Страница 40 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

1. Что общего у изотопов одного и того же элемента и чем они различаются?

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента. Они занимают одно и то же место («топос») в периодической таблице, поэтому и получили такое название (от древнегреческих слов «ἴσος» — равный, одинаковый, и «τόπος» — место).

Что общего у изотопов одного и того же элемента

Общими для всех изотопов одного элемента являются характеристики, определяющие его химическую индивидуальность:

• Количество протонов в ядре. Это фундаментальная характеристика, называемая зарядовым числом ($Z$). Именно она определяет, к какому химическому элементу относится атом. У всех изотопов одного элемента $Z$ одинаково.
• Заряд ядра. Так как заряд ядра определяется количеством протонов, он также одинаков для всех изотопов элемента.
• Количество электронов в атоме. В электрически нейтральном атоме число электронов на электронных оболочках равно числу протонов в ядре.
• Строение электронной оболочки. Одинаковое количество электронов означает одинаковую электронную конфигурацию.
• Химические свойства. Поскольку химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, все изотопы одного элемента вступают в одни и те же химические реакции и образуют одинаковые соединения. Их химическое поведение практически идентично.

...и чем они различаются?

Различия между изотопами одного элемента связаны со строением их атомных ядер:

• Количество нейтронов в ядре ($N$). Это главное и определяющее различие между изотопами.
• Массовое число ($A$). Это суммарное число протонов ($Z$) и нейтронов ($N$) в ядре: $A = Z + N$. Так как число нейтронов разное, массовое число тоже будет разным. Например, у изотопов углерода $^{12}C$ и $^{14}C$ зарядовое число $Z=6$, а число нейтронов $N=6$ и $N=8$ соответственно, поэтому их массовые числа равны 12 и 14.
• Масса атома. Поскольку основная масса атома сосредоточена в ядре, изотопы с разным числом нейтронов имеют разную массу.
• Физические свойства, зависящие от массы. Такие свойства, как плотность, температуры плавления и кипения, скорость диффузии, могут незначительно отличаться. Эти отличия называют изотопными эффектами.
• Стабильность ядра. Это одно из важнейших различий. Ядра одних изотопов могут быть абсолютно стабильными, в то время как ядра других — нестабильными (радиоактивными) и подверженными самопроизвольному распаду. Например, изотоп водорода протий ($^{1}H$) стабилен, а тритий ($^{3}H$) — радиоактивен.

Ответ: Изотопы одного и того же элемента имеют общее число протонов в ядре (одинаковое зарядовое число $Z$), одинаковое число электронов в электронной оболочке и, как следствие, практически идентичные химические свойства. Различаются они количеством нейтронов в ядре, что приводит к разным массовым числам ($A$), разной массе атома и, зачастую, к разной стабильности ядра (некоторые изотопы стабильны, а другие радиоактивны).

2. Запишите в символьном виде обозначения изотопов: гелий-4, азот-14, фтор-19, хлор-35.

Решение

Для записи символического обозначения изотопа используется общепринятый формат: $ _Z^A X $, где $X$ — это символ химического элемента из периодической таблицы, $A$ — это массовое число (указано в названии изотопа после названия элемента), которое равно сумме протонов и нейтронов в ядре, а $Z$ — это зарядовое число, равное количеству протонов в ядре. Зарядовое число совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

гелий-4
Элемент — гелий, химический символ He. Порядковый номер в периодической таблице $Z = 2$. Массовое число, согласно названию, $A = 4$. Таким образом, символьное обозначение изотопа гелий-4: $ _2^4\text{He} $.
Ответ: $ _2^4\text{He} $.

азот-14
Элемент — азот, химический символ N. Порядковый номер в периодической таблице $Z = 7$. Массовое число, согласно названию, $A = 14$. Таким образом, символьное обозначение изотопа азот-14: $ _7^{14}\text{N} $.
Ответ: $ _7^{14}\text{N} $.

фтор-19
Элемент — фтор, химический символ F. Порядковый номер в периодической таблице $Z = 9$. Массовое число, согласно названию, $A = 19$. Таким образом, символьное обозначение изотопа фтор-19: $ _9^{19}\text{F} $.
Ответ: $ _9^{19}\text{F} $.

хлор-35
Элемент — хлор, химический символ Cl. Порядковый номер в периодической таблице $Z = 17$. Массовое число, согласно названию, $A = 35$. Таким образом, символьное обозначение изотопа хлор-35: $ _{17}^{35}\text{Cl} $.
Ответ: $ _{17}^{35}\text{Cl} $.

