Проблема, страница 9 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 1. Основные понятия химии и их взаимосвязи. Глава 1. Важнейшие понятия и законы химии - страница 9.

Условие.

Проблема. Почему значения относительных атомных масс элементов, указанные в Периодической системе, — дробные величины? Почему некоторые химические элементы (какие?) расположены в Периодической системе вопреки возрастанию значений этой величины?

Решение.

Решение 2.

Почему значения относительных атомных масс элементов, указанные в Периодической системе, — дробные величины?

Значения относительных атомных масс в Периодической системе являются дробными, потому что большинство химических элементов в природе представляет собой смесь нескольких изотопов.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре (и, следовательно, одинаковый заряд ядра и порядковый номер), но разное число нейтронов. Из-за разного числа нейтронов изотопы одного элемента имеют разную массу. Например, у водорода есть три изотопа: протий ($^{1}\text{H}$), дейтерий ($^{2}\text{H}$) и тритий ($^{3}\text{H}$).

Относительная атомная масса элемента ($A_r$), указываемая в таблице Менделеева, — это средневзвешенное значение масс всех его природных изотопов с учётом их распространённости (процентного содержания) в природе. Эта величина рассчитывается по формуле:

$A_r = \omega_1 \cdot A_{r1} + \omega_2 \cdot A_{r2} + \dots + \omega_n \cdot A_{rn} = \sum_{i=1}^{n} (\omega_i \cdot A_{ri})$

где $\omega_i$ — молярная доля (распространённость) $i$-го изотопа, а $A_{ri}$ — его относительная атомная масса.

Рассмотрим на примере хлора ($Cl$). В природе хлор встречается в виде двух стабильных изотопов: хлор-35 ($^{35}\text{Cl}$) с распространённостью примерно $75,77\%$ и относительной массой $34,969$ а.е.м., и хлор-37 ($^{37}\text{Cl}$) с распространённостью $24,23\%$ и относительной массой $36,966$ а.е.м. Средняя относительная атомная масса хлора будет:

$A_r(\text{Cl}) = 0,7577 \cdot 34,969 + 0,2423 \cdot 36,966 \approx 35,453$ а.е.м.

Поскольку это средневзвешенная величина, полученная из масс разных изотопов, она практически всегда оказывается дробной. Единственное исключение — это моноизотопные элементы (например, фтор, натрий, алюминий, фосфор), но и их массы не являются строго целыми числами из-за так называемого дефекта масс.

Ответ: Значения относительных атомных масс являются дробными, так как представляют собой средневзвешенное значение масс природных изотопов химического элемента с учётом их процентного содержания в природе.

Почему некоторые химические элементы (какие?) расположены в Периодической системе вопреки возрастанию значений этой величины?

Современная формулировка Периодического закона гласит, что свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер (то есть от порядкового номера элемента, Z), а не от их относительной атомной массы, как предполагал изначально Д.И. Менделеев. Порядковый номер элемента определяется количеством протонов в ядре, и именно это число является фундаментальной характеристикой элемента, определяющей его химические свойства.

В большинстве случаев возрастание порядкового номера совпадает с возрастанием относительной атомной массы. Однако из-за особенностей изотопного состава некоторых элементов существуют исключения. В этих случаях элемент с меньшим порядковым номером может иметь большую среднюю атомную массу, чем следующий за ним элемент. Это происходит, если у более лёгкого по порядковому номеру элемента в природной смеси преобладают тяжёлые изотопы, а у следующего за ним — более лёгкие.

Такие "аномальные" пары элементов в Периодической системе:

• Аргон ($_{18}\text{Ar}$) и Калий ($_{19}\text{K}$): $A_r(\text{Ar}) \approx 39,95$ а.е.м., а $A_r(\text{K}) \approx 39,10$ а.е.м. Аргон тяжелее калия, но расположен перед ним, так как его порядковый номер 18, а у калия — 19.
• Кобальт ($_{27}\text{Co}$) и Никель ($_{28}\text{Ni}$): $A_r(\text{Co}) \approx 58,93$ а.е.м., а $A_r(\text{Ni}) \approx 58,69$ а.е.м. Кобальт тяжелее никеля.
• Теллур ($_{52}\text{Te}$) и Йод ($_{53}\text{I}$): $A_r(\text{Te}) \approx 127,60$ а.е.м., а $A_r(\text{I}) \approx 126,90$ а.е.м. Теллур тяжелее йода.
• Торий ($_{90}\text{Th}$) и Протактиний ($_{91}\text{Pa}$): $A_r(\text{Th}) \approx 232,04$ а.е.м., а $A_r(\text{Pa}) \approx 231,04$ а.е.м. Торий тяжелее протактиния.

Д.И. Менделеев, составляя свою таблицу, разместил эти элементы на основе их химических свойств, интуитивно предположив, что принцип возрастания массы может иногда нарушаться. Позднее, с открытием строения атома, было доказано, что основополагающим является именно заряд ядра.

Ответ: Элементы в Периодической системе расположены в порядке возрастания заряда ядра (порядкового номера), а не атомной массы. Из-за особенностей изотопного состава некоторых элементов их средняя атомная масса может быть больше, чем у следующего элемента. Примерами таких пар являются аргон и калий (Ar/K), кобальт и никель (Co/Ni), теллур и йод (Te/I), торий и протактиний (Th/Pa).