Страница 38 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какую информацию несёт символ химического элемента?

Символ химического элемента (например, $Fe$, $O$, $H$) является условным обозначением и несёт в себе как качественную, так и количественную информацию.

Качественная информация:

• Указывает на конкретный химический элемент (например, символ $H$ обозначает элемент водород, а $O$ — кислород).
• Определяет, о каком простом веществе идёт речь (например, $Fe$ может означать простое вещество железо, состоящее из атомов элемента железа).

Количественная информация:

• Обозначает один атом данного элемента. Например, запись $2H$ означает два отдельных атома водорода.
• Обозначает определённую массу элемента — его относительную атомную массу ($A_r$). Например, для кислорода $A_r(O) \approx 16$ а.е.м.
• Обозначает одну порцию вещества количеством 1 моль атомов данного элемента ($N_A = 6.02 \cdot 10^{23}$ атомов). Масса 1 моль атомов называется молярной массой ($M$) и численно равна относительной атомной массе, но выражается в г/моль.

Кроме того, используя символ элемента и его положение в Периодической системе Д.И. Менделеева, можно получить следующую важнейшую информацию об атоме:

• Порядковый номер ($Z$): Определяет заряд ядра атома (количество протонов) и общее количество электронов в нейтральном атоме.
• Номер периода: Указывает на количество электронных слоёв (энергетических уровней) в атоме.
• Номер группы: Для элементов главных подгрупп указывает на количество валентных электронов (электронов на внешнем энергетическом уровне), которые определяют химические свойства элемента и его высшую валентность.
• Строение атома: Можно определить распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням (электронную конфигурацию).
• Химические свойства: Можно спрогнозировать, является ли элемент металлом или неметаллом, его типичные степени окисления, характер его оксидов и гидроксидов, а также сравнить его свойства со свойствами соседних элементов.

Таким образом, химический символ — это концентрированное выражение важнейших характеристик элемента и его атомов.

Ответ: Символ химического элемента несёт качественную информацию (название элемента, тип простого вещества) и количественную информацию (один атом, один моль атомов, относительная атомная масса). В контексте периодической системы символ предоставляет данные о строении атома (порядковый номер, заряд ядра, число электронов, число электронных слоёв, число валентных электронов) и позволяет прогнозировать его химические свойства.

2. На какие графы делится таблица Д. И. Менделеева по горизонтали? Какие виды этих граф выделяют в короткопериодном варианте таблицы?

По горизонтали периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева делится на периоды. Период — это горизонтальный ряд элементов, в котором атомы имеют одинаковое число электронных оболочек. Элементы в периоде расположены в порядке возрастания заряда ядра их атомов и последовательного заполнения электронами внешней электронной оболочки.

В короткопериодном варианте таблицы, который был исторически первым и до сих пор используется, выделяют два вида периодов (горизонтальных граф):

1. Малые периоды. К ним относятся первые три периода. 1-й период содержит 2 элемента (водород и гелий). 2-й и 3-й периоды содержат по 8 элементов. Каждый малый период состоит из одного горизонтального ряда.

2. Большие периоды. К ним относятся периоды с 4-го по 7-й. Они содержат 18 (4-й и 5-й) или 32 (6-й и 7-й) элемента. В короткопериодном варианте таблицы каждый большой период для компактности располагается в две строки, которые называются рядами. Таким образом, в больших периодах выделяют верхний (четный) и нижний (нечетный) ряды. Например, 4-й период состоит из 4-го и 5-го рядов.

Ответ: По горизонтали таблица Д. И. Менделеева делится на периоды. В короткопериодном варианте таблицы выделяют малые периоды (1-й, 2-й, 3-й), состоящие из одного ряда, и большие периоды (4-й, 5-й, 6-й, 7-й), каждый из которых состоит из двух рядов.

3. На какие графы делится таблица Д. И. Менделеева по вертикали? Какие виды этих граф выделяют в короткопериодном варианте таблицы?

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева по вертикали делится на группы. Группа — это вертикальный столбец, объединяющий элементы со сходными химическими свойствами. Сходство свойств обусловлено тем, что атомы элементов одной группы, как правило, имеют одинаковое строение внешнего электронного уровня, то есть одинаковое число валентных электронов.

