Страница 79 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания

6-22. В данном перечне элементов найдите полные и неполные электронные аналоги: кремний, фосфор, олово, титан, бериллий. Ответ обоснуйте.

Для определения полных и неполных электронных аналогов необходимо проанализировать электронные конфигурации атомов данных элементов. Электронными аналогами называют элементы, расположенные в одной подгруппе периодической системы.

• Полные электронные аналоги — это элементы, атомы которых имеют одинаковое строение не только внешнего, но и предвнешнего электронного слоя.
• Неполные электронные аналоги — это элементы, атомы которых имеют одинаковое строение внешнего электронного слоя, но разное строение предвнешнего слоя.

Рассмотрим электронные конфигурации предложенных элементов:

• Кремний (Si): Порядковый номер 14. Элемент 3-го периода, 14-й группы (IVA). Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$. Внешний слой (n=3): $3s^2 3p^2$. Предвнешний слой (n=2): $2s^2 2p^6$ (содержит 8 электронов).
• Фосфор (P): Порядковый номер 15. Элемент 3-го периода, 15-й группы (VA). Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$. Внешний слой: $3s^2 3p^3$.
• Олово (Sn): Порядковый номер 50. Элемент 5-го периода, 14-й группы (IVA). Электронная конфигурация: $[Kr] 4d^{10} 5s^2 5p^2$. Внешний слой (n=5): $5s^2 5p^2$. Предвнешний слой (n=4): $4s^2 4p^6 4d^{10}$ (содержит 18 электронов).
• Титан (Ti): Порядковый номер 22. Элемент 4-го периода, 4-й группы (IVB). Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^2 4s^2$. Внешний слой: $4s^2$.
• Бериллий (Be): Порядковый номер 4. Элемент 2-го периода, 2-й группы (IIA). Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2$. Внешний слой: $2s^2$.

Теперь проведем поиск аналогов среди перечисленных элементов.

Неполные электронные аналоги

В данном списке парой неполных электронных аналогов являются кремний (Si) и олово (Sn).

Обоснование:

Кремний и олово расположены в одной подгруппе (IVA), что делает их электронными аналогами. Сравним строение их электронных оболочек:

1. Внешний электронный слой. Оба элемента имеют по 4 валентных электрона с общей формулой $ns^2 np^2$. У кремния это $3s^2 3p^2$, у олова — $5s^2 5p^2$. Строение внешних слоев аналогично, что обуславливает сходство их химических свойств.
2. Предвнешний электронный слой. У кремния предвнешним является второй слой (n=2), который имеет завершенную конфигурацию $2s^2 2p^6$ и содержит 8 электронов. У олова предвнешним является четвертый слой (n=4), который имеет завершенную конфигурацию $4s^2 4p^6 4d^{10}$ и содержит 18 электронов.

Так как строение внешних электронных слоев у атомов кремния и олова аналогично, а предвнешних — различается (8 электронов против 18), они являются неполными электронными аналогами.

Ответ: Неполными электронными аналогами в данном перечне являются кремний и олово.

Полные электронные аналоги

Полные электронные аналоги должны иметь одинаковое строение как внешнего, так и предвнешнего электронного слоя. Для элементов IVA группы, к которым относятся кремний и олово, полными аналогами были бы элементы, у которых предвнешний слой содержит одинаковое число электронов (например, 18). Как показано выше, у кремния предвнешний слой содержит 8 электронов, а у олова — 18. Никакая другая пара элементов из списка не находится в одной подгруппе. Следовательно, в данном перечне нет элементов, являющихся полными электронными аналогами.

Ответ: Полные электронные аналоги в данном перечне отсутствуют.

6-23. Из данного перечня элементов выберите полные и неполные электронные аналоги: скандий, алюминий, магний, иттрий, стронций. Ответ обоснуйте.

Электронными аналогами называют элементы, атомы которых имеют сходное строение внешних электронных оболочек. Это сходство определяет их принадлежность к одной группе периодической системы и схожесть химических свойств. Аналоги бывают полными и неполными. Для определения аналогов среди предложенных элементов (скандий, алюминий, магний, иттрий, стронций) необходимо рассмотреть их электронные конфигурации и положение в периодической системе.

• Магний (Mg): №12, 3-й период, IIA группа. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$. Валентные электроны: $3s^2$.
• Стронций (Sr): №38, 5-й период, IIA группа. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 5s^2$. Валентные электроны: $5s^2$.
• Алюминий (Al): №13, 3-й период, IIIA группа. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$. Валентные электроны: $3s^2 3p^1$.
• Скандий (Sc): №21, 4-й период, IIIB группа. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^1 4s^2$. Валентные электроны: $3d^1 4s^2$.
• Иттрий (Y): №39, 5-й период, IIIB группа. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^1 5s^2$. Валентные электроны: $4d^1 5s^2$.

