Страница 144 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

3. Охарактеризуйте химические элементы литий, бериллий и бор по плану:

порядковый номер;

положение в Периодической системе (номер периода, номер группы, подгруппа):

число протонов в ядре атома;

число энергетических уровней;

общее число электронов;

число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Характеристика лития (Li)

порядковый номер;

Порядковый номер химического элемента соответствует числу протонов в ядре его атома. Для лития это номер 3.

Ответ: 3

положение в Периодической системе (номер периода, номер группы, подгруппа);

Литий ($Li$) — элемент, расположенный во втором периоде (малом), в I группе, главной (А) подгруппе.

Ответ: 2-й период, I группа, главная подгруппа.

число протонов в ядре атома;

Число протонов в ядре атома элемента равно его порядковому номеру. Так как порядковый номер лития равен 3, то в ядре его атома содержится 3 протона. Заряд ядра атома лития равен $+3$.

Ответ: 3

число энергетических уровней;

Число заполняемых электронами энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится элемент. Литий находится во 2-м периоде, следовательно, электроны в его атоме располагаются на двух энергетических уровнях.

Ответ: 2

общее число электронов;

Атом является электронейтральной частицей, поэтому число электронов в нем равно числу протонов в ядре. У атома лития общее число электронов равно 3.

Ответ: 3

число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Литий — элемент главной подгруппы, поэтому число электронов на его внешнем энергетическом уровне равно номеру группы. Литий находится в I группе, следовательно, на его внешнем уровне находится 1 электрон. Электронная формула атома лития: $1s^22s^1$.

Ответ: 1

Характеристика бериллия (Be)

порядковый номер;

Порядковый номер бериллия в Периодической системе Д.И. Менделеева — 4.

Ответ: 4

положение в Периодической системе (номер периода, номер группы, подгруппа);

Бериллий ($Be$) — элемент, расположенный во втором периоде, во II группе, главной (А) подгруппе.

Ответ: 2-й период, II группа, главная подгруппа.

число протонов в ядре атома;

Число протонов в ядре атома бериллия соответствует его порядковому номеру и равно 4. Заряд ядра атома бериллия равен $+4$.

Ответ: 4

число энергетических уровней;

Бериллий находится во 2-м периоде, поэтому электроны в его атоме располагаются на двух энергетических уровнях.

Ответ: 2

общее число электронов;

В электронейтральном атоме бериллия общее число электронов равно числу протонов, то есть 4.

Ответ: 4

число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Бериллий — элемент II группы главной подгруппы, поэтому на его внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Электронная формула атома бериллия: $1s^22s^2$.

Ответ: 2

Характеристика бора (B)

порядковый номер;

Порядковый номер бора в Периодической системе Д.И. Менделеева — 5.

Ответ: 5

положение в Периодической системе (номер периода, номер группы, подгруппа);

Бор ($B$) — элемент, расположенный во втором периоде, в III группе (или 13-й по современной классификации), главной (А) подгруппе.

Ответ: 2-й период, III группа, главная подгруппа.

число протонов в ядре атома;

Число протонов в ядре атома бора равно его порядковому номеру, то есть 5. Заряд ядра атома бора равен $+5$.

Ответ: 5

число энергетических уровней;

Бор находится во 2-м периоде, следовательно, электроны в его атоме расположены на двух энергетических уровнях.

Ответ: 2

общее число электронов;

Атом бора электронейтрален, поэтому общее число электронов в нем равно 5.

Ответ: 5

число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Бор — элемент III группы главной подгруппы, поэтому на его внешнем энергетическом уровне находится 3 электрона. Электронная формула атома бора: $1s^22s^22p^1$.

Ответ: 3

4. Определите количество электронов, которое нужно отдать или присоединить для получения завершённого внешнего энергетического уровня атомам следующих химических элементов: кислород, натрий, хлор, магний.

Для определения того, сколько электронов атому необходимо отдать или присоединить для достижения завершённого внешнего энергетического уровня (стабильной электронной конфигурации), нужно знать количество электронов на его внешнем уровне. Атомы стремятся к конфигурации ближайшего к ним благородного газа, которая обычно содержит 8 электронов на внешнем уровне (правило октета).

кислород

Атом кислорода (O) имеет порядковый номер 8 и находится в 16-й группе (VIA) периодической системы. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^4$. На внешнем энергетическом уровне у него 6 электронов. Чтобы завершить внешний уровень до 8 электронов, атому кислорода энергетически выгоднее присоединить 2 электрона, чем отдать 6. При присоединении двух электронов образуется ион $O^{2-}$.
Ответ: атому кислорода нужно присоединить 2 электрона.

