Номер 5, страница 27 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 3. Современные представления о строении атома. Глава 2. Строение вещества. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - номер 5, страница 27.

Условие.

5. Элемент аргон имеет изотопы $ ^{36}\text{Ar} $, $ ^{38}\text{Ar} $, $ ^{40}\text{Ar} $, содержание которых в природе составляет 0,337; 0,063 и 99,6% соответственно. Элемент калий представлен изотопами $ ^{39}\text{K} $, $ ^{40}\text{K} $, $ ^{41}\text{K} $, содержание которых 93,08; 0,011 и 6,91% соответственно. Используя эту информацию, объясните:

а) почему аргон имеет меньшую относительную атомную массу, чем калий;

б) почему аргон, имея меньшую относительную атомную массу, располагается в Периодической системе перед калием, а не после него.

Решение.

Решение 2.

Дано:

Изотопный состав аргона (Ar):
Изотоп ³⁶Ar - содержание 0,337%
Изотоп ³⁸Ar - содержание 0,063%
Изотоп ⁴⁰Ar - содержание 99,6%

Изотопный состав калия (K):
Изотоп ³⁹K - содержание 93,08%
Изотоп ⁴⁰K - содержание 0,011%
Изотоп ⁴¹K - содержание 6,91%

Найти:

а) Объяснить соотношение относительных атомных масс аргона и калия.
б) Объяснить, почему аргон расположен в Периодической системе перед калием.

Решение:

а) почему аргон имеет меньшую относительную атомную массу, чем калий;

Для ответа на этот вопрос необходимо рассчитать средние относительные атомные массы аргона и калия, используя данные о процентном содержании их изотопов в природе. Относительная атомная масса элемента ($A_r$) вычисляется как средневзвешенное значение масс его природных изотопов с учетом их распространенности. В расчетах будем использовать массовые числа изотопов в качестве их масс.

Формула для расчета относительной атомной массы:

$A_r = \sum (M_i \cdot w_i)$

где $M_i$ – массовое число i-го изотопа, а $w_i$ – его распространенность (доля от единицы).

Расчет относительной атомной массы аргона ($A_r(Ar)$):

$A_r(Ar) = (36 \cdot 0,00337) + (38 \cdot 0,00063) + (40 \cdot 0,996)$

$A_r(Ar) = 0,12132 + 0,02394 + 39,84 = 39,98526 \text{ а.е.м.}$

Расчет относительной атомной массы калия ($A_r(K)$):

$A_r(K) = (39 \cdot 0,9308) + (40 \cdot 0,00011) + (41 \cdot 0,0691)$

$A_r(K) = 36,3012 + 0,0044 + 2,8331 = 39,1387 \text{ а.е.м.}$

Сравнивая полученные значения, мы видим, что $A_r(Ar) \approx 39,99 \text{ а.е.м.}$, а $A_r(K) \approx 39,14 \text{ а.е.м.}$.

Таким образом, на основе предоставленных данных, относительная атомная масса аргона на самом деле больше, а не меньше, чем у калия ($39,99 > 39,14$). Предпосылка в вопросе некорректна. Причина такой ситуации заключается в изотопном составе элементов. Природный аргон почти целиком (99,6%) состоит из тяжелого изотопа ⁴⁰Ar. В то же время природный калий в основном (93,08%) представлен более легким изотопом ³⁹K. Именно преобладание тяжелого изотопа у аргона и легкого у калия приводит к тому, что средняя атомная масса аргона оказывается больше, чем у калия.

Ответ: На основе данных о распространенности изотопов, относительная атомная масса аргона ($A_r(Ar) \approx 39,99 \text{ а.е.м.}$) оказывается больше, а не меньше, относительной атомной массы калия ($A_r(K) \approx 39,14 \text{ а.е.м.}$). Это объясняется тем, что в природе преобладает тяжелый изотоп аргона ⁴⁰Ar (99,6%), в то время как калий в основном состоит из более легкого изотопа ³⁹K (93,08%).

б) почему аргон, имея меньшую относительную атомную массу, располагается в Периодической системе перед калием, а не после него.

Положение элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева определяется не его относительной атомной массой, а зарядом ядра его атома, то есть атомным номером ($Z$), который равен числу протонов в ядре. Этот принцип является основой современного периодического закона.

Рассмотрим атомные номера аргона и калия:

• Атом аргона (Ar) содержит 18 протонов в ядре. Его атомный номер $Z(Ar) = 18$.
• Атом калия (K) содержит 19 протонов в ядре. Его атомный номер $Z(K) = 19$.

Поскольку элементы в Периодической системе располагаются в порядке возрастания их атомных номеров, аргон ($Z=18$) занимает место перед калием ($Z=19$).

Пара аргон-калий является одним из известных примеров инверсии атомных масс, когда элемент с меньшим порядковым номером имеет большую атомную массу. Это подтверждает, что фундаментальной характеристикой элемента, определяющей его место в системе, является именно заряд ядра, а не атомная масса.

Ответ: Положение элемента в Периодической системе определяется его атомным номером (числом протонов в ядре), а не относительной атомной массой. У аргона атомный номер 18, а у калия – 19. Так как $18 < 19$, аргон располагается в таблице перед калием.