Полные электронные аналоги

Полными электронными аналогами являются элементы, принадлежащие к одной и той же подгруппе периодической системы. У атомов таких элементов одинаковое строение валентных электронных слоев.

1. Магний (Mg) и стронций (Sr). Оба элемента находятся во II группе, главной подгруппе (IIA). Они являются s-элементами. Их атомы имеют по два электрона на внешней s-орбитали ($ns^2$). Строение их валентных электронных слоев ($3s^2$ у Mg и $5s^2$ у Sr) аналогично, что обуславливает их сходство как щелочноземельных металлов.

2. Скандий (Sc) и иттрий (Y). Оба элемента находятся в III группе, побочной подгруппе (IIIB). Они являются d-элементами. Их валентные электроны имеют схожую конфигурацию $(n-1)d^1 ns^2$ ($3d^1 4s^2$ у Sc и $4d^1 5s^2$ у Y). Тип заполняемого подуровня и число валентных электронов у них совпадают.

Ответ: Полными электронными аналогами являются пары: магний и стронций (Mg – Sr); скандий и иттрий (Sc – Y).

Неполные электронные аналоги

Неполными электронными аналогами являются элементы одной группы, но разных подгрупп. У них одинаковое число валентных электронов, но разное строение электронных оболочек (заполняются орбитали разного типа: s, p, d).

Алюминий (Al), скандий (Sc) и иттрий (Y). Все эти элементы формально относятся к III группе. Однако алюминий находится в главной подгруппе (IIIA), а скандий и иттрий — в побочной (IIIB).

• Алюминий является p-элементом с валентной конфигурацией $3s^2 3p^1$.
• Скандий и иттрий являются d-элементами с валентными конфигурациями $3d^1 4s^2$ и $4d^1 5s^2$ соответственно.

Несмотря на одинаковое число валентных электронов (три) и общую высшую степень окисления +3, тип заполняемой орбитали и структура электронных оболочек у них различны. Поэтому алюминий является неполным электронным аналогом для скандия и иттрия.

Ответ: Неполными электронными аналогами являются пары: алюминий и скандий (Al – Sc); алюминий и иттрий (Al – Y).

6-24. Используя периодическую систему химических элементов, найдите полные и неполные электронные аналоги а) серы, б) ванадия, в) селена.

Электронными аналогами называют химические элементы, атомы которых имеют одинаковое число валентных электронов, что обусловливает сходство их химических свойств.
Полные электронные аналоги — это элементы, расположенные в одной и той же подгруппе периодической системы. Они имеют идентичное строение внешнего (валентного) электронного слоя.
Неполные электронные аналоги — это элементы, которые находятся в разных подгруппах (как правило, один в главной (A), другой в побочной (B)), но имеют одинаковое общее число валентных электронов.

а) серы
Сера (S) – это p-элемент, который находится в 3-м периоде, 16-й группе (VIA-группе) периодической системы.
Электронная конфигурация внешнего слоя атома серы: $3s^23p^4$.
Общее число валентных электронов равно $2 + 4 = 6$.
Полными электронными аналогами серы являются все элементы 16-й группы (халькогены): кислород (O), селен (Se), теллур (Te), полоний (Po) и ливерморий (Lv).
Неполными электронными аналогами серы являются d-элементы 6-й группы (VIB-группы), которые также имеют 6 валентных электронов: хром (Cr, конфигурация $3d^54s^1$), молибден (Mo, конфигурация $4d^55s^1$), вольфрам (W, конфигурация $5d^46s^2$) и сиборгий (Sg, конфигурация $6d^47s^2$).

Ответ: полные электронные аналоги: O, Se, Te, Po, Lv; неполные электронные аналоги: Cr, Mo, W, Sg.

б) ванадия
Ванадий (V) – это d-элемент, который находится в 4-м периоде, 5-й группе (VB-группе) периодической системы.
Электронная конфигурация валентных электронов атома ванадия: $3d^34s^2$.
Общее число валентных электронов равно $3 + 2 = 5$.
Полными электронными аналогами ванадия являются все элементы 5-й группы: ниобий (Nb), тантал (Ta) и дубний (Db).
Неполными электронными аналогами ванадия являются p-элементы 15-й группы (VA-группы), которые также имеют 5 валентных электронов (общая конфигурация валентного слоя $ns^2np^3$): азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi) и московий (Mc).

Ответ: полные электронные аналоги: Nb, Ta, Db; неполные электронные аналоги: N, P, As, Sb, Bi, Mc.