В короткопериодном варианте таблицы, который был предложен Д. И. Менделеевым и до сих пор широко используется, выделяют восемь групп. Эти группы (с I по VII) делятся на два вида (две подгруппы):

1. Главная подгруппа (или подгруппа А). Она объединяет элементы малых и больших периодов. В состав главных подгрупп входят s-элементы (элементы IA- и IIA-групп) и p-элементы (элементы IIIA–VIIIA-групп). Элементы главных подгрупп также называют типическими или представительными. В главных подгруппах свойства элементов изменяются наиболее отчетливо сверху вниз (например, усиливаются металлические свойства).

2. Побочная подгруппа (или подгруппа Б). Она состоит исключительно из металлов, которые являются элементами только больших периодов (начиная с четвертого). В побочные подгруппы входят d-элементы (переходные металлы) и f-элементы (лантаноиды и актиноиды). Для элементов побочных подгрупп характерно большее сходство свойств по горизонтали, чем для элементов главных подгрупп.

Например, в I группу входят главная подгруппа (щелочные металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и побочная подгруппа (Cu, Ag, Au).

VIII группа стоит особняком: её главная подгруппа — это благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), а побочная включает три триады переходных металлов: триаду железа (Fe, Co, Ni), триаду рутения (Ru, Rh, Pd) и триаду осмия (Os, Ir, Pt).

Ответ: По вертикали таблица Д. И. Менделеева делится на группы. В короткопериодном варианте таблицы группы (I–VII) делятся на два вида: главные подгруппы (подгруппы А), которые содержат s- и p-элементы, и побочные подгруппы (подгруппы Б), которые содержат d-элементы (переходные металлы).

4. С помощью таблицы Д. И. Менделеева запишите знаки пяти химических элементов, содержащих заглавную букву «С». Используя дополнительные источники информации, узнайте их произношение. Запомните названия и произношение символов этих химических элементов.

Решение

В периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева существует несколько элементов, химические знаки которых начинаются с заглавной буквы «C». Ниже приведены пять таких элементов, их русские названия, происхождение символов и принятое в химии произношение этих символов.

1. Углерод
Химический знак: C. Происходит от латинского названия Carboneum.
Произношение знака: [цэ].

2. Кальций
Химический знак: Ca. Происходит от латинского названия Calcium.
Произношение знака: [кальций].

3. Медь
Химический знак: Cu. Происходит от латинского названия Cuprum.
Произношение знака: [купрум].

4. Кобальт
Химический знак: Co. Происходит от немецкого слова Kobold (гном, домовой).
Произношение знака: [кобальт].

5. Хром
Химический знак: Cr. Происходит от греческого слова χρῶμα (цвет, краска) из-за яркой окраски соединений хрома.
Произношение знака: [хром].

Ответ:
Пять химических элементов, знаки которых начинаются на букву «С», и произношение их символов:
1. C (Углерод) — произносится [цэ].
2. Ca (Кальций) — произносится [кальций].
3. Cu (Медь) — произносится [купрум].
4. Co (Кобальт) — произносится [кобальт].
5. Cr (Хром) — произносится [хром].

5. Предложите своё обоснование деления химических элементов на две группы: металлы и неметаллы. Запишите примеры химических знаков для каждой группы элементов. Прочитайте их.

Обоснование деления химических элементов на металлы и неметаллы

Деление химических элементов на две большие группы — металлы и неметаллы — исторически сложилось на основе различий в физических и химических свойствах образуемых ими простых веществ. Современная наука обосновывает это деление фундаментальными различиями в строении их атомов.

1. Строение атома и положение в Периодической системе Д. И. Менделеева:

• Атомы металлов характеризуются небольшим количеством электронов на внешнем энергетическом уровне (в основном от 1 до 3). Они имеют относительно большой атомный радиус и низкую электроотрицательность. Вследствие этого металлы легко отдают свои валентные электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В Периодической системе металлы занимают левую нижнюю часть, располагаясь в начале периодов и в побочных подгруппах.
• Атомы неметаллов, напротив, имеют на внешнем уровне большее количество электронов (в основном от 4 до 8). У них малый атомный радиус и высокая электроотрицательность. Поэтому неметаллы проявляют выраженную способность принимать электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы (анионы), или образовывать общие электронные пары с другими атомами (ковалентные связи). В Периодической системе они компактно расположены в правом верхнем углу.

