Страница 53 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

1. Химические свойства любого химического элемента определяются не его атомной массой, а строением его электронной оболочки, которое, в свою очередь, напрямую зависит от заряда атомного ядра. Заряд ядра равен числу протонов в нём и является порядковым номером элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Рассмотрим изотопы калия $_{19}^{40}K$ и аргона $_{18}^{40}Ar$.

Атом калия $_{19}^{40}K$ содержит в ядре 19 протонов (поэтому его порядковый номер 19) и $40 - 19 = 21$ нейтрон. В нейтральном атоме калия находится 19 электронов. Калий — это щелочной металл, расположенный в первой группе периодической системы. Он имеет один электрон на внешней электронной оболочке и является химически очень активным элементом, легко вступающим в реакции и отдающим этот электрон.

Атом аргона $_{18}^{40}Ar$ содержит в ядре 18 протонов (его порядковый номер 18) и $40 - 18 = 22$ нейтрона. В нейтральном атоме аргона находится 18 электронов. Аргон — это благородный (или инертный) газ, расположенный в восемнадцатой группе. Его внешняя электронная оболочка полностью заполнена, что делает его химически крайне неактивным.

Таким образом, хотя у этих атомов одинаковое массовое число (сумма протонов и нейтронов), они имеют разное число протонов в ядре. Это означает, что они являются атомами совершенно разных химических элементов, что и обуславливает их различные свойства.

Важно отметить, что атомы разных элементов с одинаковым массовым числом, но разным зарядом ядра, как в этом примере, называются изоба́рами. Термин "изотопы" применяется к атомам одного и того же элемента (с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов (и, соответственно, разной массой).

Ответ: Химические свойства определяются количеством протонов в ядре атома (зарядом ядра) и строением электронной оболочки, а не массовым числом. У калия $_{19}^{40}K$ 19 протонов, а у аргона $_{18}^{40}Ar$ — 18 протонов. Поскольку число протонов у них разное, они являются разными химическими элементами (калий — активный щелочной металл, аргон — инертный благородный газ) и, как следствие, проявляют совершенно разные свойства.

Решение

Такое расположение аргона и калия в периодической таблице, где элемент с большим порядковым номером имеет меньшую относительную атомную массу, является одним из нескольких так называемых "аномальных" случаев. Современная формулировка периодического закона гласит, что свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер (то есть от порядкового номера элемента, $Z$), а не от относительной атомной массы ($A_r$).

Порядковый номер аргона (Ar) — $Z=18$, а калия (K) — $Z=19$. Это означает, что в ядре атома аргона содержится 18 протонов, а в ядре атома калия — 19 протонов. В полном соответствии с периодическим законом, калий, имеющий больший заряд ядра, следует в таблице за аргоном.

Различие в массах объясняется изотопным составом этих элементов в природе. Относительная атомная масса, указываемая в таблице Менделеева, является средневзвешенным значением масс всех природных изотопов элемента с учётом их процентного содержания.

1. Изотопный состав аргона (Ar). Природный аргон состоит из трёх стабильных изотопов: $^{36}\text{Ar}$ (распространённость $\approx 0.34\%$), $^{38}\text{Ar}$ ($\approx 0.06\%$) и $^{40}\text{Ar}$ ($\approx 99.6\%$). Как видно, в природе почти весь аргон представлен своим самым тяжёлым изотопом, $^{40}\text{Ar}$. Такое высокое содержание этого изотопа в земной коре и атмосфере объясняется тем, что он является продуктом радиоактивного распада (электронного захвата) изотопа калия $^{40}\text{K}$. Из-за абсолютного преобладания тяжёлого изотопа средняя относительная атомная масса аргона составляет $A_r(\text{Ar}) \approx 39.95$ а.е.м., что близко к 40.

2. Изотопный состав калия (K). Природный калий состоит в основном из двух стабильных изотопов: $^{39}\text{K}$ (распространённость $\approx 93.26\%$) и $^{41}\text{K}$ ($\approx 6.73\%$), а также содержит следовые количества радиоактивного изотопа $^{40}\text{K}$ ($\approx 0.012\%$). В данном случае преобладает более лёгкий изотоп $^{39}\text{K}$. Поэтому средневзвешенная относительная атомная масса калия составляет $A_r(\text{K}) \approx 39.10$ а.е.м., что близко к 39.