в) селена
Селен (Se) – это p-элемент, который находится в 4-м периоде, 16-й группе (VIA-группе) периодической системы.
Электронная конфигурация внешнего слоя атома селена: $4s^24p^4$.
Общее число валентных электронов равно $2 + 4 = 6$.
Полными электронными аналогами селена являются все элементы 16-й группы (халькогены): кислород (O), сера (S), теллур (Te), полоний (Po) и ливерморий (Lv).
Неполными электронными аналогами селена являются d-элементы 6-й группы (VIB-группы), которые также имеют 6 валентных электронов: хром (Cr), молибден (Mo), вольфрам (W) и сиборгий (Sg).

Ответ: полные электронные аналоги: O, S, Te, Po, Lv; неполные электронные аналоги: Cr, Mo, W, Sg.

6-25. Объясните тенденцию изменения радиусов атомов, энергии ионизации и электроотрицательности у элементов

а) одного периода

б) одной подгруппы

а) Для элементов одного периода

При движении по периоду слева направо в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева наблюдаются следующие тенденции изменения свойств атомов:

• Радиус атомов: Уменьшается. Это связано с тем, что при переходе от одного элемента к другому в периоде происходит увеличение заряда ядра ($Z$) на единицу, а число электронных слоев остается неизменным. В результате возрастает сила притяжения электронов внешнего слоя к ядру, что приводит к сжатию электронной оболочки и, следовательно, к уменьшению атомного радиуса.
• Энергия ионизации: В целом, возрастает. Энергия ионизации — это энергия, необходимая для отрыва электрона от атома. Так как радиус атома уменьшается, а заряд ядра растет, внешние электроны притягиваются к ядру сильнее. Следовательно, для их отрыва требуется затратить больше энергии. Существуют некоторые исключения из этой общей тенденции (например, у азота энергия ионизации выше, чем у кислорода), что объясняется устойчивостью электронных конфигураций (в данном случае, наполовину заполненного p-подуровня у азота).
• Электроотрицательность: Возрастает. Электроотрицательность — это способность атома в соединении притягивать к себе общую электронную пару. С увеличением заряда ядра и уменьшением радиуса атома его способность притягивать валентные электроны (как свои, так и чужие) усиливается. Самый электроотрицательный элемент в каждом периоде — это галоген, а самые низкие значения у щелочных металлов.

Ответ: В пределах одного периода при движении слева направо радиус атомов уменьшается, а энергия ионизации и электроотрицательность возрастают.

б) Для элементов одной подгруппы

При движении по главной подгруппе сверху вниз наблюдаются следующие тенденции:

• Радиус атомов: Увеличивается. При переходе к каждому следующему элементу в подгруппе добавляется новый электронный слой. Несмотря на рост заряда ядра, увеличение числа электронных слоев является доминирующим фактором. Внешние электроны находятся все дальше от ядра, что приводит к увеличению атомного радиуса.
• Энергия ионизации: Уменьшается. Поскольку радиус атома увеличивается, валентные электроны располагаются дальше от ядра и слабее с ним связаны. Кроме того, возрастает экранирующее действие внутренних электронных слоев, которое ослабляет притяжение валентных электронов к ядру. В результате для отрыва внешнего электрона требуется все меньше энергии.
• Электроотрицательность: Уменьшается. С увеличением радиуса атома и расстояния от ядра до валентных электронов способность ядра притягивать к себе электроны химической связи ослабевает. Поэтому электроотрицательность закономерно уменьшается при движении сверху вниз по подгруппе.

Ответ: В пределах одной подгруппы при движении сверху вниз радиус атомов увеличивается, а энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются.

6-26. Расположите элементы в порядке увеличения радиусов атомов, энергий ионизации и электроотрицательностей:

а) сера, теллур, селен, полоний;

б) магний, фосфор, сера, хлор, алюминий;

в) магний, кальций, цезий, бериллий;

г) фтор, хлор, астат, иод;

д) калий, мышьяк, кальций, бром.

Для решения задачи воспользуемся периодическими закономерностями изменения свойств атомов химических элементов в Периодической системе Д.И. Менделеева:

1. Радиус атома уменьшается при движении по периоду слева направо (из-за увеличения заряда ядра и, как следствие, усиления притяжения электронов) и увеличивается при движении по группе сверху вниз (из-за увеличения числа электронных слоев).

2. Энергия ионизации (минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от атома) изменяется в целом обратно пропорционально радиусу: увеличивается слева направо по периоду и уменьшается сверху вниз по группе.

3. Электроотрицательность (способность атома притягивать к себе электроны) также увеличивается слева направо по периоду и уменьшается сверху вниз по группе.