2. Физические и химические свойства:

• Простые вещества-металлы в обычных условиях являются твёрдыми кристаллическими веществами (кроме жидкой ртути). Для них характерны: металлический блеск, высокая пластичность (ковкость и тягучесть), высокая тепло- и электропроводность. В химических реакциях металлы выступают как восстановители. Их оксиды и гидроксиды в большинстве случаев проявляют основные или амфотерные свойства.
• Простые вещества-неметаллы не обладают единым комплексом свойств. Они существуют во всех трёх агрегатных состояниях: газы (кислород, азот), жидкость (бром), твёрдые вещества (углерод, сера). В твёрдом состоянии они хрупкие, непластичные, не имеют металлического блеска (за некоторыми исключениями, как графит или иод) и являются диэлектриками или полупроводниками (кроме графита). В реакциях с металлами они — типичные окислители. Их высшие оксиды и соответствующие им гидроксиды (кислородсодержащие кислоты) имеют преимущественно кислотный характер.

Ответ: Обоснованием для деления химических элементов на металлы и неметаллы служат фундаментальные различия в строении их атомов (в первую очередь, число электронов на внешнем уровне и значение электроотрицательности), которые определяют их способность отдавать или принимать электроны. Это, в свою очередь, приводит к кардинальным различиям в физических (агрегатное состояние, блеск, электропроводность, пластичность) и химических (окислительно-восстановительные свойства, кислотно-основный характер оксидов и гидроксидов) свойствах образуемых ими веществ.

Примеры химических знаков для каждой группы и их прочтение

Металлы:

• Na — читается «на́трий». Химический элемент натрий.
• Fe — читается «фе́ррум». Химический элемент железо.
• Al — читается «алюми́ний». Химический элемент алюминий.
• Cu — читается «ку́прум». Химический элемент медь.

Неметаллы:

• C — читается «цэ». Химический элемент углерод.
• S — читается «эс». Химический элемент сера.
• O — читается «о». Химический элемент кислород.
• Cl — читается «хлор». Химический элемент хлор.

Ответ: Примеры химических знаков металлов и их прочтение: Na (натрий), Fe (феррум), Al (алюминий). Примеры химических знаков неметаллов и их прочтение: C (цэ), S (эс), O (о).

6. Названия каких химических элементов в таблице Д.И. Менделеева связаны с Россией?

В периодической таблице Д. И. Менделеева есть несколько химических элементов, названия которых напрямую или косвенно связаны с Россией, её учёными или географическими объектами.

Рутений (Ruthenium, Ru)
Химический элемент с атомным номером 44. Его название происходит от позднелатинского слова Ruthenia, что является латинским названием Руси, а позже и России. Элемент был открыт в 1844 году профессором Казанского университета Карлом-Эрнстом Клаусом, российским химиком немецкого происхождения. Учёный выделил новый элемент из уральской платиновой руды. Таким образом, название напрямую отсылает к стране, где было сделано открытие.

Самарий (Samarium, Sm)
Химический элемент с атомным номером 62. Его связь с Россией является косвенной. Самарий был назван в честь минерала самарскит-(Y), из которого его впервые выделил французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран в 1879 году. В свою очередь, минерал самарскит получил своё название в честь русского горного инженера, начальника штаба Корпуса горных инженеров Василия Евграфовича Самарского-Быховца, который предоставил образцы этого минерала для исследования.

Менделевий (Mendelevium, Md)
Радиоактивный химический элемент с атомным номером 101. Он был назван в честь великого русского учёного-химика Дмитрия Ивановича Менделеева, автора периодического закона и создателя Периодической системы химических элементов. Элемент был синтезирован в 1955 году в США группой учёных под руководством Гленна Сиборга, которые таким образом решили увековечить память о фундаментальном вкладе Менделеева в химию.

Дубний (Dubnium, Db)
Химический элемент с атомным номером 105. Назван в честь российского наукограда Дубна, расположенного в Московской области. В Дубне находится Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ) — один из ведущих мировых центров в области ядерной физики. Именно в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ под руководством академика Г. Н. Флёрова в 1970 году были получены первые достоверные данные о синтезе этого элемента.

Московий (Moscovium, Mc)
Сверхтяжёлый химический элемент с атомным номером 115. Его название происходит от Московской области (Moscow Oblast), на территории которой находится город Дубна и ОИЯИ. Элемент был синтезирован в 2003 году в результате совместной работы учёных из ОИЯИ (Дубна, Россия) и Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (Калифорния, США). Название подчёркивает вклад российского научного центра в открытие сверхтяжёлых элементов.

Оганессон (Oganesson, Og)
Химический элемент с атомным номером 118, который завершает седьмой период таблицы Менделеева. Он назван в честь выдающегося российского физика-ядерщика, академика РАН Юрия Цолаковича Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова в ОИЯИ. Название увековечивает его пионерский вклад в синтез и исследование сверхтяжёлых элементов. Это лишь второй случай в истории, когда элемент был назван в честь ныне живущего учёного.

