Страница 199 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Поясните, что называется энергетическим уровнем, и изобразите схемы строения атомов натрия Na, азота N, кальция Ca и фосфора P.

Поясните, что называется энергетическим уровнем

Энергетический уровень (также известный как электронный слой или электронная оболочка) представляет собой совокупность атомных орбиталей, на которых находятся электроны с близкими значениями энергии. Можно представить, что электроны в атоме располагаются слоями вокруг ядра.

Основные характеристики энергетических уровней:

1. Нумерация и энергия: Уровни нумеруются целыми числами, начиная с 1 ($n = 1, 2, 3, \ldots$), по мере удаления от ядра. Чем больше номер уровня $n$, тем выше энергия электронов, находящихся на нем, и тем дальше они расположены от ядра.

2. Связь с Периодической системой: Число энергетических уровней, заполняемых электронами в атоме, равно номеру периода, в котором находится химический элемент.

3. Максимальная емкость: Максимальное количество электронов $N$, которое может поместиться на данном энергетическом уровне, рассчитывается по формуле $N = 2n^2$, где $n$ — номер уровня.
- На первом уровне ($n=1$): $2 \cdot 1^2 = 2$ электрона.
- На втором уровне ($n=2$): $2 \cdot 2^2 = 8$ электронов.
- На третьем уровне ($n=3$): $2 \cdot 3^2 = 18$ электронов.

4. Завершенность внешнего уровня: Внешний (самый дальний от ядра) энергетический уровень считается завершенным, если на нем находится 8 электронов (или 2, если это первый уровень). Атомы с завершенным внешним уровнем (благородные газы) химически инертны.

Ответ: Энергетический уровень — это совокупность состояний электронов в атоме, характеризующихся близкими значениями энергии. Электроны, находящиеся на одном уровне, образуют электронный слой. Число энергетических уровней в атоме соответствует номеру периода, в котором расположен элемент.

Изобразите схемы строения атомов натрия Na, азота N, кальция Ca и фосфора P

Для составления схемы строения атома необходимо определить:
1. Заряд ядра, который равен порядковому номеру элемента ($Z$).
2. Общее число электронов, которое равно заряду ядра.
3. Число энергетических уровней, которое равно номеру периода.
4. Распределение электронов по уровням.

Атом натрия (Na)
Порядковый номер $Z=11$. Находится в 3-м периоде.
Заряд ядра $+11$. Общее число электронов — 11.
Электроны расположены на 3 энергетических уровнях.
Распределение электронов: $11e^- \rightarrow 2, 8, 1$.
Схема строения: $Na \; +11) \underset{2e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{1e^-}{\smile}$

Атом азота (N)
Порядковый номер $Z=7$. Находится во 2-м периоде.
Заряд ядра $+7$. Общее число электронов — 7.
Электроны расположены на 2 энергетических уровнях.
Распределение электронов: $7e^- \rightarrow 2, 5$.
Схема строения: $N \; +7) \underset{2e^-}{\smile} \underset{5e^-}{\smile}$

Атом кальция (Ca)
Порядковый номер $Z=20$. Находится в 4-м периоде.
Заряд ядра $+20$. Общее число электронов — 20.
Электроны расположены на 4 энергетических уровнях.
Распределение электронов: $20e^- \rightarrow 2, 8, 8, 2$.
Схема строения: $Ca \; +20) \underset{2e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{2e^-}{\smile}$

Атом фосфора (P)
Порядковый номер $Z=15$. Находится в 3-м периоде.
Заряд ядра $+15$. Общее число электронов — 15.
Электроны расположены на 3 энергетических уровнях.
Распределение электронов: $15e^- \rightarrow 2, 8, 5$.
Схема строения: $P \; +15) \underset{2e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{5e^-}{\smile}$

Ответ:
Схема строения атома натрия (Na): $Na \; +11) \underset{2e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{1e^-}{\smile}$
Схема строения атома азота (N): $N \; +7) \underset{2e^-}{\smile} \underset{5e^-}{\smile}$
Схема строения атома кальция (Ca): $Ca \; +20) \underset{2e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{2e^-}{\smile}$
Схема строения атома фосфора (P): $P \; +15) \underset{2e^-}{\smile} \underset{8e^-}{\smile} \underset{5e^-}{\smile}$

2. Объясните сущность явления периодичности в изменении химических свойств элементов.