Таким образом, аномалия масс аргона и калия — это не ошибка в таблице, а следствие природного распределения их изотопов. Химические свойства элементов определяются строением их электронных оболочек, которое зависит от числа протонов (порядкового номера), поэтому положение аргона перед калием является абсолютно верным.

Ответ: Относительная атомная масса аргона ($A_r \approx 40$) больше, чем у калия ($A_r \approx 39$), из-за особенностей их природного изотопного состава. В природе подавляющая часть аргона представлена тяжелым изотопом $^{40}\text{Ar}$ (около $99.6\%$), в то время как калий в основном состоит из более легкого изотопа $^{39}\text{K}$ (около $93.3\%$). При этом в периодической таблице элементы располагаются в соответствии с их порядковым номером (числом протонов), а не атомной массой. У аргона 18 протонов, а у калия — 19, поэтому калий стоит после аргона, несмотря на меньшую среднюю атомную массу.

Решение

Чтобы сформулировать определение изотопов, используя названия элементарных частиц, необходимо сначала вспомнить, из чего состоят атомные ядра. Атомные ядра состоят из двух типов элементарных частиц: протонов и нейтронов.

Число протонов в ядре ($Z$) определяет атомный номер элемента в периодической системе и его химические свойства. Все атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов.

Число нейтронов в ядре ($N$) может быть разным для атомов одного и того же элемента. Сумма числа протонов и нейтронов ($A = Z + N$) называется массовым числом.

Классическое определение изотопов заключается в том, что это разновидности атомов одного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.

Поскольку принадлежность к химическому элементу определяется числом протонов, а различие в массе при этом обусловлено разным числом нейтронов, мы можем дать следующее определение, основанное на составе ядра:

Ответ: Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре (а значит, одинаковый заряд ядра и одинаковое число электронов), но разное число нейтронов.

Химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, в первую очередь, количеством электронов на внешнем энергетическом уровне. Поскольку у всех изотопов одного элемента число протонов и электронов одинаково, их электронные конфигурации идентичны. По этой причине их химические свойства очень близки.

Различия же в свойствах изотопов, известные как изотопный эффект, обусловлены разницей в их массах из-за разного числа нейтронов. Эти различия проявляются в основном в физических свойствах (таких как плотность, температура кипения и плавления, скорость диффузии) и в скоростях химических реакций. Важнейшим фактором, определяющим степень этих различий, является относительная разница масс изотопов.

Рассмотрим изотопы водорода: протий ($^{1}_{1}H$, масса $\approx 1$ а.е.м.), дейтерий ($^{2}_{1}H$ или $D$, масса $\approx 2$ а.е.м.) и тритий ($^{3}_{1}H$ или $T$, масса $\approx 3$ а.е.м.). Масса дейтерия в 2 раза больше массы протия ($2/1 = 2$), а масса трития — в 3 раза ($3/1 = 3$). Это колоссальная относительная разница. Вследствие этого физические и даже химические свойства изотопов водорода заметно различаются. Например, температура кипения тяжелой воды ($D_2O$) составляет $101.4 \degree C$, в то время как у обычной воды ($H_2O$) она равна $100 \degree C$. Связь углерод-дейтерий ($C-D$) прочнее связи углерод-протий ($C-H$), что влияет на скорость реакций.

Теперь рассмотрим стабильные изотопы хлора: хлор-35 ($^{35}_{17}Cl$, масса $\approx 35$ а.е.м.) и хлор-37 ($^{37}_{17}Cl$, масса $\approx 37$ а.е.м.). Относительная разница масс между ними составляет всего $(37 - 35) / 35 \approx 0.057$, или около $5.7\%$. Такая незначительная относительная разница в массе приводит к тому, что различия в физических и химических свойствах изотопов хлора очень малы и в подавляющем большинстве случаев ими можно пренебречь.

Ответ: Различия в свойствах изотопов определяются относительной разницей их масс. У изотопов водорода массы отличаются в 2 и 3 раза, что является очень большой относительной разницей и приводит к заметным различиям в их физических и химических свойствах. У изотопов хлора ($^{35}Cl$ и $^{37}Cl$) относительная разница масс мала (около $6\%$), поэтому их свойства практически одинаковы.

Почему дейтериевую воду D₂O называют тяжёлой водой?

Дейтериевую воду ($D_2O$) называют «тяжёлой» из-за большей массы её молекул по сравнению с молекулами обычной, или «лёгкой», воды ($H_2O$). Это различие обусловлено изотопным составом водорода.