Ответ: химические элементы, названия которых связаны с Россией: Рутений (Ru), Самарий (Sm), Менделевий (Md), Дубний (Db), Московий (Mc) и Оганессон (Og).

7. Сравните коротко- и длиннопериодный варианты таблицы Д. И. Менделеева.

Короткопериодный и длиннопериодный варианты периодической таблицы Д. И. Менделеева являются двумя графическими формами представления периодического закона. В основе обоих лежит один и тот же принцип, но они значительно различаются по своей структуре, наглядности и соответствию современным научным данным.

Структура таблицы

Короткопериодный вариант, исторически предложенный Менделеевым, состоит из 8 групп и 7 периодов. Особенностью является то, что большие периоды (начиная с 4-го) разделены на два горизонтальных ряда, а каждая группа (кроме VIII) — на главную (А) и побочную (Б) подгруппы. Это делает таблицу компактной, но приводит к размещению в одной вертикальной колонке химически очень разных элементов (например, щелочного металла калия K и переходного металла меди Cu в группе I).

Длиннопериодный вариант, являющийся сегодня международным стандартом, содержит 18 групп. Периоды в нем представляют собой непрерывные ряды. Элементы главных и побочных подгрупп короткого варианта здесь разнесены в отдельные группы. Это "растягивает" таблицу, но делает ее структуру более логичной: d-элементы (переходные металлы) образуют единый блок между s- и p-элементами. Лантаноиды и актиноиды в обоих вариантах обычно выносят под основную таблицу, но в длиннопериодной форме их место в 6-м и 7-м периодах (внутри 3-й группы) является более очевидным.

Ответ: Короткопериодный вариант имеет 8 групп с делением на подгруппы и ряды, что делает его компактным, но структурно запутанным. Длиннопериодный вариант имеет 18 отдельных групп и непрерывные периоды, что делает его структуру более логичной и наглядной, хотя и менее компактной.

Отражение химических свойств и современное значение

Главным преимуществом длиннопериодного варианта является то, что он гораздо лучше отражает периодичность химических свойств. Элементы со схожими свойствами находятся строго в одной группе (например, щелочные металлы в группе 1, галогены в группе 17). Эта структура напрямую связана с электронным строением атомов: положение элемента в таблице однозначно указывает на его электронную конфигурацию и тип валентных орбиталей (s, p, d, f).

Короткопериодный вариант в этом отношении уступает: сходство элементов в главной и побочной подгруппах часто является чисто формальным (например, по высшей степени окисления) и не отражает их реальной химической природы. Из-за этих недостатков короткопериодная форма сегодня считается устаревшей и имеет в основном историческое значение. Длиннопериодная таблица рекомендована Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) и используется во всем мире как основной рабочий инструмент химиков.

Ответ: Длиннопериодный вариант точно отражает закономерности в химических свойствах элементов и их связь с электронным строением, являясь общепринятым международным стандартом. Короткопериодный вариант искажает химическую аналогию между элементами и используется редко, в основном в историческом контексте.

8. Рассчитайте массу атома железа в граммах.

Дано:

Элемент - Железо (Fe)

Относительная атомная масса железа, округленная до целого числа: $Ar(Fe) = 56$ а.е.м.

Молярная масса железа: $M(Fe) = 56$ г/моль.

Постоянная Авогадро: $N_A \approx 6.022 \times 10^{23}$ моль⁻¹.

Найти:

Массу одного атома железа $m_{атома}(Fe)$ в граммах.

Решение:

Для того чтобы найти массу одного атома элемента, необходимо знать его молярную массу и число Авогадро. Молярная масса вещества — это масса одного моля этого вещества. Один моль любого вещества содержит количество частиц (атомов, молекул), равное числу Авогадро.

Следовательно, масса одного атома может быть вычислена путем деления молярной массы элемента на число Авогадро.

Формула для расчета:

$m_{атома} = \frac{M}{N_A}$

Подставим значения для атома железа:

$m_{атома}(Fe) = \frac{56 \text{ г/моль}}{6.022 \times 10^{23} \text{ моль⁻¹}}$

Выполним расчет:

$m_{атома}(Fe) \approx 9.299 \times 10^{-23} \text{ г}$

Округлив результат, получаем:

$m_{атома}(Fe) \approx 9.30 \times 10^{-23} \text{ г}$

Ответ: масса одного атома железа составляет приблизительно $9.30 \times 10^{-23}$ г.