3. Используя рисунок 24, опишите строение атома углерода-13.

Дано:
Атом изотопа углерод-13 ($^{13}\text{C}$).

Найти:
Описать строение атома углерода-13 (состав ядра, строение электронной оболочки).

Решение:

Строение атома определяется составом его атомного ядра и структурой его электронной оболочки. Несмотря на то, что в задаче упоминается рисунок, строение данного атома можно описать, используя данные из Периодической системы химических элементов.

Состав ядра атома

Ядро атома состоит из протонов ($p^+$) и нейтронов ($n^0$).

Химический элемент "углерод" (символ C) имеет порядковый номер 6 в Периодической системе. Порядковый номер ($Z$) элемента численно равен количеству протонов в ядре.

Число протонов ($Z$) = 6.

Число "13" в названии изотопа "углерод-13" обозначает его массовое число ($A$). Массовое число — это общее количество протонов и нейтронов в ядре.

Массовое число ($A$) = 13.

Количество нейтронов ($N$) можно вычислить, отняв от массового числа количество протонов:

$N = A - Z = 13 - 6 = 7$.

Таким образом, ядро атома углерода-13 состоит из 6 протонов и 7 нейтронов. Заряд ядра определяется общим зарядом протонов и равен +6.

Строение электронной оболочки

Атом в основном состоянии является электронейтральной частицей, поэтому количество электронов ($e^-$) в его электронной оболочке равно количеству протонов в ядре.

Число электронов = 6.

Эти 6 электронов распределяются по энергетическим уровням (электронным слоям). Для атома углерода электроны занимают два энергетических уровня: на первом, ближайшем к ядру, уровне находятся 2 электрона, а на втором, который является внешним, — оставшиеся 4 электрона.

Электронная конфигурация атома углерода записывается как $1s^22s^22p^2$.

Ответ: Атом углерода-13 ($^{13}_{6}\text{C}$) состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро атома содержит 6 протонов и 7 нейтронов; его массовое число равно 13, а заряд ядра +6. Вокруг ядра движутся 6 электронов, которые распределены по двум энергетическим уровням: 2 электрона на первом уровне и 4 электрона на втором (внешнем) уровне. В целом атом электронейтрален.

4. Для трёх изотопов углерода составьте таблицу, аналогичную таблице 3.

Решение

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковый заряд ядра (то есть одинаковое число протонов), но разное число нейтронов. Из-за этого изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер ($Z$), но разные массовые числа ($A$).

Атомный номер углерода (C) в периодической таблице Менделеева равен 6. Это означает, что в ядре любого атома углерода находится 6 протонов. В электрически нейтральном атоме число электронов на орбиталях равно числу протонов, то есть тоже 6.

Три основных изотопа углерода — это углерод-12, углерод-13 и углерод-14.

• Углерод-12 ($_{6}^{12}\text{C}$) — наиболее распространенный (около 98,9%) и стабильный изотоп.
• Углерод-13 ($_{6}^{13}\text{C}$) — также стабильный изотоп, его распространенность составляет около 1,1%.
• Углерод-14 ($_{6}^{14}\text{C}$) — радиоактивный изотоп (период полураспада около 5730 лет), образующийся в атмосфере и используемый для радиоуглеродного датирования.

Число нейтронов ($N$) в ядре атома можно найти, вычтя из массового числа ($A$) число протонов ($Z$): $N = A - Z$.

Составим таблицу с характеристиками для трёх изотопов углерода, аналогичную предполагаемой таблице 3.

Ответ:

Таблица характеристик для трёх изотопов углерода:

5. В составе какого из изотопов гелия ($Z = 2$) столько же нейтронов, сколько в составе дейтерия? Назовите и запишите его полное обозначение, указав массовое число.

Дано:
Зарядовое число гелия $Z_{He} = 2$
Изотоп водорода - дейтерий (D)
Количество нейтронов в искомом изотопе гелия $N_{He}$ равно количеству нейтронов в дейтерии $N_D$.

Найти:
Название и полное обозначение искомого изотопа гелия.

Решение:

Для определения искомого изотопа гелия, сначала найдем количество нейтронов в составе дейтерия. Дейтерий — это изотоп водорода ($H$), у которого зарядовое число (количество протонов) $Z_H = 1$, а массовое число (сумма протонов и нейтронов) $A_D = 2$.

Количество нейтронов $N$ в ядре атома можно найти по формуле:
$N = A - Z$
где $A$ — массовое число, а $Z$ — зарядовое число.

Для дейтерия количество нейтронов будет:
$N_D = A_D - Z_H = 2 - 1 = 1$ нейтрон.

