Страница 48 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Есть ли границы у Периодической системы?

Да, у Периодической системы существуют границы, как "нижняя", так и "верхняя". Эти границы обусловлены фундаментальными законами физики.

Нижняя граница

Нижняя граница Периодической системы четко определена. Она начинается с элемента с атомным номером $Z=1$ — водорода. Атомный номер ($Z$) соответствует количеству протонов в ядре атома. Элемент с $Z=0$ не может существовать, так как у него не было бы протонов в ядре, а значит, он не мог бы удерживать электроны и формировать атом в химическом смысле. Частица, состоящая только из нейтронов (нейтроний), не является химическим элементом. Таким образом, водород является первым и самым легким элементом, и элементов "легче" или "проще" него не существует.

Ответ: Нижней границей является водород ($Z=1$).

Верхняя граница

Вопрос о верхней границе гораздо сложнее и до сих пор является предметом научных исследований. Теоретически, таблица не может продолжаться бесконечно. Существует несколько факторов, ограничивающих количество возможных элементов.

1. Ядерная нестабильность. С ростом числа протонов ($Z$) в ядре резко возрастает сила электростатического отталкивания между ними. Чтобы компенсировать это отталкивание, требуется все большее количество нейтронов. Однако для сверхтяжелых элементов даже оптимальное соотношение протонов и нейтронов не может обеспечить стабильность ядра. Такие ядра становятся чрезвычайно нестабильными и быстро распадаются (чаще всего через альфа-распад или спонтанное деление). Период полураспада синтезированных на сегодняшний день элементов с $Z > 110$ измеряется миллисекундами или даже микросекундами. Например, самый тяжелый из известных элементов, Оганесон ($Z=118$), имеет период полураспада самого стабильного изотопа менее одной миллисекунды. Это делает их синтез и изучение крайне сложной задачей.

2. "Остров стабильности". Несмотря на общую тенденцию к нестабильности, теория предсказывает существование так называемого "острова стабильности". Это область в таблице сверхтяжелых элементов, где ядра с определенными "магическими" числами протонов и нейтронов (например, $Z=114$ или $Z=126$ и $N=184$) должны обладать значительно большим временем жизни (от секунд до, возможно, тысяч лет) по сравнению с соседними элементами. Поиски элементов на этом острове являются одной из главных задач современной ядерной физики.

3. Релятивистский предел (Предел Фейнмана-Дирака). Существует и более фундаментальный, теоретический предел. По мере увеличения заряда ядра $Z$, электроны на самой низкой, 1s-орбитали, притягиваются к нему все сильнее и начинают двигаться со скоростями, близкими к скорости света. Согласно упрощенной модели Бора, при $Z > 137$ скорость электрона должна была бы превысить скорость света, что невозможно. Более точный расчет, основанный на релятивистской квантовой механике (уравнение Дирака), показывает, что при заряде ядра $Z_{cr} \approx 173$ (с учетом конечного размера ядра) энергия связи 1s-электрона становится настолько большой, что сравнима с энергией, необходимой для рождения электрон-позитронной пары из вакуума. При таком заряде ядра пустое пространство вокруг него стало бы нестабильным и начало бы "искрить", спонтанно порождая пары частиц. Электрон из пары был бы захвачен ядром, а позитрон (антиэлектрон) был бы испущен. Это означает, что атом в привычном нам виде с электронной оболочкой существовать не смог бы. Такой гипотетический элемент самопроизвольно бы разряжался.

Таким образом, хотя практический предел определяется возможностями синтеза и крайне малым временем жизни сверхтяжелых элементов, существует и теоретическая граница, за которой законы физики предсказывают невозможность существования атома как стабильной системы ядра и электронов.

Ответ: Верхняя граница Периодической системы существует. Практически она ограничена крайней нестабильностью ядер сверхтяжелых элементов. Теоретически существование атомов становится невозможным при атомном номере $Z$ около 173 из-за релятивистских эффектов и нестабильности самого вакуума в сверхсильном электрическом поле ядра.

1. Найдите в периодической таблице благородные газы.

Благородные газы, также называемые инертными газами, — это химические элементы, которые составляют 18-ю группу периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева (по устаревшей классификации — главную подгруппу VIII группы, или VIIIА-группу). В таблице они располагаются в крайнем правом столбце.

Эти элементы характеризуются тем, что их внешняя электронная оболочка является завершённой, что придаёт им высокую стабильность и, как следствие, очень низкую химическую активность. При нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы без цвета, запаха и вкуса.

