Страница 25 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. На основе закономерностей размещения электронов по орбиталям объясните, почему лантаноиды и актиноиды обладают сходными химическими свойствами.

Сходство химических свойств элементов внутри семейств лантаноидов и актиноидов объясняется особенностями строения их электронных оболочек, а именно заполнением внутреннего (на два уровня глубже внешнего) f-подуровня при практически неизменной структуре внешних электронных оболочек.

Лантаноиды – это семейство из 14 химических элементов 6-го периода с атомными номерами 58–71, следующих за лантаном (La). У атомов лантаноидов происходит последовательное заполнение электронами глубоко расположенного $4f$-подуровня. При этом на внешнем, шестом, энергетическом уровне ($n=6$) у большинства из них находится одинаковое число электронов – два ($6s^2$). Общая формула валентных электронов для лантаноидов: $4f^{1-14}5d^{0-1}6s^2$.

Поскольку химические свойства элемента определяются в первую очередь строением его внешней электронной оболочки (валентными электронами), а у всех лантаноидов она практически одинакова, то и химические свойства этих элементов очень близки. Все они являются активными металлами, проявляющими наиболее характерную и устойчивую степень окисления +3 (за счет отдачи двух $6s$-электронов и одного $5d$- или $4f$-электрона). Незначительные различия в свойствах монотонно изменяются с ростом порядкового номера из-за эффекта "лантаноидного сжатия" – постепенного уменьшения атомных и ионных радиусов.

Актиноиды – это семейство из 14 химических элементов 7-го периода с атомными номерами 90–103, следующих за актинием (Ac). Аналогично лантаноидам, у атомов актиноидов происходит заполнение внутреннего $5f$-подуровня, в то время как на внешнем, седьмом, энергетическом уровне ($n=7$) также, как правило, находятся два электрона ($7s^2$). Общая формула валентных электронов для актиноидов: $5f^{0-14}6d^{0-2}7s^2$.

По той же причине, что и у лантаноидов, химические свойства актиноидов внутри семейства также обладают большим сходством. Они также являются металлами. Хотя для актиноидов характерно большее разнообразие степеней окисления по сравнению с лантаноидами (из-за меньшей разницы в энергиях $5f$, $6d$ и $7s$ орбиталей), общая тенденция к сходству свойств сохраняется, и степень окисления +3 также является для них характерной.

Таким образом, фундаментальная причина сходства химических свойств элементов внутри каждого из семейств (лантаноидов и актиноидов) заключается в том, что с ростом заряда ядра у них заполняется не внешняя, а глубоко лежащая f-орбиталь, в то время как строение внешней валентной оболочки остается практически неизменным.

Ответ: Сходство химических свойств внутри семейства лантаноидов и внутри семейства актиноидов обусловлено идентичным строением их внешних электронных оболочек (как правило, два электрона на s-орбитали внешнего уровня: $6s^2$ для лантаноидов и $7s^2$ для актиноидов). Различия в электронной конфигурации между соседними элементами в этих рядах заключаются в заполнении глубоко расположенного f-подуровня ($4f$ и $5f$ соответственно), который слабо влияет на химические свойства, определяемые валентными электронами.

2. Назовите известные вам искусственно полученные элементы, укажите их место в периодической таблице Д. И. Менделеева и начертите схемы, отражающие расположение электронов по орбиталям в атомах этих элементов.

К искусственно полученным (синтезированным) химическим элементам относятся все элементы, которые не встречаются в природе и были созданы человеком с помощью ядерных реакций. Это, например, технеций (Tc, № 43), прометий (Pm, № 61) и все элементы с атомными номерами больше 92 (трансурановые элементы, например, плутоний, америций, кюрий).

Рассмотрим в качестве примеров два таких элемента: технеций и америций.