Согласно условию задачи, искомый изотоп гелия ($He$) должен содержать такое же количество нейтронов, то есть $N_{He} = 1$.

Зарядовое число гелия, как указано в условии, $Z_{He} = 2$. Это означает, что в ядре гелия содержится 2 протона.

Теперь найдем массовое число $A_{He}$ этого изотопа гелия, сложив количество протонов и нейтронов в его ядре:
$A_{He} = Z_{He} + N_{He} = 2 + 1 = 3$.

Таким образом, мы ищем изотоп гелия с массовым числом 3. Этот изотоп называется гелий-3.

Полное обозначение химического элемента записывается в виде $_Z^A X$, где $X$ — символ элемента, $A$ — массовое число (сверху слева), $Z$ — зарядовое число (снизу слева). Для гелия-3 полное обозначение будет: $_2^3 \text{He}$.

Ответ: Изотоп гелия, содержащий столько же нейтронов, сколько и дейтерий, — это гелий-3. Его полное обозначение: $_2^3 \text{He}$.

6. В каких из перечисленных атомов число протонов, нейтронов и электронов одинаково: кислород-16, фтор-19, натрий-23, магний-24, фосфор-31, сера-32?

Чтобы определить, в каких из перечисленных атомов число протонов, нейтронов и электронов одинаково, необходимо для каждого атома найти количество этих частиц. Для этого воспользуемся следующими правилами:

1. Число протонов ($p^+$) в ядре атома равно его порядковому номеру ($Z$) в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
2. Атом является электронейтральной частицей, поэтому число электронов ($e^-$) на его электронных оболочках равно числу протонов в ядре: $N(e^-) = N(p^+) = Z$.
3. Число нейтронов ($n^0$) в ядре можно найти, вычтя из массового числа атома ($A$) его порядковый номер ($Z$): $N(n^0) = A - Z$. Массовое число указано в названии изотопа (например, для кислорода-16 оно равно 16).

Таким образом, условие равенства числа протонов, нейтронов и электронов ($N(p^+) = N(n^0) = N(e^-)$) будет выполняться только для тех атомов, у которых массовое число вдвое больше порядкового номера: $A = 2Z$.

Проанализируем каждый из предложенных атомов.

кислород-16

Кислород (O) имеет порядковый номер $Z=8$. Массовое число данного изотопа $A=16$.
Число протонов: $N(p^+) = Z = 8$.
Число электронов: $N(e^-) = Z = 8$.
Число нейтронов: $N(n^0) = A - Z = 16 - 8 = 8$.
Все три значения совпадают: $8 = 8 = 8$.
Ответ: в атоме кислорода-16 число протонов, нейтронов и электронов одинаково.

фтор-19

Фтор (F) имеет порядковый номер $Z=9$. Массовое число данного изотопа $A=19$.
Число протонов: $N(p^+) = Z = 9$.
Число электронов: $N(e^-) = Z = 9$.
Число нейтронов: $N(n^0) = A - Z = 19 - 9 = 10$.
Число нейтронов не равно числу протонов и электронов: $9 \neq 10$.
Ответ: в атоме фтора-19 число протонов, нейтронов и электронов не одинаково.

натрий-23

Натрий (Na) имеет порядковый номер $Z=11$. Массовое число данного изотопа $A=23$.
Число протонов: $N(p^+) = Z = 11$.
Число электронов: $N(e^-) = Z = 11$.
Число нейтронов: $N(n^0) = A - Z = 23 - 11 = 12$.
Число нейтронов не равно числу протонов и электронов: $11 \neq 12$.
Ответ: в атоме натрия-23 число протонов, нейтронов и электронов не одинаково.

магний-24

Магний (Mg) имеет порядковый номер $Z=12$. Массовое число данного изотопа $A=24$.
Число протонов: $N(p^+) = Z = 12$.
Число электронов: $N(e^-) = Z = 12$.
Число нейтронов: $N(n^0) = A - Z = 24 - 12 = 12$.
Все три значения совпадают: $12 = 12 = 12$.
Ответ: в атоме магния-24 число протонов, нейтронов и электронов одинаково.

фосфор-31

Фосфор (P) имеет порядковый номер $Z=15$. Массовое число данного изотопа $A=31$.
Число протонов: $N(p^+) = Z = 15$.
Число электронов: $N(e^-) = Z = 15$.
Число нейтронов: $N(n^0) = A - Z = 31 - 15 = 16$.
Число нейтронов не равно числу протонов и электронов: $15 \neq 16$.
Ответ: в атоме фосфора-31 число протонов, нейтронов и электронов не одинаково.