К благородным газам относятся:

• Гелий ($He$), порядковый номер 2
• Неон ($Ne$), порядковый номер 10
• Аргон ($Ar$), порядковый номер 18
• Криптон ($Kr$), порядковый номер 36
• Ксенон ($Xe$), порядковый номер 54
• Радон ($Rn$), порядковый номер 86 (является радиоактивным)
• Оганесон ($Og$), порядковый номер 118 (сверхтяжёлый, искусственно синтезированный элемент)

Ответ: Благородные газы находятся в 18-й группе (VIIIА-группе) периодической таблицы. Это элементы: гелий ($He$), неон ($Ne$), аргон ($Ar$), криптон ($Kr$), ксенон ($Xe$), радон ($Rn$) и оганесон ($Og$).

2. Перечислите все галогены в периодической таблице. Какой группе и какой подгруппе они принадлежат?

Галогены (название происходит от греческих слов hals — «соль» и genos — «рождение, происхождение», что вместе означает «рождающие соли») — это химические элементы, которые являются сильными окислителями и типичными неметаллами.

В периодической таблице к галогенам относятся следующие элементы:
1. Фтор (F)
2. Хлор (Cl)
3. Бром (Br)
4. Иод (I)
5. Астат (At)
6. Теннессин (Ts)

Астат и теннессин являются радиоактивными элементами, причем теннессин — это искусственно синтезированный сверхтяжёлый элемент.

В периодической системе химических элементов галогены расположены в VII группе, главной подгруппе (подгруппе А). Такое расположение обусловлено тем, что на внешнем электронном уровне у атомов всех галогенов находится по семь валентных электронов (общая электронная конфигурация внешнего слоя $ns^2np^5$), что определяет их схожие химические свойства.

Согласно современной международной номенклатуре ИЮПАК (IUPAC), эта группа элементов называется 17-й группой.

Ответ: Галогены — это фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), иод (I), астат (At) и теннессин (Ts). Они принадлежат к главной подгруппе VII группы (VIIA) или, по современной классификации, к 17-й группе периодической таблицы химических элементов.

3. Используя периодическую таблицу, дайте характеристику восьмого элемента Периодической системы.

Восьмой элемент Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева — это Кислород (лат. Oxygenium), химический символ O. Ниже представлена его полная характеристика.

Положение в Периодической системе
Кислород (O) имеет порядковый номер 8. Он расположен во втором периоде (малом), в VI группе, главной подгруппе (или 16-й группе по современной классификации). Относительная атомная масса кислорода, округленная до целого числа, составляет 16 а.е.м. ($A_r(O) \approx 16$).
Ответ: Порядковый номер 8, 2-й период, VIА (16-я) группа.

Строение атома
Заряд ядра атома кислорода равен +8, что соответствует количеству протонов в ядре ($p^+ = 8$). Число электронов в нейтральном атоме также равно 8 ($e^- = 8$). Наиболее распространенный изотоп кислорода — $^{16}O$, в ядре которого содержится 8 нейтронов ($n^0 = 16 - 8 = 8$). Электроны в атоме кислорода распределены по двум энергетическим уровням. Электронная формула (конфигурация) атома: $O: +8) \ 2e^-, 6e^-$ или в более подробном виде $1s^22s^22p^4$. На внешнем (втором) энергетическом уровне находится 6 валентных электронов. До завершения внешнего уровня атому кислорода не хватает 2 электронов, что определяет его типичную валентность, равную II, и степень окисления -2.
Ответ: Заряд ядра +8, 8 протонов, 8 электронов, 8 нейтронов (для изотопа $^{16}O$). Электронная конфигурация $1s^22s^22p^4$. На внешнем уровне 6 электронов.

Характер элемента и его соединений
Кислород — это типичный p-элемент, ярко выраженный неметалл. Он обладает очень высокой электроотрицательностью (3,44 по Полингу), уступая по этому показателю только фтору. В большинстве соединений проявляет постоянную степень окисления -2. Исключения составляют: пероксиды (степень окисления -1, например, в $H_2O_2$), надпероксиды ($-1/2$), озониды ($-1/3$), а также соединения с фтором, где кислород имеет положительную степень окисления ($OF_2$ — степень окисления +2, $O_2F_2$ — степень окисления +1).
Летучее водородное соединение — вода, формула $H_2O$. Вода проявляет амфотерные свойства (может быть и кислотой, и основанием), является хорошим полярным растворителем. Высшего оксида кислород не образует, поскольку сам является элементом, образующим оксиды. Его соединение с водородом ($H_2O$) не образует кислоту в классическом понимании, в отличие от других элементов VIA-группы (например, $H_2S$ — сероводородная кислота).
Ответ: Ярко выраженный неметалл с высокой электроотрицательностью. Основная степень окисления -2. Летучее водородное соединение — $H_2O$ (вода).

