Страница 132 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

3. Как изменяются в периоде с ростом относительной атомной массы:

— металлические свойства;

— неметаллические свойства;

— валентность элементов в высших оксидах;

— валентность элементов в высших гидроксидах;

— характер высших гидроксидов?

металлические свойства; В периоде слева направо с ростом относительной атомной массы увеличивается заряд ядра атома при неизменном числе электронных слоев. Это приводит к усилению притяжения валентных электронов к ядру и уменьшению атомного радиуса. В результате атому становится труднее отдавать электроны. Поскольку металлические свойства определяются способностью атома отдавать электроны (восстановительные свойства), они в периоде ослабевают. Например, в 3-м периоде элементы изменяются от типичного металла натрия ($Na$) до типичного неметалла хлора ($Cl$). Ответ: металлические свойства ослабевают.

неметаллические свойства; Неметаллические свойства характеризуются способностью атома принимать электроны (окислительные свойства). С ростом заряда ядра и уменьшением атомного радиуса в периоде слева направо атому становится легче притягивать и присоединять электроны. Электроотрицательность элементов возрастает. Следовательно, неметаллические свойства усиливаются. Например, в 3-м периоде неметаллические свойства заметно усиливаются от кремния ($Si$) к фосфору ($P$), сере ($S$) и хлору ($Cl$). Ответ: неметаллические свойства усиливаются.

валентность элементов в высших оксидах; Высшая валентность элемента, как правило, равна номеру группы, в которой он находится в периодической системе. При движении по периоду слева направо номер группы увеличивается от I до VII (для элементов главных подгрупп). Соответственно, высшая валентность в оксидах также возрастает. Рассмотрим элементы 3-го периода: $Na_2O$ (валентность $Na$ равна I), $MgO$ (II), $Al_2O_3$ (III), $SiO_2$ (IV), $P_2O_5$ (V), $SO_3$ (VI), $Cl_2O_7$ (VII). Ответ: высшая валентность в оксидах возрастает от I до VII.

валентность элементов в высших гидроксидах; Валентность элемента в его высшем гидроксиде совпадает с его валентностью в высшем оксиде. Высшие гидроксиды являются гидратированными формами высших оксидов. Для элементов 3-го периода соответствующие высшие гидроксиды: $NaOH$ (валентность $Na$ равна I), $Mg(OH)_2$ (II), $Al(OH)_3$ (III), $H_2SiO_3$ (IV), $H_3PO_4$ (V), $H_2SO_4$ (VI), $HClO_4$ (VII). Таким образом, валентность в высших гидроксидах также увеличивается. Ответ: высшая валентность в гидроксидах возрастает от I до VII.

характер высших гидроксидов? Характер высших гидроксидов в периоде изменяется от основного через амфотерный к кислотному. Это связано с увеличением электроотрицательности центрального атома и ростом его положительной степени окисления. По мере движения слева направо по периоду связь элемент–кислород ($Э–О$) становится более прочной и ковалентной, а связь кислород–водород ($О–Н$) – более полярной и слабой, что облегчает отщепление протона ($H^+$). На примере 3-го периода: $NaOH$ — сильное основание (щелочь), $Mg(OH)_2$ — слабое основание, $Al(OH)_3$ — амфотерный гидроксид, $H_2SiO_3$ — очень слабая кислота, $H_3PO_4$ — кислота средней силы, $H_2SO_4$ — сильная кислота, $HClO_4$ — очень сильная кислота. Ответ: характер высших гидроксидов закономерно изменяется от основного к кислотному, то есть основные свойства ослабевают, а кислотные усиливаются.

4. Расположите элементы в порядке возрастания металлических свойств:

a) $C$, $Li$, $Be$;

б) $Ga$, $B$, $Al$;

в) $Cl$, $Al$, $P$;

г) $Mg$, $Si$, $S$.