натрий

Атом натрия (Na) имеет порядковый номер 11 и находится в 1-й группе (IA) периодической системы. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^1$. На внешнем энергетическом уровне у него всего 1 электрон. Для достижения стабильной конфигурации атому натрия гораздо легче отдать этот один электрон. В этом случае предыдущий энергетический уровень, на котором находится 8 электронов, становится внешним. При отдаче одного электрона образуется ион $Na^+$.
Ответ: атому натрия нужно отдать 1 электрон.

хлор

Атом хлора (Cl) имеет порядковый номер 17 и находится в 17-й группе (VIIA) периодической системы. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^23p^5$. На внешнем энергетическом уровне у него 7 электронов. Для завершения внешнего уровня до 8 электронов атому хлора необходимо присоединить 1 электрон. При присоединении одного электрона образуется ион $Cl^-$.
Ответ: атому хлора нужно присоединить 1 электрон.

магний

Атом магния (Mg) имеет порядковый номер 12 и находится во 2-й группе (IIA) периодической системы. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^2$. На внешнем энергетическом уровне у него 2 электрона. Атому магния энергетически выгоднее отдать эти 2 электрона. При этом предыдущий уровень с 8 электронами становится внешним завершенным. При отдаче двух электронов образуется ион $Mg^{2+}$.
Ответ: атому магния нужно отдать 2 электрона.

5. Символы каких трёх химических элементов расположены в порядке увеличения радиусов их атомов:

а) P, Si, Al;

б) C, N, O;

в) Ca, Mg, Be;

г) C, B, Al?

Решение

Для определения правильного ответа необходимо проанализировать, как изменяется радиус атомов химических элементов в периодической системе. Существуют две основные закономерности:

• При движении по периоду слева направо радиус атома уменьшается. Это происходит из-за увеличения заряда ядра при неизменном числе электронных слоев, что приводит к более сильному притяжению валентных электронов к ядру.
• При движении по группе сверху вниз радиус атома увеличивается, так как с каждым новым периодом добавляется новый электронный слой.

Проанализируем каждый из предложенных рядов элементов:

а) P, Si, Al

Элементы фосфор (P), кремний (Si) и алюминий (Al) находятся в 3-м периоде. Их расположение в группах: Al в 13-й, Si в 14-й, а P в 15-й. В данном ряду элементы расположены в порядке движения по периоду справа налево (от группы 15 к группе 13). В этом направлении радиус атома увеличивается. Следовательно, ряд выстроен в порядке увеличения радиусов: $R(\text{P}) < R(\text{Si}) < R(\text{Al})$. Этот вариант правильный.

б) C, N, O

Элементы углерод (C), азот (N) и кислород (O) находятся во 2-м периоде. Ряд соответствует движению слева направо (от 14-й к 16-й группе). В этом направлении радиус атома уменьшается. Таким образом, этот ряд расположен в порядке уменьшения радиусов: $R(\text{C}) > R(\text{N}) > R(\text{O})$. Этот вариант неправильный.

в) Ca, Mg, Be

Элементы кальций (Ca), магний (Mg) и бериллий (Be) находятся в одной (2-й) группе. Ряд соответствует движению по группе снизу вверх (от 4-го периода к 2-му). В этом направлении число электронных слоев уменьшается, и радиус атома также уменьшается. Таким образом, этот ряд расположен в порядке уменьшения радиусов: $R(\text{Ca}) > R(\text{Mg}) > R(\text{Be})$. Этот вариант неправильный.

г) C, B, Al

Рассмотрим элементы: углерод (C) и бор (B) находятся во 2-м периоде, а алюминий (Al) — в 3-м периоде. Бор и алюминий находятся в 13-й группе.1. Сравним углерод (C, группа 14) и бор (B, группа 13). Они в одном периоде. Бор находится левее, поэтому его радиус больше: $R(\text{C}) < R(\text{B})$.2. Сравним бор (B, период 2) и алюминий (Al, период 3). Они в одной группе. Алюминий находится ниже, поэтому его радиус больше: $R(\text{B}) < R(\text{Al})$.Объединив эти неравенства, получаем, что ряд выстроен в порядке увеличения радиусов: $R(\text{C}) < R(\text{B}) < R(\text{Al})$. Этот вариант также является правильным.

Поскольку оба варианта 'а' и 'г' удовлетворяют условию задачи, оба являются верными ответами.

Ответ: а, г

6. Выберите ряд чисел, которому соответствует распределение электронов по энергетическим уровням атома, металлические свойства которого выражены наиболее ярко:

а) 2, 8, 2;

б) 2, 8, 5;

в) 2, 8, 1;

г) 2, 8, 8, 1.

