Страница 14 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Вспомните формулировку периодического закона, данную Д. И. Менделеевым. Сравните её с современной формулировкой. Объясните, почему потребовалось такое изменение формулировки.

Формулировка периодического закона, данная Д. И. Менделеевым (1869 г.):
«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Современная формулировка периодического закона:
«Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величин зарядов их атомных ядер».

Сравнение и причина изменения формулировки:

Основное различие между двумя формулировками заключается в том, какая фундаментальная характеристика элемента положена в основу периодичности. У Менделеева это атомный вес (относительная атомная масса), а в современной формулировке — заряд атомного ядра.

Изменение формулировки потребовалось по следующим причинам:

1. Научные открытия в области строения атома. Во времена Менделеева строение атома было неизвестно. Атомный вес был единственной известной и измеримой количественной характеристикой атомов. Позднее, в начале XX века, благодаря работам Э. Резерфорда (открытие атомного ядра, 1911 г.) и Г. Мозли (установление связи между свойствами элемента и зарядом ядра, 1913 г.), было доказано, что главной характеристикой атома является не его масса, а заряд ядра (равный порядковому номеру элемента в таблице и числу протонов в ядре).
2. Наличие "аномалий" в таблице Менделеева. Располагая элементы строго в порядке возрастания атомных весов, Менделеев столкнулся с несколькими несоответствиями, где элемент с большей атомной массой должен был стоять перед элементом с меньшей, чтобы сохранить логику химических свойств в группе. Например:
   • Аргон (Ar, атомная масса ≈ 39,95) и Калий (K, атомная масса ≈ 39,10).
   • Кобальт (Co, атомная масса ≈ 58,93) и Никель (Ni, атомная масса ≈ 58,69).
   • Теллур (Te, атомная масса ≈ 127,60) и Йод (I, атомная масса ≈ 126,90).
   Менделеев, основываясь на своей научной интуиции, правильно расставил эти элементы в соответствии с их свойствами, нарушив порядок возрастания масс.
3. Объяснение "аномалий". Открытие заряда ядра как основной характеристики элемента объяснило эти "аномалии". Порядковые номера (заряды ядер) для этих пар элементов идут в правильной последовательности: Ar(18) → K(19), Co(27) → Ni(28), Te(52) → I(53). Расхождения в атомных массах объясняются существованием изотопов — разновидностей атомов одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре. Атомная масса элемента является средневзвешенной величиной масс его природных изотопов.

Таким образом, переход от атомного веса к заряду ядра не отменил гениальность открытия Менделеева, а дал ему более глубокое физическое обоснование и устранил имевшиеся противоречия.

Ответ: Формулировка периодического закона была изменена после открытий в области строения атома. Было установлено, что периодичность свойств элементов определяется не их атомным весом, а зарядом атомного ядра (порядковым номером). Это позволило дать физическое обоснование закону и устранить несоответствия, которые существовали в первоначальной таблице Менделеева, где некоторые элементы были расставлены не по массе, а по химическим свойствам.

2. Почему число элементов в первых трёх периодах соответствует ряду чисел 2—8—8? Объясните эту закономерность с учётом размещения электронов по энергетическим уровням.

Закономерность в количестве элементов в первых трех периодах (2, 8, 8) напрямую связана со строением электронных оболочек атомов и порядком их заполнения электронами. Номер периода в периодической системе соответствует номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, а число элементов в периоде определяется максимальным количеством электронов, которое может занять этот внешний уровень.

Максимальное число электронов $N$, которое может находиться на энергетическом уровне с главным квантовым числом $n$, вычисляется по формуле $N = 2n^2$.

В первом периоде у атомов заполняется первый энергетический уровень ($n=1$). Его максимальная электронная ёмкость составляет $N = 2 \cdot 1^2 = 2$ электрона. Этот уровень содержит только один s-подуровень (1s), на котором и размещаются два электрона. Поэтому в первом периоде находятся всего два элемента: Водород (H) и Гелий (He). После гелия первый уровень становится завершённым.

Во втором периоде электроны начинают заполнять второй энергетический уровень ($n=2$). Его максимальная ёмкость равна $N = 2 \cdot 2^2 = 8$ электронов. Этот уровень состоит из s-подуровня (вмещает 2 электрона) и p-подуровня (вмещает 6 электронов). Суммарно на них может разместиться $2 + 6 = 8$ электронов. По мере заполнения этих подуровней в периоде располагаются 8 элементов, от Лития (Li) до Неона (Ne), у которого внешний электронный уровень полностью заполнен.

В третьем периоде заполняется третий энергетический уровень ($n=3$). Его теоретическая максимальная ёмкость составляет $N = 2 \cdot 3^2 = 18$ электронов (включая s-, p- и d-подуровни). Однако в третьем периоде, так же как и во втором, всего 8 элементов. Это объясняется тем, что электроны заполняют уровни и подуровни в порядке возрастания их энергии (согласно правилу Клечковского). Энергия 3d-подуровня оказывается выше, чем энергия 4s-подуровня. Поэтому после того, как заполнятся 3s- и 3p-подуровни (у элемента Аргона, Ar), следующий электрон переходит не на 3d-подуровень, а на 4s-подуровень, начиная тем самым четвертый период (элемент Калий, K). Таким образом, в третьем периоде заполняются только 3s- и 3p-подуровни, чья суммарная ёмкость составляет $2 + 6 = 8$ электронов. Это и определяет количество элементов в данном периоде.

Ответ: Ряд чисел 2—8—8 соответствует максимальному количеству электронов, которое может находиться на внешнем энергетическом уровне элементов первых трех периодов. В 1-м периоде заполняется первый уровень (ёмкость 2 электрона). Во 2-м периоде — второй уровень (ёмкость 8 электронов на 2s- и 2p-подуровнях). В 3-м периоде также 8 элементов, так как у внешнего третьего уровня заполняются только 3s- и 3p-подуровни (суммарная ёмкость 8 электронов), в то время как 3d-подуровень, согласно принципу наименьшей энергии, начинает заполняться только в 4-м периоде после 4s-подуровня.