Простые вещества
Кислород образует две аллотропные модификации: кислород ($O_2$) и озон ($O_3$).
Кислород ($O_2$) — при нормальных условиях это газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха и малорастворим в воде. Является сильным окислителем, активно реагирует со многими веществами, поддерживает процессы дыхания и горения.
Озон ($O_3$) — газ голубого цвета с характерным резким запахом (запах "после грозы"). Является значительно более сильным окислителем, чем $O_2$. Токсичен в высоких концентрациях.
Ответ: Образует два простых вещества (аллотропные модификации): кислород ($O_2$) и озон ($O_3$), оба являются сильными окислителями.

4. Опишите элемент, который находится в третьем периоде и III группе.

Решение

Элемент, который находится в третьем периоде и III группе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, — это алюминий (химический символ $Al$).

Порядковый номер алюминия — 13. Это означает, что ядро его атома содержит 13 протонов, а на электронных оболочках находится 13 электронов. Относительная атомная масса элемента примерно равна 27, следовательно, число нейтронов в ядре составляет $27 - 13 = 14$.

Положение в 3-м периоде указывает на наличие у атома трех энергетических уровней. Электронная конфигурация атома алюминия записывается как $1s^22s^22p^63s^23p^1$. На внешнем энергетическом уровне находятся 3 валентных электрона ($3s^23p^1$), что и определяет положение элемента в III группе (главной подгруппе).

Алюминий является p-элементом и представляет собой активный металл. В соединениях он проявляет постоянную степень окисления +3. Его высший оксид — $Al_2O_3$ (оксид алюминия), а соответствующий гидроксид — $Al(OH)_3$ (гидроксид алюминия). Оба этих соединения проявляют амфотерные свойства, то есть способны реагировать и с кислотами, и со щелочами. Как металл, алюминий не образует летучих водородных соединений.

Ответ: Элемент, находящийся в третьем периоде и III группе, — алюминий ($Al$). Его порядковый номер 13, атомная масса ≈ 27. Это p-элемент, металл. Электронная формула атома: $1s^22s^22p^63s^23p^1$. Степень окисления в соединениях +3. Высший оксид $Al_2O_3$ и гидроксид $Al(OH)_3$ обладают амфотерными свойствами.

5. По аналогии с I группой определите, какие элементы входят в состав главной и побочной подгрупп II группы.

В периодической системе химических элементов группы делятся на главные (А) и побочные (Б) подгруппы. Принцип разделения основан на том, какой электронный подуровень (s, p, d или f) заполняется последним у элементов данной подгруппы. По аналогии с I группой, где главная подгруппа состоит из s-элементов (щелочные металлы), а побочная — из d-элементов (медь, серебро, золото), мы можем определить состав подгрупп II группы.

Главная подгруппа II группы (IIA)

В главную подгруппу II группы входят s-элементы, у которых на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона на s-орбитали. Электронная конфигурация их внешнего слоя — $ns^2$. Эти элементы называются щелочноземельными металлами (кроме бериллия и магния, которые проявляют некоторые отличия в свойствах). К этой подгруппе относятся:

Бериллий (Be), Магний (Mg), Кальций (Ca), Стронций (Sr), Барий (Ba), Радий (Ra).

Ответ: в состав главной подгруппы II группы входят бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra).

Побочная подгруппа II группы (IIB)

В побочную подгруппу II группы входят d-элементы, у которых завершается заполнение d-подуровня предыдущего энергетического уровня, а на внешнем s-подуровне также находятся два электрона. Общая электронная конфигурация их валентных электронов — $(n-1)d^{10}ns^2$. Эти металлы завершают каждый из трех рядов переходных d-элементов. К этой подгруппе относятся:

Цинк (Zn), Кадмий (Cd), Ртуть (Hg), а также синтезированный сверхтяжелый элемент Коперниций (Cn).

Ответ: в состав побочной подгруппы II группы входят цинк (Zn), кадмий (Cd), ртуть (Hg) и коперниций (Cn).