Металлические свойства элементов, то есть их способность отдавать валентные электроны, изменяются в периодической системе предсказуемым образом. В пределах одного периода (горизонтальный ряд) с увеличением порядкового номера (слева направо) металлические свойства ослабевают. В пределах одной группы (вертикальный столбец) с увеличением порядкового номера (сверху вниз) металлические свойства усиливаются.

а) Элементы C (углерод), Li (литий) и Be (бериллий) находятся во 2-м периоде. В периоде слева направо металлические свойства ослабевают. Литий (группа 1) является самым активным металлом из этой тройки. Бериллий (группа 2) — металл, но менее активный, чем литий. Углерод (группа 14) — неметалл. Таким образом, в порядке возрастания металлических свойств элементы располагаются следующим образом:

Ответ: C, Be, Li.

б) Элементы Ga (галлий), B (бор) и Al (алюминий) находятся в 13-й (IIIА) группе. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются. Бор (период 2) является неметаллом (металлоидом). Алюминий (период 3) — металл. Галлий (период 4) — металл, расположенный ниже алюминия, и его металлические свойства выражены сильнее. Следовательно, ряд по возрастанию металлических свойств будет соответствовать их расположению в группе сверху вниз.

Ответ: B, Al, Ga.

в) Элементы Cl (хлор), Al (алюминий) и P (фосфор) находятся в 3-м периоде. В периоде слева направо металлические свойства ослабевают. Алюминий находится в 13-й группе и является металлом. Фосфор (группа 15) и хлор (группа 17) — типичные неметаллы, причем неметаллические свойства хлора выражены сильнее, чем у фосфора. Таким образом, порядок возрастания металлических свойств будет от самого правого элемента к самому левому.

Ответ: Cl, P, Al.

г) Элементы Mg (магний), Si (кремний) и S (сера) находятся в 3-м периоде. Магний (группа 2) — активный металл. Кремний (группа 14) — металлоид, проявляющий как металлические, так и неметаллические свойства. Сера (группа 16) — типичный неметалл. Металлические свойства ослабевают слева направо по периоду. Следовательно, ряд по возрастанию металлических свойств будет следующим:

Ответ: S, Si, Mg.

5. Расположите оксиды в порядке возрастания основных свойств:

a) $Na_2O$, $Li_2O$, $Cr_2O_3$;

б) $MgO$, $Na_2O$, $Al_2O_3$;

в) $MgO$, $CuO$, $CaO$.

а) Для расположения оксидов $Na_2O$, $Li_2O$, $Cr_2O_3$ в порядке возрастания основных свойств, необходимо учесть природу химических элементов и их положение в Периодической системе.
Оксид хрома(III) $Cr_2O_3$ является амфотерным оксидом, так как хром — это переходный металл в степени окисления +3. Амфотерные оксиды обладают слабо выраженными основными свойствами.
Оксид лития $Li_2O$ и оксид натрия $Na_2O$ являются основными оксидами, так как образованы щелочными металлами. Литий (Li) и натрий (Na) находятся в I группе, при этом натрий расположен ниже лития. В группах сверху вниз основные свойства оксидов усиливаются, поскольку растет радиус атома элемента и его металлические свойства. Следовательно, оксид натрия является более сильным основанием, чем оксид лития.
Таким образом, ряд по возрастанию основных свойств выглядит так: амфотерный оксид, менее основный оксид, более основный оксид.
Ответ: $Cr_2O_3, Li_2O, Na_2O$.

б) Рассмотрим оксиды $MgO$, $Na_2O$, $Al_2O_3$. Элементы натрий (Na), магний (Mg) и алюминий (Al) находятся в одном периоде (третьем).
В периоде слева направо основные свойства оксидов ослабевают, а кислотные усиливаются.
1. Алюминий (Al) находится в 13-й группе, правее натрия и магния. Его оксид, $Al_2O_3$, является амфотерным, проявляя самые слабые основные свойства в данном ряду.
2. Магний (Mg) находится во 2-й группе. Его оксид, $MgO$, является основным.
3. Натрий (Na) находится в 1-й группе, левее всех. Его оксид, $Na_2O$, проявляет наиболее сильные основные свойства.
Следовательно, порядок усиления основных свойств соответствует движению по периоду справа налево.
Ответ: $Al_2O_3, MgO, Na_2O$.

