Страница 104 - гдз по химии 8 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

12. Установите соответствие между элементом и составом его атома.

ЭЛЕМЕНТ

А) алюминий

Б) кальций

СОСТАВ АТОМА

1) $20p, 20n, 20e$

2) $13p, 14n, 13e$

3) $20p, 20n, 18e$

4) $13p, 14n, 10e$

5) $20p, 22n, 20e$

Решение:

Для установления соответствия между элементом и составом его атома необходимо определить число протонов ($p$), электронов ($e$) и нейтронов ($n$) для каждого элемента, используя периодическую систему химических элементов.

• Число протонов в ядре атома определяется порядковым номером элемента.
• Атом в целом электронейтрален, поэтому число электронов на орбиталях равно числу протонов в ядре.
• Число нейтронов может быть разным для различных изотопов одного и того же элемента. Оно указано в вариантах ответа.

А) алюминий

Алюминий (Al) находится в периодической таблице под номером 13. Это означает, что в ядре любого атома алюминия содержится 13 протонов. Так как атом является нейтральной частицей, он должен содержать 13 электронов. Ищем вариант с $13p$ и $13e$.

Из предложенных вариантов только вариант 2) $13p, 14n, 13e$ удовлетворяет этим условиям. Этот состав соответствует атому наиболее распространенного изотопа алюминия-27 (массовое число $A = 13 + 14 = 27$). Вариант 4) $13p, 14n, 10e$ описывает ион алюминия $Al^{3+}$, а не нейтральный атом.

Ответ: 2.

Б) кальций

Кальций (Ca) — элемент с порядковым номером 20. Следовательно, атом кальция содержит 20 протонов. Будучи электронейтральным, он также содержит 20 электронов. Этим условиям ($p=20, e=20$) соответствуют варианты 1) и 5).

• Вариант 1) $20p, 20n, 20e$ — описывает атом изотопа кальций-40 ($A = 20 + 20 = 40$).
• Вариант 5) $20p, 22n, 20e$ — описывает атом изотопа кальций-42 ($A = 20 + 22 = 42$).

В подобных задачах, если не указано иное, подразумевается самый распространенный в природе изотоп. Для кальция это кальций-40. Вариант 3) $20p, 20n, 18e$ соответствует иону $Ca^{2+}$, а не атому.

Таким образом, для атома кальция наиболее подходящим является вариант 1.

Ответ: 1.

13. Обычно вещества, образованные различными изотопами одного химического элемента, например изотопами калия, не отличаются по свойствам. Исключение составляют изотопы водорода и их соединения. Изотопы водорода имеют даже собственные названия и обозначения: протий $^1\text{H}$, дейтерий $^2\text{D}$. Лёгкая вода $\text{H}_2\text{O}$ имеет меньшую вязкость, более низкую температуру плавления, чем тяжёлая вода $\text{D}_2\text{O}$. Объясните этот факт.

Различие в физических свойствах легкой воды ($H_2O$) и тяжелой воды ($D_2O$) является ярким примером изотопного эффекта. Причина кроется в значительной относительной разнице масс изотопов водорода: протия ($^1H$) и дейтерия ($^2D$). Атом дейтерия почти в два раза тяжелее атома протия.

Химические свойства, определяемые строением электронной оболочки, у изотопов одинаковы. Однако масса атома влияет на колебательные характеристики химических связей. Это, в свою очередь, сказывается на силе межмолекулярных взаимодействий, в частности, водородных связей, которые и определяют такие свойства воды, как температура плавления и вязкость.

1. Прочность ковалентной связи. Ковалентная связь O-H (в легкой воде) и O-D (в тяжелой воде) не является жесткой, атомы в ней совершают колебания. Частота этих колебаний обратно пропорциональна приведенной массе системы. Так как дейтерий тяжелее протия, связь O-D колеблется с меньшей частотой, чем связь O-H. В квантовой механике любая связь обладает минимальной, ненулевой энергией — так называемой энергией нулевых колебаний ($E_0 = \frac{1}{2}h\nu$, где $\nu$ — частота колебаний). У связи O-D эта энергия ниже, чем у связи O-H. Это означает, что для разрыва ковалентной связи O-D требуется больше энергии, то есть она является более прочной.