сера-32

Сера (S) имеет порядковый номер $Z=16$. Массовое число данного изотопа $A=32$.
Число протонов: $N(p^+) = Z = 16$.
Число электронов: $N(e^-) = Z = 16$.
Число нейтронов: $N(n^0) = A - Z = 32 - 16 = 16$.
Все три значения совпадают: $16 = 16 = 16$.
Ответ: в атоме серы-32 число протонов, нейтронов и электронов одинаково.

7. Атом хлора содержит нейтронов на три больше, чем протонов. Назовите этот изотоп, запишите его полное обозначение.

Дано:

Атом химического элемента - хлор (Cl).

Число нейтронов ($N$) на 3 больше числа протонов ($p$): $N = p + 3$.

Найти:

Название изотопа - ?

Полное обозначение изотопа ($^{A}_{Z}X$) - ?

Решение:

1. Число протонов ($p$) в ядре атома химического элемента соответствует его порядковому номеру ($Z$) в Периодической системе элементов. Для хлора (Cl) порядковый номер $Z = 17$. Следовательно, атом хлора содержит 17 протонов.

$p = Z = 17$.

2. Согласно условию задачи, число нейтронов ($N$) в ядре этого атома на три больше числа протонов:

$N = p + 3 = 17 + 3 = 20$.

3. Массовое число ($A$) изотопа представляет собой сумму числа протонов и нейтронов в ядре:

$A = Z + N = 17 + 20 = 37$.

4. Изотоп называется по имени элемента с указанием его массового числа. Таким образом, это изотоп хлор-37.

5. Полное обозначение изотопа записывается в формате $^{A}_{Z}X$, где $X$ — символ элемента, $A$ — массовое число, а $Z$ — зарядовое число (порядковый номер).

Для данного изотопа хлора полное обозначение будет: $^{37}_{17}Cl$.

Ответ: данный изотоп — хлор-37; его полное обозначение — $^{37}_{17}Cl$.

✓ Что открыл Д. И. Менделеев?

Дмитрий Иванович Менделеев — великий русский учёный-энциклопедист, наиболее известный своим фундаментальным открытием в химии.

Главным и самым знаменитым открытием Д. И. Менделеева является Периодический закон химических элементов, сформулированный им в 1869 году. Этот закон стал одним из важнейших обобщений в естествознании и лёг в основу современной химии.

Суть открытия заключается в следующем: Менделеев установил, что свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от их атомных весов (в современной формулировке — от величины заряда атомного ядра).

Наглядным графическим выражением этого закона стала разработанная им Периодическая система химических элементов, известная во всём мире как таблица Менделеева. Работая над своей системой, Менделеев совершил несколько гениальных шагов:

• Расположение элементов: Он расположил все известные на тот момент 63 элемента в порядке возрастания их атомных весов и заметил, что их химические свойства циклически повторяются. Элементы со схожими свойствами он разместил в одних и тех же вертикальных столбцах (группах).
• Корректировка атомных масс: Основываясь на открытом им законе, он исправил атомные массы некоторых элементов, которые, как выяснилось позже, были определены неверно (например, урана, бериллия, индия).
• Предсказание новых элементов: Гениальность Менделеева проявилась в том, что он оставил в своей таблице пустые ячейки для ещё не открытых элементов. Более того, он с поразительной точностью предсказал существование и описал свойства нескольких из них, назвав их «экаалюминий» (позже открытый как галлий), «экабор» (скандий) и «экасилиций» (германий). Последующее открытие этих элементов и совпадение их свойств с предсказанными стало триумфом Периодического закона.

Хотя Периодический закон является главным вкладом Д. И. Менделеева в мировую науку, его научные интересы были чрезвычайно широки. Он также внёс значительный вклад в такие области, как:

• Физика: исследования газов, создание точной теории растворов (гидратная теория).
• Метрология: создание Главной палаты мер и весов, разработка точных стандартов.
• Технологии: разработка бездымного пороха (пироколлодия).
• Экономика: труды по развитию промышленности и сельского хозяйства России.

Тем не менее, именно открытие Периодического закона навеки вписало имя Д. И. Менделеева в историю науки.

Ответ: Д. И. Менделеев открыл фундаментальный закон природы — Периодический закон химических элементов, на основе которого создал свою знаменитую Периодическую систему (таблицу Менделеева). Он не только систематизировал известные элементы, но и предсказал существование и свойства новых, а также исправил неверные данные о некоторых уже открытых элементах.