Технеций (Tc)

Технеций — первый химический элемент, полученный искусственно в 1937 году. Он не имеет стабильных изотопов, все они радиоактивны.
Место в периодической таблице:
Технеций (Tc) — это химический элемент с атомным номером 43. Он расположен в 5-м периоде, в VII группе побочной подгруппы (или группе 7) периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. Является d-элементом (переходным металлом).
Схема расположения электронов по орбиталям:
Атом технеция содержит 43 электрона. Его электронная конфигурация, отражающая распределение электронов по атомным орбиталям, записывается следующим образом:
$_{43}\text{Tc}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^5 5s^2$.
В сокращенном виде с использованием конфигурации предыдущего благородного газа (криптона, Kr):
$_{43}\text{Tc}: [\text{Kr}] 4d^5 5s^2$.
Распределение электронов по энергетическим уровням (электронным слоям) выглядит так: 2, 8, 18, 13, 2.

Америций (Am)

Америций — радиоактивный химический элемент, относящийся к актиноидам. Все его изотопы радиоактивны. Он был получен искусственно в 1944 году группой Гленна Сиборга в результате ядерных реакций.
Место в периодической таблице:
Америций (Am) имеет атомный номер 95. Он находится в 7-м периоде, в III группе побочной подгруппы (или группе 3), в семействе актиноидов, которые обычно выносят в отдельную строку внизу таблицы. Является f-элементом.
Схема расположения электронов по орбиталям:
Атом америция содержит 95 электронов. Его электронная конфигурация, как правило, записывается в сокращённом виде, используя конфигурацию благородного газа радона (Rn):
$_{95}\text{Am}: [\text{Rn}] 5f^7 7s^2$.
Такая конфигурация (с семью электронами на f-подуровне) объясняется повышенной стабильностью наполовину заполненной 5f-орбитали.
Полная электронная конфигурация америция:
$_{95}\text{Am}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^{10} 4f^{14} 5s^2 5p^6 5d^{10} 6s^2 6p^6 5f^7 7s^2$.
Распределение электронов по энергетическим уровням: 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2.

Ответ: Примерами искусственно полученных элементов являются технеций (Tc) и америций (Am).
Технеций (Tc): атомный номер 43, расположен в 5-м периоде, 7-й группе периодической таблицы. Схема расположения электронов по орбиталям (электронная конфигурация): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^5 5s^2$.
Америций (Am): атомный номер 95, актиноид, расположен в 7-м периоде, 3-й группе периодической таблицы. Схема расположения электронов по орбиталям (электронная конфигурация): $[\text{Rn}] 5f^7 7s^2$.

3. При полном сжигании 0,68 г неизвестного вещества получили 1,28 г оксида серы(IV) и 0,36 г воды. Найдите химическую формулу сжигаемого вещества.

Дано:

$m(\text{вещества}) = 0,68 \text{ г}$

$m(SO_2) = 1,28 \text{ г}$

$m(H_2O) = 0,36 \text{ г}$

Найти:

Химическую формулу вещества.

Решение:

1. Продукты сгорания вещества — оксид серы(IV) ($SO_2$) и вода ($H_2O$). Это означает, что в состав исходного вещества входили атомы серы (S) и водорода (H). Возможно, в состав вещества также входил кислород (O), так как сгорание происходит в присутствии кислорода. Обозначим формулу неизвестного вещества как $H_xS_yO_z$.

2. Найдем количество вещества и массу серы (S), которая содержалась в исходном веществе. Вся сера перешла в оксид серы(IV) ($SO_2$).
Молярная масса $SO_2$: $M(SO_2) = 32 + 2 \cdot 16 = 64 \text{ г/моль}$.
Количество вещества $SO_2$: $\nu(SO_2) = \frac{m(SO_2)}{M(SO_2)} = \frac{1,28 \text{ г}}{64 \text{ г/моль}} = 0,02 \text{ моль}$.
В одной молекуле $SO_2$ содержится один атом серы, следовательно, количество вещества атомов серы равно количеству вещества $SO_2$:
$\nu(S) = \nu(SO_2) = 0,02 \text{ моль}$.
Масса серы в исходном веществе: $m(S) = \nu(S) \cdot M(S) = 0,02 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 0,64 \text{ г}$.