в) Сравним основные свойства оксидов $MgO$, $CuO$, $CaO$.
1. Оксид меди(II) $CuO$ является оксидом переходного металла. Его основные свойства выражены значительно слабее, чем у оксидов щелочноземельных металлов.
2. Оксид магния $MgO$ и оксид кальция $CaO$ — это оксиды металлов главной подгруппы II группы. Магний (Mg) и кальций (Ca) — щелочноземельные металлы. В группе основные свойства оксидов усиливаются сверху вниз. Магний находится в 3-м периоде, а кальций — в 4-м, под магнием. Поэтому $CaO$ является более сильным основанием, чем $MgO$.
Таким образом, самым слабым основанием в ряду является оксид меди, за ним следует оксид магния, а самым сильным — оксид кальция.
Ответ: $CuO, MgO, CaO$.

6. Расположите гидроксиды в порядке возрастания кислотных свойств:

а) $HNO_3$, $H_3BO_3$, $H_2CO_3$;

б) $HClO_4$, $H_2SiO_3$, $H_3PO_4$.

а) $HNO_3, H_3BO_3, H_2CO_3$

Решение

Для определения силы кислородсодержащих кислот, которые являются гидроксидами неметаллов, необходимо проанализировать положение центральных атомов (бор B, углерод C, азот N) в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Все эти элементы находятся во втором периоде.

Сила кислот в периоде возрастает слева направо. Это связано с увеличением электроотрицательности центрального атома и его степени окисления в соответствующем гидроксиде.

Рассмотрим ряд элементов: B $\rightarrow$ C $\rightarrow$ N.

• Электроотрицательность возрастает в данном ряду.
• Степень окисления центрального атома также возрастает: у бора в $H_3BO_3$ (борная кислота) она равна +3, у углерода в $H_2CO_3$ (угольная кислота) — +4, а у азота в $HNO_3$ (азотная кислота) — +5.

Чем выше электроотрицательность и степень окисления центрального атома, тем сильнее он поляризует связь O-H, облегчая отщепление протона ($H^+$). Следовательно, кислотные свойства усиливаются.

Исходя из этого, $H_3BO_3$ является очень слабой кислотой, $H_2CO_3$ — слабой, а $HNO_3$ — сильной кислотой. Таким образом, ряд по возрастанию кислотных свойств будет следующим.

Ответ: $H_3BO_3, H_2CO_3, HNO_3$.

б) $HClO_4, H_2SiO_3, H_3PO_4$

Решение

Аналогично предыдущему пункту, сравним центральные атомы (кремний Si, фосфор P, хлор Cl). Все они находятся в третьем периоде Периодической системы.

При движении по периоду слева направо кислотные свойства соответствующих гидроксидов усиливаются.

Рассмотрим ряд элементов: Si $\rightarrow$ P $\rightarrow$ Cl.

• Электроотрицательность возрастает в данном ряду.
• Степень окисления центрального атома также возрастает: у кремния в $H_2SiO_3$ (кремниевая кислота) она равна +4, у фосфора в $H_3PO_4$ (ортофосфорная кислота) — +5, а у хлора в $HClO_4$ (хлорная кислота) — +7.

Увеличение этих параметров приводит к усилению кислотных свойств. $H_2SiO_3$ — очень слабая, нерастворимая в воде кислота. $H_3PO_4$ — кислота средней силы. $HClO_4$ — одна из самых сильных неорганических кислот.

Следовательно, гидроксиды в порядке возрастания их кислотных свойств располагаются следующим образом.

Ответ: $H_2SiO_3, H_3PO_4, HClO_4$.

7. Названия каких элементов связаны с Россией и русскими? Подготовьте сообщение «Русское начало в названиях химических элементов».

В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева существует несколько элементов, названия которых напрямую или косвенно связаны с Россией, её регионами, городами и выдающимися российскими учёными. Ниже представлен подробный рассказ о каждом из них, что является сообщением на тему «Русское начало в названиях химических элементов».