Водород в природе существует в виде нескольких изотопов — атомов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядре.

• Протий ($^1H$ или $H$) — самый распространённый изотоп водорода. Его ядро состоит только из одного протона. Обычная вода состоит из протия и кислорода, её формула — $H_2O$.
• Дейтерий ($^2H$ или $D$) — стабильный изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон. Он примерно в два раза тяжелее протия.

Из-за наличия нейтрона в ядре дейтерия, его атомная масса почти вдвое больше атомной массы протия. Следовательно, молекула тяжёлой воды $D_2O$, где два атома дейтерия соединены с атомом кислорода, имеет большую молекулярную массу, чем молекула лёгкой воды $H_2O$.

• Молярная масса лёгкой воды ($H_2O$) составляет примерно $M(H_2O) \approx 2 \times 1.008 + 15.999 \approx 18.015 \text{ г/моль}$.
• Молярная масса тяжёлой воды ($D_2O$) составляет примерно $M(D_2O) \approx 2 \times 2.014 + 15.999 \approx 20.027 \text{ г/моль}$.

Это различие в массе (около 11%) приводит к тому, что тяжёлая вода имеет большую плотность. При стандартных условиях плотность $D_2O$ составляет примерно 1,107 г/см³, в то время как плотность $H_2O$ — около 1,000 г/см³. Из-за этой большей массы и плотности вода, состоящая из дейтерия, и получила своё название — «тяжёлая вода».

Ответ: Дейтериевую воду называют тяжёлой, потому что входящий в её состав изотоп водорода дейтерий ($D$) почти в два раза тяжелее обычного водорода протия ($H$) за счёт наличия в ядре дополнительного нейтрона. Вследствие этого молекулы $D_2O$ тяжелее молекул $H_2O$, а плотность тяжёлой воды примерно на 11% выше плотности обычной воды.

Подготовьте сообщение «Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды», пользуясь дополнительными источниками информации.

Сообщение: Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды

Лёгкая (обычная) вода ($H_2O$) и тяжёлая (дейтериевая) вода ($D_2O$) являются изотопологами — молекулами, которые отличаются только изотопным составом. Несмотря на химическое сходство, разница в массе атомов водорода приводит к заметным различиям в их физических, химических и биологических свойствах.

1. Молекулярный состав и масса

• Лёгкая вода ($H_2O$): Состоит из двух атомов протия ($^1H$) и одного атома кислорода. Молярная масса $\approx 18.015 \text{ г/моль}$.
• Тяжёлая вода ($D_2O$): Состоит из двух атомов дейтерия ($^2H$ или $D$) и одного атома кислорода. Молярная масса $\approx 20.027 \text{ г/моль}$.

2. Физические свойства

Различия в физических свойствах являются наиболее выраженными.

• Плотность: Тяжёлая вода плотнее лёгкой. Плотность $D_2O$ максимальна при температуре 11,2 °C (1,106 г/см³), в то время как плотность $H_2O$ максимальна при 3,98 °C (1,000 г/см³).
• Температуры фазовых переходов: У $D_2O$ они выше.
  • Температура плавления (замерзания): 0,00 °C для $H_2O$ и 3,82 °C для $D_2O$.
  • Температура кипения (при нормальном давлении): 100,00 °C для $H_2O$ и 101,42 °C для $D_2O$.
• Вязкость: Тяжёлая вода примерно на 24% более вязкая, чем лёгкая (при 20 °C).
• Показатель преломления: Немного ниже у $D_2O$ по сравнению с $H_2O$.

3. Химические свойства

Химически $D_2O$ и $H_2O$ ведут себя похоже, но реакции с участием тяжёлой воды протекают медленнее. Это явление называется кинетическим изотопным эффектом. Связь $O-D$ прочнее связи $O-H$, поэтому для её разрыва требуется больше энергии. В результате:

• Константа ионизации: Тяжёлая вода ионизируется в меньшей степени. Константа ионизации $K_w$ для $D_2O$ при 25 °C составляет $1.35 \times 10^{-15}$, в то время как для $H_2O$ она равна $1.0 \times 10^{-14}$. Поэтому нейтральное значение pD для тяжёлой воды равно 7,44 (сравните с pH = 7,00 для лёгкой).
• Скорость реакций: Реакции электролиза, гидратации и многие другие в среде $D_2O$ идут медленнее.
• Растворимость: Соли, как правило, немного хуже растворяются в $D_2O$, чем в $H_2O$.