2. Сила водородной связи. Более прочная ковалентная связь O-D приводит к тому, что и межмолекулярная водородная связь в тяжелой воде оказывается прочнее, чем в легкой. Атом дейтерия, будучи тяжелее, имеет меньшую амплитуду колебаний, что приводит к более стабильному и сильному усредненному электростатическому взаимодействию с атомом кислорода соседней молекулы. Таким образом, водородные связи $D_2O \cdots D_2O$ прочнее, чем $H_2O \cdots H_2O$.

3. Влияние на физические свойства.

• Температура плавления: Плавление — это процесс разрушения упорядоченной кристаллической решетки (льда), который требует затрат энергии на преодоление межмолекулярных сил. Поскольку водородные связи в тяжелом льду прочнее, для их разрыва требуется больше энергии, а значит, и более высокая температура. Поэтому температура плавления $D_2O$ (около $3.8 \,^{\circ}\text{C}$) выше, чем у $H_2O$ ($0 \,^{\circ}\text{C}$).
• Вязкость: Вязкость жидкости характеризует сопротивление течению и обусловлена силами межмолекулярного сцепления. Чтобы молекулы могли перемещаться друг относительно друга, водородные связи должны постоянно разрываться и образовываться. Более прочные водородные связи в $D_2O$ создают большее сопротивление этому процессу, что и объясняет ее более высокую вязкость по сравнению с $H_2O$.

Таким образом, именно значительное различие в массах изотопов водорода приводит к заметному изменению силы водородных связей, что и является причиной наблюдаемых различий в физических свойствах легкой и тяжелой воды.

Ответ: Разница в свойствах легкой ($H_2O$) и тяжелой ($D_2O$) воды объясняется изотопным эффектом, связанным со значительной (почти двукратной) разницей масс атомов водорода — протия ($^1H$) и дейтерия ($^2D$). Более тяжелый дейтерий приводит к тому, что водородные связи в тяжелой воде оказываются прочнее, чем в легкой. Для разрушения более прочных связей при плавлении требуется больше энергии, поэтому у $D_2O$ выше температура плавления. Более сильное межмолекулярное взаимодействие также увеличивает сопротивление течению, что делает $D_2O$ более вязкой.

14. Назовите семейство химических элементов, атомы которых имеют завершённый внешний электронный слой. Укажите их положение в периодической системе химических элементов.

Семейство химических элементов, атомы которых имеют завершённый внешний электронный слой, называется инертные газы или благородные газы.

Внешний электронный слой считается завершённым, когда он содержит максимальное для данного энергетического уровня количество электронов.

• У атома гелия ($He$), который находится в первом периоде, внешний слой (первый энергетический уровень) завершён и содержит 2 электрона. Его электронная конфигурация $1s^2$.
• У атомов всех остальных благородных газов (неон $Ne$, аргон $Ar$, криптон $Kr$, ксенон $Xe$, радон $Rn$, оганесон $Og$) на внешнем электронном слое находится по 8 электронов. Общая электронная формула их внешнего слоя — $ns^2np^6$, где $n$ — номер периода.

Такая электронная конфигурация очень устойчива, что объясняет крайне низкую химическую активность этих элементов.

В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева инертные газы располагаются в 18-й группе (по устаревшей классификации — главная подгруппа VIII группы, или VIIIА группа). Они являются последними элементами в каждом периоде.

Ответ: Семейство химических элементов с завершенным внешним электронным слоем — инертные (благородные) газы. Они расположены в 18-й группе (VIIIА группе) периодической системы химических элементов.

1. Порядковый номер элемента соответствует

1) числу электронов на внешнем слое атома

2) числу нейтронов в ядре атома

3) сумме числа протонов и нейтронов в ядре

4) числу электронов в атоме

Порядковый номер элемента в периодической системе химических элементов (также называемый атомным номером или зарядовым числом ядра) является одной из основных характеристик атома.