Для того чтобы определить, какой из атомов обладает наиболее ярко выраженными металлическими свойствами, нужно проанализировать их электронное строение. Металлические свойства — это способность атома отдавать электроны с внешнего энергетического уровня. Эта способность зависит от двух основных факторов:

• Количества электронов на внешнем уровне (валентных электронов). Чем их меньше, тем легче атом их отдает.
• Радиуса атома. Чем больше радиус атома (т.е. чем дальше валентные электроны от ядра), тем слабее они притягиваются к ядру и тем легче их отдать.

В Периодической системе химических элементов металлические свойства усиливаются при движении по группе сверху вниз (увеличивается радиус атома) и ослабевают при движении по периоду слева направо (увеличивается число валентных электронов и заряд ядра при неизменном числе электронных слоев).

Проанализируем каждый вариант:

а) 2, 8, 2
Суммарное число электронов равно 12. Это элемент с порядковым номером 12 — Магний (Mg). Он находится в 3-м периоде, II группе. На внешнем уровне 2 электрона. Это металл.

б) 2, 8, 5
Суммарное число электронов равно 15. Это элемент с порядковым номером 15 — Фосфор (P). Он находится в 3-м периоде, V группе. На внешнем уровне 5 электронов. Это неметалл, так как ему энергетически выгоднее принять 3 электрона, чем отдать 5.

в) 2, 8, 1
Суммарное число электронов равно 11. Это элемент с порядковым номером 11 — Натрий (Na). Он находится в 3-м периоде, I группе. На внешнем уровне 1 электрон. Это щелочной металл.

г) 2, 8, 8, 1
Суммарное число электронов равно 19. Это элемент с порядковым номером 19 — Калий (K). Он находится в 4-м периоде, I группе. На внешнем уровне 1 электрон. Это щелочной металл.

Теперь сравним элементы, проявляющие металлические свойства: Mg, Na, K.

1. Сравним Na (2, 8, 1) и Mg (2, 8, 2). Оба элемента находятся в 3-м периоде. Поскольку металлические свойства в периоде ослабевают слева направо, Na (I группа) является более сильным металлом, чем Mg (II группа).

2. Сравним Na (2, 8, 1) и K (2, 8, 8, 1). Оба элемента находятся в I группе. Металлические свойства в группе усиливаются сверху вниз. Калий находится в 4-м периоде, ниже натрия (3-й период). У калия больше энергетических уровней, его атомный радиус больше, и единственный валентный электрон слабее связан с ядром. Поэтому калий легче отдает электрон и является более активным металлом, чем натрий.

Следовательно, из всех предложенных вариантов атом с распределением электронов 2, 8, 8, 1 (калий) обладает самыми сильными металлическими свойствами.

Ответ: г.

7. Дайте свою оценку строк из стихотворения С. Щипачёва «Читая Менделеева»:

Другого ничего в природе нет

ни здесь, ни там, в космических глубинах:

всё — от песчинок малых до планет —

из элементов состоит единых.

Решение

Эти строки из стихотворения Степана Щипачёва являются прекрасным поэтическим выражением одной из фундаментальных научных идей — материального единства Вселенной. Поэт, вдохновлённый гением Дмитрия Менделеева и его Периодическим законом, передаёт восхищение тем фактом, что всё невообразимое многообразие мира, от микроскопических песчинок до гигантских планет, построено из одного и того же ограниченного набора «кирпичиков» — химических элементов.

С точки зрения химии и нашего понимания обычной (барионной) материи, это утверждение абсолютно верно. Вся материя, которую мы можем наблюдать и изучать, состоит из атомов. Атомы, в свою очередь, относятся к определённым химическим элементам, систематизированным в Периодической таблице. Астрономические наблюдения, в частности спектральный анализ света от далёких звёзд и галактик, неопровержимо доказывают, что химические элементы, из которых состоит Земля и всё на ней, те же самые, что и в самых отдалённых уголках космоса. Таким образом, утверждение, что «всё — от песчинок малых до планет — из элементов состоит единых», является научно корректным.

Однако, если подходить к первой строке «Другого ничего в природе нет» с абсолютной строгостью современной физики и космологии, её можно считать поэтическим преувеличением. Современная научная картина мира включает в себя не только вещество, состоящее из химических элементов. Считается, что обычное вещество составляет лишь около 5% от всей массы-энергии Вселенной. Остальное приходится на гипотетические тёмную материю (около 27%) и тёмную энергию (около 68%), природа которых до сих пор неизвестна, но они точно не состоят из элементов таблицы Менделеева. Кроме того, «природа» включает в себя также фундаментальные поля (электромагнитное, гравитационное) и энергию в чистом виде (например, фотоны), которые не являются веществом, состоящим из атомов.