4. Биологическое действие

Для большинства высших организмов тяжёлая вода в высоких концентрациях токсична. Небольшие количества (до 5-10% в организме) обычно безвредны, но замена более 25-30% воды в теле на $D_2O$ становится летальной для млекопитающих. Причина токсичности кроется в замедлении биохимических реакций из-за кинетического изотопного эффекта. Замедляется работа ферментов, нарушаются процессы клеточного деления (митоз), репликации ДНК и синтеза белка. Простейшие организмы и водоросли могут адаптироваться к жизни в практически чистой тяжёлой воде.

5. Применение

• Лёгкая вода ($H_2O$): Основа жизни на Земле, универсальный растворитель, теплоноситель, используется в быту, промышленности и сельском хозяйстве.
• Тяжёлая вода ($D_2O$):
  • Ядерная энергетика: Используется как замедлитель нейтронов в некоторых типах ядерных реакторов (например, CANDU), так как эффективно замедляет быстрые нейтроны, не поглощая их.
  • Научные исследования: В ЯМР-спектроскопии (ядерный магнитный резонанс) $D_2O$ используется как растворитель, не дающий сигнала от протонов.
  • Медицина и биология: Применяется в качестве изотопной метки для изучения метаболических процессов в организме.

Ответ: Сообщение раскрывает ключевые различия между лёгкой ($H_2O$) и тяжёлой ($D_2O$) водой. Тяжёлая вода отличается большей молярной массой, плотностью, более высокими температурами кипения и замерзания. Химические реакции в ней протекают медленнее из-за большей прочности связи $O-D$ (кинетический изотопный эффект), что также обуславливает её токсичность для живых организмов при высоких концентрациях. Различия в свойствах определяют их разное применение: лёгкая вода — основа жизни, а тяжёлая — важный материал в ядерной энергетике и научных исследованиях.

Решение

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева упорядочена по возрастанию атомного номера элемента (заряда ядра его атома). В большинстве случаев это соответствует и возрастанию относительной атомной массы. Однако существует несколько пар соседних элементов, где этот порядок нарушается: элемент с меньшим атомным номером имеет большую относительную атомную массу. Это связано с природным изотопным составом элементов. Относительная атомная масса — это средневзвешенная величина атомных масс природных изотопов, и у элемента с меньшим порядковым номером может преобладать более тяжелый изотоп.

В качестве примера в задаче указана пара Аргон (Ar) — Калий (K).

Аргон (Ar, порядковый номер 18) имеет относительную атомную массу $A_r(\text{Ar}) \approx 39,948$.

Калий (K, порядковый номер 19) имеет относительную атомную массу $A_r(\text{K}) \approx 39,098$.

Как видно, $A_r(\text{Ar}) > A_r(\text{K})$.

Ниже приведены три другие пары элементов с таким же свойством.

1. Кобальт (Co) — Никель (Ni)

Эта пара расположена в 4-м периоде. Кобальт (порядковый номер 27) предшествует никелю (порядковый номер 28), но имеет большую атомную массу.

Относительная атомная масса кобальта: $A_r(\text{Co}) \approx 58,933$.

Относительная атомная масса никеля: $A_r(\text{Ni}) \approx 58,693$.

Следовательно, $A_r(\text{Co}) > A_r(\text{Ni})$.

2. Теллур (Te) — Йод (I)

Эта пара находится в 5-м периоде. Теллур (порядковый номер 52) расположен перед йодом (порядковый номер 53), но его атомная масса больше.

Относительная атомная масса теллура: $A_r(\text{Te}) \approx 127,60$.

Относительная атомная масса йода: $A_r(\text{I}) \approx 126,90$.

Следовательно, $A_r(\text{Te}) > A_r(\text{I})$.

3. Торий (Th) — Протактиний (Pa)

Эта пара находится в 7-м периоде в ряду актиноидов. Торий (порядковый номер 90) стоит перед протактинием (порядковый номер 91).

Относительная атомная масса тория: $A_r(\text{Th}) \approx 232,038$.

Относительная атомная масса протактиния: $A_r(\text{Pa}) \approx 231,036$.

Следовательно, $A_r(\text{Th}) > A_r(\text{Pa})$.

Ответ: Три пары элементов, у которых элемент с меньшим порядковым номером имеет большую относительную атомную массу: 1) Кобальт (Co) — Никель (Ni); 2) Теллур (Te) — Йод (I); 3) Торий (Th) — Протактиний (Pa).