Рутений (Ruthenium, Ru, № 44)

Этот химический элемент был открыт в 1844 году профессором химии Казанского университета Карлом-Эрнстом Клаусом, российским учёным немецкого происхождения. При исследовании уральской платиновой руды Клаус выделил новый, ранее неизвестный металл. Название «рутений» происходит от позднелатинского слова Ruthenia, что означает «Русь» или «Россия». Таким образом, это первый элемент, названный непосредственно в честь России.

Самарий (Samarium, Sm, № 62)

Связь этого элемента с Россией является косвенной. Самарий был открыт в 1879 году французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. Он выделил его из минерала самарскита. Этот минерал, найденный на Урале, получил своё название ещё в 1847 году в честь русского горного инженера, полковника Василия Евграфовича Самарского-Быховца, который предоставил образцы минерала для изучения европейским химикам. Таким образом, имя инженера было увековечено сначала в названии минерала, а затем и химического элемента.

Менделевий (Mendelevium, Md, № 101)

Этот трансурановый элемент был синтезирован в 1955 году в США, в Калифорнийском университете в Беркли, группой американских физиков под руководством Гленна Сиборга. Учёные предложили назвать новый элемент в честь великого русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева, автора Периодического закона и создателя Периодической таблицы химических элементов. Это стало признанием фундаментального вклада Менделеева в химию и физику, ведь его таблица предсказала существование многих элементов ещё до их открытия.

Дубний (Dubnium, Db, № 105)

Элемент был впервые синтезирован в 1970 году практически одновременно в двух научных центрах: в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в городе Дубна (СССР) группой Георгия Флёрова и в Лаборатории Лоуренса в Беркли (США) группой Альберта Гиорсо. Из-за споров о приоритете открытия элемент долгое время не имел официального названия. Лишь в 1997 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил название «дубний» в честь российского наукограда Дубна, признавая значительный вклад ОИЯИ в синтез и изучение сверхтяжёлых элементов.

Флеровий (Flerovium, Fl, № 114)

Элемент был синтезирован в 1998 году в ОИЯИ (Дубна) в результате сотрудничества российских учёных из Лаборатории ядерных реакций и американских коллег из Ливерморской национальной лаборатории. В 2012 году ему было присвоено название «флеровий» в честь Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флёрова в Дубне, которая, в свою очередь, названа в честь её основателя — выдающегося советского физика-ядерщика Георгия Николаевича Флёрова, одного из пионеров в области синтеза новых элементов.

Московий (Moscovium, Mc, № 115)

Первые атомы этого элемента были получены в 2003 году в ОИЯИ в Дубне в ходе совместных экспериментов российских и американских учёных. Официальное название «московий» было утверждено ИЮПАК в 2016 году. Оно дано в честь Московской области (Moscow Oblast), на территории которой расположен город Дубна и Объединённый институт ядерных исследований, где и был открыт элемент.

Оганесон (Oganesson, Og, № 118)

На сегодняшний день это самый тяжёлый из синтезированных химических элементов. Он был получен в ОИЯИ (Дубна) в период с 2002 по 2005 год. В 2016 году элемент получил название «оганесон» в честь Юрия Цолаковича Оганесяна — российского учёного, академика РАН, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова ОИЯИ. Это второй случай в истории (после сиборгия), когда элемент назван в честь здравствующего учёного, что подчёркивает его исключительный вклад в физику сверхтяжёлых ядер.

Ответ: Химические элементы, названия которых связаны с Россией и русскими: Рутений (в честь России), Самарий (косвенно, в честь русского горного инженера В.Е. Самарского-Быховца), Менделевий (в честь учёного Д.И. Менделеева), Дубний (в честь города Дубна), Флеровий (в честь учёного Г.Н. Флёрова), Московий (в честь Московской области), Оганесон (в честь учёного Ю.Ц. Оганесяна).