3. Найдем количество вещества и массу водорода (H), который содержался в исходном веществе. Весь водород перешел в воду ($H_2O$).
Молярная масса $H_2O$: $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.
Количество вещества $H_2O$: $\nu(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{0,36 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,02 \text{ моль}$.
В одной молекуле $H_2O$ содержится два атома водорода, следовательно, количество вещества атомов водорода в два раза больше количества вещества $H_2O$:
$\nu(H) = 2 \cdot \nu(H_2O) = 2 \cdot 0,02 \text{ моль} = 0,04 \text{ моль}$.
Масса водорода в исходном веществе: $m(H) = \nu(H) \cdot M(H) = 0,04 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,04 \text{ г}$.

4. Проверим, содержался ли в исходном веществе кислород. Для этого сложим массы найденных элементов (серы и водорода) и сравним с массой исходного вещества.
$m(S) + m(H) = 0,64 \text{ г} + 0,04 \text{ г} = 0,68 \text{ г}$.
Полученная масса равна массе сжигаемого вещества ($0,68 \text{ г}$). Это означает, что кислород в состав исходного вещества не входил.

5. Найдем простейшую химическую формулу вещества, определив соотношение количеств веществ атомов водорода и серы.
$\nu(H) : \nu(S) = 0,04 : 0,02$
Для получения целочисленного соотношения разделим оба числа на наименьшее из них (0,02):
$\frac{0,04}{0,02} : \frac{0,02}{0,02} = 2 : 1$
Таким образом, на 1 атом серы приходится 2 атома водорода. Простейшая формула вещества — $H_2S$. Это сероводород.

Ответ: $H_2S$

Используя Интернет и дополнительную литературу, подготовьте электронную презентацию на тему «Лантаноиды и актиноиды. Нахождение в природе и применение».

Введение: Лантаноиды и Актиноиды

Лантаноиды и актиноиды — это два семейства химических элементов, которые в Периодической системе Д. И. Менделеева обычно выносят в отдельные строки под основной таблицей. Они относятся к f-элементам, так как у их атомов происходит заполнение электронами f-подоболочки.

Лантаноиды — это 14 химических элементов 6-го периода с атомными номерами 58–71 (от церия $Ce$ до лютеция $Lu$). Они следуют за лантаном ($La$), с которым очень схожи по химическим свойствам, поэтому лантан часто рассматривают вместе с ними. Лантаноиды — серебристо-белые металлы, химически очень активные.

Актиноиды — это 14 химических элементов 7-го периода с атомными номерами 90–103 (от тория $Th$ до лоуренсия $Lr$). Они следуют за актинием ($Ac$), на который похожи по свойствам. Все актиноиды радиоактивны.

Лантаноиды

Нахождение в природе

Несмотря на историческое название «редкоземельные элементы», лантаноиды не являются такими уж редкими в земной коре. Например, самый распространенный из них, церий ($Ce$), встречается чаще, чем свинец. Название возникло из-за того, что они были найдены в редких минералах и их было трудно разделить друг от друга.

Лантаноиды всегда встречаются вместе в одних и тех же минералах. Основные промышленные минералы:

• Монацит — фосфат лантаноидов и тория $(Ce, La, Nd, Th)PO_4$.
• Бастнезит — фторкарбонат лантаноидов $(Ce, La, Y)CO_3F$.
• Ксенотим — фосфат иттрия и тяжелых лантаноидов $(Y, Yb, Er)PO_4$.

Крупнейшие месторождения этих минералов находятся в Китае, США, Австралии, России и Индии.