Таким образом, строки Щипачёва — это блестящая дань уважения великому научному открытию, которое показало единство и порядок в основе материального мира. Поэтически точно и ёмко они передают суть химического взгляда на Вселенную. Хотя современная физика расширила наши представления о компонентах природы за пределы химических элементов, это не умаляет глубины и красоты поэтического образа. Стихотворение верно отражает революционную идею о том, что весь видимый нами мир говорит на одном общем «химическом языке».

Ответ: Данные строки являются точным с точки зрения химии и очень выразительным поэтическим описанием принципа материального единства видимой Вселенной. Они справедливо утверждают, что всё вещество, от земных объектов до космических тел, состоит из одного и того же набора химических элементов. Однако утверждение «другого ничего в природе нет» является некоторым упрощением с позиции современной физики, которая постулирует существование также тёмной материи, тёмной энергии и фундаментальных полей, не состоящих из химических элементов.

Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева позволяют прогнозировать свойства элементов и образованных ими веществ. Каким образом?

Периодический закон, сформулированный Д. И. Менделеевым, гласит, что свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер. Периодическая система является графическим выражением этого закона, и её структура, основанная на положении элемента, позволяет делать точные прогнозы.

Прогнозирование свойств основано на следующих принципах:

1. Положение элемента в группе (вертикальном столбце)
Элементы, расположенные в одной группе, имеют одинаковое строение внешнего электронного уровня (одинаковое число валентных электронов). Это обуславливает сходство их химических свойств.
• Сходство свойств: Зная свойства одного элемента в группе, можно с большой долей вероятности предсказать свойства других. Например, все щелочные металлы (I группа, главная подгруппа) — литий (Li), натрий (Na), калий (K) — являются сильными восстановителями, бурно реагируют с водой, образуя щёлочи ($ROH$), и имеют высшую степень окисления +1.
• Прогнозирование формул соединений: По номеру группы можно определить высшую степень окисления элемента (для большинства элементов главных подгрупп она равна номеру группы) и, следовательно, составить формулы его соединений. Например, для всех элементов IV группы (углерод C, кремний Si, германий Ge) формула высшего оксида — $ЭO_2$. Для неметаллов IV-VII групп можно также предсказать формулу летучего водородного соединения по правилу $ЭН_{8-N}$, где N — номер группы. Например, для серы (S, VI группа) это будет $H_2S$, а для хлора (Cl, VII группа) — $HCl$.

2. Положение элемента в периоде (горизонтальном ряду)
В периоде с ростом порядкового номера элемента (заряда ядра) происходит постепенное и закономерное изменение свойств, так как увеличивается число электронов на внешнем уровне при неизменном числе электронных слоев.
• Изменение характера элементов и их соединений: Слева направо в периоде металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. Например, в 3-м периоде натрий (Na) — типичный металл, его оксид $Na_2O$ и гидроксид $NaOH$ — сильные основания. Далее следует амфотерный алюминий (Al) с оксидом $Al_2O_3$. В конце периода находится хлор (Cl) — типичный неметалл, чей высший оксид $Cl_2O_7$ и соответствующая ему кислота $HClO_4$ обладают ярко выраженными кислотными свойствами.
• Изменение атомных характеристик: В периоде слева направо уменьшается радиус атомов и увеличивается их электроотрицательность. Это позволяет сравнивать реакционную способность элементов и прочность химических связей в их соединениях.

3. Прогнозирование свойств неоткрытых элементов
Исторически самым ярким подтверждением прогностической силы периодического закона стала способность Д. И. Менделеева предсказать существование и детально описать свойства ещё не открытых на тот момент элементов. Он оставил в таблице пустые клетки и на основе свойств соседних элементов (по группе и по периоду) описал будущие элементы, которые он назвал эка-алюминий (позже открытый галлий, Ga), эка-бор (скандий, Sc) и эка-кремний (германий, Ge). Его прогнозы относительно их атомных масс, плотности, температур плавления, а также формул и свойств их оксидов и хлоридов оказались поразительно точными.

Ответ: Периодический закон и система позволяют прогнозировать свойства элементов и их соединений, потому что свойства определяются строением атома (конкретно — числом валентных электронов), которое периодически повторяется с ростом заряда ядра. Положение элемента в таблице (в периоде и группе) является ключом к пониманию строения его атома. Зная закономерности изменения свойств по группе (где они схожи) и по периоду (где они изменяются предсказуемо), можно охарактеризовать любой элемент и его соединения, сравнивая их со свойствами его "соседей" по таблице.