8. Подготовьте сообщение по теме «История открытия Периодического закона».

Предпосылки открытия Периодического закона

К середине XIX века было открыто более 60 химических элементов, и учёные по всему миру искали способ их систематизировать. Попытки классификации предпринимались неоднократно, и они стали важными шагами на пути к великому открытию.

• Триады Дёберейнера (1829 г.): Немецкий химик Иоганн Дёберейнер заметил, что некоторые сходные по свойствам элементы можно сгруппировать по три — в «триады». В этих триадах атомная масса среднего элемента была примерно равна среднему арифметическому атомных масс двух крайних. Например, в триаде литий (Li), натрий (Na), калий (K) атомная масса натрия ($A_r(Na) \approx 23$) близка к среднему значению масс лития ($A_r(Li) \approx 7$) и калия ($A_r(K) \approx 39$): $\frac{7+39}{2} = 23$. Другими примерами были триады: кальций-стронций-барий и хлор-бром-йод. Однако этот принцип работал лишь для ограниченного числа элементов.
• Спираль де Шанкуртуа (1862 г.): Французский геолог Александр Эмиль де Шанкуртуа расположил элементы в порядке возрастания их атомных масс по винтовой линии на поверхности цилиндра. Он заметил, что элементы со схожими свойствами оказываются на одних и тех же вертикальных линиях. Его работа, к сожалению, не привлекла должного внимания химиков.
• Закон октав Ньюлендса (1864 г.): Английский химик Джон Ньюлендс, расположив элементы в порядке увеличения атомных масс, обнаружил, что свойства каждого восьмого элемента повторяют свойства первого, подобно нотам в музыкальной октаве. Его «закон октав» был встречен с насмешкой в научном сообществе и не был принят всерьёз, хотя в нём содержалась верная идея периодичности.
• Таблица Лотара Мейера (1864-1870 гг.): Немецкий химик Юлиус Лотар Мейер практически одновременно с Менделеевым работал над систематизацией элементов. В 1864 году он опубликовал таблицу, включавшую 28 элементов, расположенных по валентности. Позже, в 1870 году, он опубликовал более развёрнутую работу с графиком зависимости атомного объёма от атомной массы, который наглядно демонстрировал периодический характер этой зависимости. Однако Мейер не решился сделать предсказания о ещё не открытых элементах, в чём и заключается принципиальное отличие и гениальность работы Менделеева.

Открытие Д. И. Менделеева

Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев совершил решающий прорыв. Работая над своим учебником «Основы химии», он столкнулся с необходимостью логично и последовательно изложить материал о химических элементах. В поисках основы для классификации он перебирал различные варианты.

Легенда гласит, что Менделеев изготовил карточки, на которых написал название каждого из 63 известных на тот момент элементов, его атомную массу и важнейшие свойства. Раскладывая эти карточки, как пасьянс, он пытался найти закономерность. Ключевой идеей стало расположение элементов в порядке возрастания их атомных масс. 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 года Менделеев завершил работу над первым вариантом своей таблицы, названной «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».

В этой таблице Менделеев не просто расположил элементы, но и совершил несколько смелых шагов:

• Он оставил пустые места для ещё не открытых элементов.
• Он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, урана), чтобы они соответствовали найденной закономерности.
• Он поменял местами некоторые элементы (например, теллур и йод), поставив химические свойства выше строгого следования атомным массам.

Формулировка закона и его триумф

В 1869 году Менделеев сформулировал свой Периодический закон: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Самым убедительным доказательством справедливости закона стали предсказания Менделеева. Он детально описал свойства трёх ещё не открытых элементов, которые он условно назвал экаалюминий, экабор и экасилиций (от санскритского «эка» — один, т.е. «первый аналог»).

• В 1875 году французский учёный Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий (Ga), свойства которого поразительно совпали со свойствами предсказанного Менделеевым экаалюминия.
• В 1879 году швед Ларс Нильсон открыл скандий (Sc), оказавшийся экабором.
• В 1886 году немец Клеменс Винклер открыл германий (Ge), полностью соответствующий описанию экасилиция.