Применение

Благодаря своим уникальным магнитным, оптическим и химическим свойствам лантаноиды нашли широкое применение в различных областях:

• Металлургия: Добавки лантаноидов (в виде мишметалла — сплава церия, лантана, неодима и др.) в сталь и чугун улучшают их качество, прочность и ковкость.
• Производство постоянных магнитов: Сплавы неодима с железом и бором ($Nd_2Fe_{14}B$) и самария с кобальтом ($SmCo_5$) используются для создания сверхсильных постоянных магнитов, которые применяются в жестких дисках компьютеров, наушниках, электродвигателях и ветрогенераторах.
• Оптика и лазерная техника: Оксиды лантаноидов используются для полировки линз и в производстве специальных сортов стекла. Ионы неодима ($Nd^{3+}$), эрбия ($Er^{3+}$), гольмия ($Ho^{3+}$) являются активной средой для твердотельных лазеров.
• Электроника и освещение: Люминофоры на основе европия ($Eu$) и тербия ($Tb$) создают красное и зеленое свечение в экранах телевизоров и энергосберегающих лампах.
• Катализаторы: Соединения церия и лантана применяются в катализаторах крекинга нефти и в автомобильных каталитических нейтрализаторах для очистки выхлопных газов.
• Медицина: Комплексные соединения гадолиния ($Gd$) используются в качестве контрастных веществ при магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Ответ: Лантаноиды содержатся в минералах монацит и бастнезит, не являются крайне редкими, но трудно разделимы. Применяются в металлургии, для создания мощных магнитов, в лазерах, люминофорах, катализаторах и медицине.

Актиноиды

Нахождение в природе

В отличие от лантаноидов, большинство актиноидов в природе не встречаются и получены искусственно. Природными являются только первые представители ряда:

• Торий ($Th$) и Уран ($U$): Эти элементы существуют на Земле с момента ее образования. Они имеют очень большие периоды полураспада (у урана-238, $^{238}\text{U}$, — 4.5 млрд лет; у тория-232, $^{232}\text{Th}$, — 14 млрд лет). Основные минералы урана — урановая смолка (настуран, $UO_2$) и карнотит. Торий встречается в монацитовых песках.
• Протактиний ($Pa$), Актиний ($Ac$), Нептуний ($Np$), Плутоний ($Pu$): Эти элементы образуются в ничтожных количествах в урановых и ториевых рудах как промежуточные продукты их радиоактивного распада.

Все элементы тяжелее плутония (трансплутониевые элементы), начиная с америция ($Am$), являются исключительно искусственными. Их получают в ядерных реакторах или на ускорителях частиц путем облучения более легких ядер.

Применение

Применение актиноидов в основном связано с их радиоактивностью и способностью к делению ядер.

• Ядерная энергетика: Изотоп урана $^{235}\text{U}$ является основным топливом для атомных электростанций (АЭС). В реакторах-размножителях (бридерах) изотоп $^{238}\text{U}$ превращается в плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$), который также является эффективным ядерным топливом. Изучается возможность использования тория ($^{232}\text{Th}$) в качестве сырья для получения ядерного топлива (урана-233, $^{233}\text{U}$).
• Ядерное оружие: Изотопы $^{235}\text{U}$ и $^{239}\text{Pu}$ являются основными делящимися материалами для создания атомных бомб.
• Источники энергии для космоса: Изотоп плутония $^{238}\text{Pu}$ используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для энергоснабжения космических аппаратов, работающих вдали от Солнца (например, «Вояджер», «Кассини», марсоход «Кьюриосити»).
• Детекторы дыма: Небольшое количество америция-241 ($^{241}\text{Am}$) используется в ионизационных детекторах дыма для ионизации воздуха.
• Медицина: Некоторые радиоактивные изотопы актиноидов применяются в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний.
• Научные исследования: Трансурановые элементы (калифорний, эйнштейний и др.) используются в качестве мишеней для синтеза еще более тяжелых, сверхтяжелых элементов. Калифорний-252 ($^{252}\text{Cf}$) является мощным источником нейтронов.

Ответ: В природе встречаются в основном торий и уран; остальные актиноиды либо продукты их распада, либо получены искусственно. Главные сферы применения — ядерная энергетика и оружие ($U, Pu$), автономные источники энергии ($Pu$), детекторы дыма ($Am$) и научные исследования.