона отрываются от одного и того же валентного (третьего) уровня, поэтому резких скачков между $E_1$, $E_2$ и $E_3$ не будет.
• Аргон (Ar): [Ne]3s²3p⁶. 8 валентных электронов (завершенная оболочка). Будет иметь самую высокую первую энергию ионизации ($E_1$) среди элементов 3-го периода (Na, Mg, Cl, Ar). Резких скачков между $E_1$, $E_2$ и $E_3$ также не будет.

Теперь сопоставим данные из таблицы с нашими выводами.

А

У элемента А наблюдается скачок между второй ($E_2=970$) и третьей ($E_3=3460$) энергиями ионизации. Это указывает на наличие двух валентных электронов, то есть элемент принадлежит ко 2-й группе. В списке это может быть магний (Mg) или барий (Ba). Первая энергия ионизации ($E_1=500$ кДж/моль) является одной из самых низких в таблице. Сравнивая с элементом Д (также элемент 2-й группы), у которого $E_1=740$ кДж/моль, можно заключить, что А — это элемент с меньшей энергией ионизации. В группе энергия ионизации уменьшается сверху вниз, поэтому у бария (период 6) она меньше, чем у магния (период 3). Следовательно, А — это барий.

Ответ: А — барий (Ba).

Б

У элемента Б относительно высокая первая энергия ионизации ($E_1=1250$ кДж/моль) и нет резких скачков между $E_1$, $E_2$ и $E_3$. Это характерно для неметалла из правой части периодической таблицы, у которого отрываются валентные электроны с одного энергетического уровня. Сравнивая с элементом В ($E_1=1520$ кДж/моль), у Б энергия ионизации ниже. Из оставшихся элементов (хлор и аргон), хлор находится левее аргона в 3-м периоде, поэтому его $E_1$ должна быть ниже. Таким образом, Б — это хлор.

Ответ: Б — хлор (Cl).

В

У элемента В самая высокая первая энергия ионизации в таблице ($E_1=1520$ кДж/моль). Это свойственно благородному газу с его очень стабильной, завершенной электронной оболочкой. Последующие энергии ионизации ($E_2=2670$, $E_3=3930$) растут плавно, без скачков, так как электроны продолжают отрываться от одного и того же валентного уровня. Единственный благородный газ в списке — аргон.

Ответ: В — аргон (Ar).

Г

У элемента Г наблюдается низкая первая энергия ионизации ($E_1=500$ кДж/моль) и колоссальный скачок ко второй ($E_2=4560$ кДж/моль). Отношение $E_2/E_1 \approx 9.1$. Это однозначно указывает на элемент 1-й группы (щелочной металл), у которого всего один валентный электрон. После его отрыва второй электрон приходится отрывать от очень стабильной внутренней электронной оболочки. Единственный щелочной металл в списке — натрий.

Ответ: Г — натрий (Na).

Д

У элемента Д наблюдается большой скачок между второй ($E_2=1450$) и третьей ($E_3=7730$) энергиями ионизации ($E_3/E_2 \approx 5.3$). Это указывает на наличие двух валентных электронов, то есть элемент принадлежит ко 2-й группе. Сравнивая с элементом А (также элемент 2-й группы), у Д более высокая первая энергия ионизации ($E_1=740$ кДж/моль против $500$ кДж/моль у А). Так как энергия ионизации в группе уменьшается сверху вниз, элемент с большей $E_1$ находится выше. Следовательно, Д — это магний, расположенный в 3-м периоде, а А — барий из 6-го периода.

Ответ: Д — магний (Mg).