Эти открытия стали триумфом Периодического закона и принесли Д. И. Менделееву всемирное признание.

Современная формулировка и значение закона

Несмотря на успех, первоначальная система имела некоторые проблемы. Например, не было места для открытых позже инертных (благородных) газов, а порядок некоторых пар элементов (аргон-калий, кобальт-никель, теллур-йод) нарушал принцип возрастания атомных масс.

Окончательное разъяснение пришло в начале XX века с развитием учения о строении атома. В 1913 году английский физик Генри Мозли экспериментально установил, что фундаментальной характеристикой элемента является не атомная масса, а заряд ядра его атома (порядковый номер).

Это привело к современной формулировке Периодического закона:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

Периодический закон стал величайшим обобщением в химии, фундаментом, на котором стоит вся современная химическая наука. Он позволил не только систематизировать уже известные факты, но и предсказывать новые элементы и их свойства, направлять научный поиск и развивать теорию строения вещества. Его значение выходит далеко за рамки химии, затрагивая физику, геологию, астрономию и многие другие области знаний.

Ответ:

История открытия Периодического закона — это путь от первых попыток систематизации элементов (триады Дёберейнера, закон октав Ньюлендса) к гениальному прорыву Д. И. Менделеева в 1869 году. Основываясь на зависимости свойств элементов от их атомных масс, Менделеев не только создал таблицу, но и предсказал существование и свойства неоткрытых элементов (галлия, скандия, германия), что стало триумфальным подтверждением его закона. Дальнейшее развитие науки, в частности открытие Генри Мозли, уточнило, что периодичность определяется не атомной массой, а зарядом ядра атома. Сегодня Периодический закон является фундаментальной основой химии, позволяющей понимать и предсказывать поведение химических элементов и их соединений.

В переводе с греческого «атом» означает «неделимый». Соответствует ли это действительности?

Термин «атом» действительно происходит от древнегреческого слова «ἄτομος» (атомос), что означает «неделимый». Эту концепцию предложили еще древнегреческие философы, в частности Демокрит, которые предполагали, что вся материя состоит из мельчайших, далее неразрушимых частиц. В течение многих веков эта идея оставалась лишь философской гипотезой.

Однако современная научная картина мира доказывает, что это представление не соответствует действительности. Название «атом» сохранилось лишь по историческим причинам. В конце XIX и начале XX века был сделан ряд фундаментальных открытий, которые продемонстрировали сложную структуру атома и его делимость.

Ключевые открытия, доказавшие делимость атома:
1. Открытие электрона (1897 г., Дж. Дж. Томсон): Было установлено, что в состав атомов входят отрицательно заряженные частицы — электроны. Это стало первым прямым доказательством того, что атом не является элементарной, неделимой частицей.
2. Открытие атомного ядра (1911 г., Э. Резерфорд): Эксперименты по рассеянию альфа-частиц показали, что атом имеет плотное, положительно заряженное ядро, в котором сконцентрирована почти вся его масса, а вокруг ядра вращаются электроны.
3. Открытие протона и нейтрона: Дальнейшие исследования показали, что само ядро также является составным. Оно состоит из положительно заряженных частиц — протонов и частиц, не имеющих заряда — нейтронов.

Таким образом, атом является сложной системой, состоящей из ядра (включающего протоны и нейтроны) и электронов. В процессах, таких как ядерный распад или ядерный синтез, атомы не просто делятся, но и могут превращаться в атомы других химических элементов.

Более того, современная физика элементарных частиц установила, что даже протоны и нейтроны не являются фундаментальными. Они, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц — кварков. На сегодняшний день именно кварки и электроны (относящиеся к классу лептонов) считаются истинно фундаментальными, то есть неделимыми частицами.

Ответ: Нет, название «атом» (что означает «неделимый») не соответствует действительности с точки зрения современной науки. Это исторический термин. Научно доказано, что атом является делимой системой, состоящей из ядра (которое включает в себя протоны и нейтроны) и электронов.