а) сера, теллур, селен, полоний

Все перечисленные элементы — сера (S), селен (Se), теллур (Te) и полоний (Po) — находятся в 16-й группе (подгруппе халькогенов). В группе они расположены в следующем порядке сверху вниз: S (3-й период), Se (4-й период), Te (5-й период), Po (6-й период).
- Радиус атома увеличивается сверху вниз по группе.
- Энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются сверху вниз по группе. Для получения ряда по увеличению этих свойств элементы нужно расположить в обратном порядке.
Ответ:
- в порядке увеличения радиусов атомов: сера, селен, теллур, полоний;
- в порядке увеличения энергий ионизации: полоний, теллур, селен, сера;
- в порядке увеличения электроотрицательностей: полоний, теллур, селен, сера.

б) магний, фосфор, сера, хлор, алюминий

Все элементы — магний (Mg), алюминий (Al), фосфор (P), сера (S), хлор (Cl) — находятся в 3-м периоде. Их порядок в периоде слева направо: Mg (группа 2), Al (группа 13), P (группа 15), S (группа 16), Cl (группа 17).
- Радиус атома уменьшается слева направо по периоду. Соответственно, в порядке увеличения он будет располагаться справа налево.
- Электроотрицательность монотонно возрастает слева направо по периоду.
- Энергия ионизации в целом также возрастает слева направо, но есть исключения. Энергия ионизации Al ниже, чем у Mg, так как у Al начинается заполнение p-подуровня, и отрыв p-электрона требует меньше энергии, чем отрыв s-электрона у Mg. Энергия ионизации S ниже, чем у P, так как у P стабильная наполовину заполненная p-оболочка (p³), а у S появляется первая пара электронов на p-орбитали (p⁴), и межэлектронное отталкивание облегчает отрыв одного из них. Таким образом, ряд по увеличению энергии ионизации: Al < Mg < S < P < Cl.
Ответ:
- в порядке увеличения радиусов атомов: хлор, сера, фосфор, алюминий, магний;
- в порядке увеличения энергий ионизации: алюминий, магний, сера, фосфор, хлор;
- в порядке увеличения электроотрицательностей: магний, алюминий, фосфор, сера, хлор.

в) магний, кальций, цезий, бериллий

Элементы бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca) находятся во 2-й группе, а цезий (Cs) — в 1-й группе. Положение в таблице: Be (2-й период, 2-я группа), Mg (3-й период, 2-я группа), Ca (4-й период, 2-я группа), Cs (6-й период, 1-я группа).
- Радиус атома растет вниз по группе и влево по периоду. Cs находится левее и значительно ниже остальных элементов, поэтому у него самый большой радиус. Внутри 2-й группы радиус растет в ряду Be < Mg < Ca.
- Энергия ионизации и электроотрицательность убывают вниз по группе и влево по периоду. Cs как самый большой и самый "металлический" элемент будет обладать наименьшими значениями этих величин. Внутри 2-й группы эти свойства убывают в ряду Be > Mg > Ca.
Ответ:
- в порядке увеличения радиусов атомов: бериллий, магний, кальций, цезий;
- в порядке увеличения энергий ионизации: цезий, кальций, магний, бериллий;
- в порядке увеличения электроотрицательностей: цезий, кальций, магний, бериллий.

г) фтор, хлор, астат, иод

Все элементы — фтор (F), хлор (Cl), иод (I), астат (At) — находятся в 17-й группе (подгруппе галогенов). Их порядок в группе сверху вниз: F (2-й период), Cl (3-й период), I (5-й период), At (6-й период).
- Радиус атома увеличивается сверху вниз по группе.
- Энергия ионизации и электроотрицательность уменьшаются сверху вниз по группе. Для получения ряда по увеличению, элементы нужно расположить в обратном порядке.
Ответ:
- в порядке увеличения радиусов атомов: фтор, хлор, иод, астат;
- в порядке увеличения энергий ионизации: астат, иод, хлор, фтор;
- в порядке увеличения электроотрицательностей: астат, иод, хлор, фтор.

д) калий, мышьяк, кальций, бром

Все элементы — калий (K), кальций (Ca), мышьяк (As), бром (Br) — находятся в 4-м периоде. Их порядок в периоде слева направо: K (группа 1), Ca (группа 2), As (группа 15), Br (группа 17).
- Радиус атома уменьшается слева направо по периоду.
- Энергия ионизации и электроотрицательность увеличиваются слева направо по периоду. Для данных элементов исключений из общей тенденции нет.
Ответ:
- в порядке увеличения радиусов атомов: бром, мышьяк, кальций, калий;
- в порядке увеличения энергий ионизации: калий, кальций, мышьяк, бром;
- в порядке увеличения электроотрицательностей: калий, кальций, мышьяк, бром.