По определению, порядковый номер $Z$ равен числу протонов в ядре атома. Эта величина уникальна для каждого химического элемента. Например, у всех атомов водорода в ядре 1 протон ($Z=1$), у всех атомов гелия — 2 протона ($Z=2$), и так далее.

Атом в своем обычном (нейтральном) состоянии является электрически нейтральным. Это означает, что суммарный положительный заряд ядра, создаваемый протонами, полностью компенсируется суммарным отрицательным зарядом электронов, вращающихся вокруг ядра. Поскольку заряд одного протона по величине равен заряду одного электрона, их количество в нейтральном атоме должно быть одинаковым.

Следовательно, для нейтрального атома:

Число протонов = Число электронов

А так как Порядковый номер = Число протонов, то отсюда следует, что:

Порядковый номер = Число электронов (в нейтральном атоме)

Рассмотрим предложенные варианты ответа:

1) числу электронов на внешнем слое атома — Неверно. Число электронов на внешнем (валентном) слое определяет химические свойства элемента и, для элементов главных подгрупп, номер группы в периодической системе, но не его порядковый номер. Например, литий (Li, $Z=3$) и натрий (Na, $Z=11$) имеют по одному электрону на внешнем слое, но разные порядковые номера.

2) числу нейтронов в ядре атома — Неверно. Число нейтронов в ядре может меняться для одного и того же элемента, образуя его изотопы. Например, у углерода ($Z=6$) есть изотопы углерод-12 (6 нейтронов) и углерод-14 (8 нейтронов).

3) сумме числа протонов и нейтронов в ядре — Неверно. Эта сумма называется массовым числом ($A$) и определяет массу конкретного изотопа атома ($A = Z + N$, где $N$ — число нейтронов).

4) числу электронов в атоме — Верно. Как было показано выше, в электрически нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, которое, в свою очередь, равно порядковому номеру элемента.

Ответ: 4

2. Атомы одного элемента могут содержать

1) разное число протонов

2) разное число нейтронов

3) разное число электронов

4) только одинаковое число и протонов, и нейтронов, и электронов

Решение

Для того чтобы ответить на вопрос, необходимо рассмотреть строение атома и дать определение химического элемента. Химический элемент определяется количеством протонов в ядре атома. Все атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов.

Это утверждение неверно. Если атомы содержат разное число протонов, то они принадлежат к разным химическим элементам. Число протонов ($p^+$) — это фундаментальная характеристика, определяющая элемент (атомный номер $Z$).

Это утверждение верно. Атомы одного и того же элемента могут иметь разное количество нейтронов ($n^0$) в ядре. Такие атомы называются изотопами. Например, существуют изотопы углерода: стабильный углерод-12 ($_{6}^{12}C$, 6 протонов и 6 нейтронов) и радиоактивный углерод-14 ($_{6}^{14}C$, 6 протонов и 8 нейтронов). Оба являются атомами элемента углерод, так как имеют одинаковое число протонов ($Z=6$).

Это утверждение также может быть верным. Нейтральный атом имеет равное количество протонов и электронов ($e^−$). Однако атом может терять или приобретать электроны, превращаясь в ион. Например, атом хлора ($Cl$) и его ион ($Cl^−$) являются формами одного и того же элемента, но содержат разное число электронов. Тем не менее, в контексте фундаментального состава атомов, определяющего их тип, принято говорить об изотопах (различия в ядре), а не ионах (различия в электронной оболочке). Поэтому вариант 2 является более предпочтительным и фундаментальным ответом.

Это утверждение неверно, поскольку, как указано выше, число нейтронов (в изотопах) и электронов (в ионах) у атомов одного элемента может различаться.

Следовательно, наиболее правильным и полным ответом является тот, который указывает на возможность существования изотопов — атомов одного элемента с разным числом нейтронов.

Ответ: 2