Явление периодичности в изменении химических свойств элементов было открыто Д. И. Менделеевым и сформулировано им в виде Периодического закона. Современная формулировка этого закона гласит: свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величин зарядов их атомных ядер.

Сущность этого явления заключается в периодическом повторении строения внешнего электронного слоя (валентной оболочки) атомов химических элементов по мере возрастания заряда их ядер.

Рассмотрим это подробнее:

• Заряд ядра ($Z$). Порядковый номер элемента в Периодической системе равен заряду ядра его атома. Заряд ядра, в свою очередь, определяет общее число электронов в нейтральном атоме.
• Электронная конфигурация. Электроны в атоме располагаются по энергетическим уровням и подуровням в соответствии с определенными правилами. Химические свойства элемента определяются в первую очередь строением его внешней электронной оболочки, то есть количеством и расположением валентных электронов.
• Периодическое повторение. При последовательном увеличении заряда ядра (при переходе от одного элемента к другому) происходит постепенное заполнение электронами энергетических уровней. Каждый новый период в таблице Менделеева начинается с элемента, у которого начинает заполняться новый внешний электронный уровень. Например, у всех щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) на внешнем уровне находится один s-электрон (конфигурация $ns^1$). У всех галогенов (F, Cl, Br, I, At) на внешнем уровне семь электронов (конфигурация $ns^2np^5$).

Именно это периодическое повторение строения внешней электронной оболочки и является причиной периодического изменения химических свойств. Элементы с одинаковым строением внешнего электронного слоя обладают сходными химическими свойствами и поэтому располагаются в одной группе Периодической системы.

Например, в пределах одного периода (слева направо):

• растет заряд ядра и число электронов на внешнем уровне;
• уменьшается радиус атома;
• усиливаются неметаллические свойства и ослабевают металлические;
• характер оксидов и гидроксидов изменяется от основного через амфотерный к кислотному.

В пределах одной главной подгруппы (сверху вниз):

• число электронов на внешнем уровне одинаково;
• увеличивается число электронных слоев и, как следствие, радиус атома;
• ослабевают неметаллические свойства и усиливаются металлические.

Таким образом, первопричиной периодичности свойств является периодическое повторение электронных конфигураций валентных оболочек атомов.

Ответ: Сущность явления периодичности заключается в том, что по мере возрастания заряда атомных ядер ($Z$) происходит периодическое повторение строения внешних (валентных) электронных оболочек атомов. Поскольку именно строение внешней электронной оболочки определяет основные химические свойства элемента, то и сами свойства (такие как металличность, неметалличность, валентность, электроотрицательность, характер соединений и др.) также изменяются периодически.

3. В 1869 г. на Солнце открыли новый химический элемент, который назвали гелием (от греч. «хелиос» — солнце). Только через 27 лет его открыли и на Земле. Гелий получают из воздуха путём охлаждения. Поясните, каким образом, если известно, что у гелия из всех газов самая низкая температура кипения ($-268,9^\circ C$).

Процесс получения гелия из воздуха основан на методе, называемом фракционной перегонкой или низкотемпературной ректификацией сжиженного воздуха. Этот метод заключается в разделении смеси жидкостей (в данном случае — сжиженных газов) на компоненты, основываясь на различии их температур кипения.

1. Сначала воздух подвергают сильному сжатию и последующему глубокому охлаждению. Цель этого этапа — перевести основные компоненты воздуха в жидкое состояние. Воздух состоит преимущественно из азота (температура кипения $\approx -196^\circ\text{C}$) и кислорода (температура кипения $\approx -183^\circ\text{C}$). При охлаждении воздуха до температуры около $-200^\circ\text{C}$ эти газы конденсируются и образуют жидкость — жидкий воздух.

2. В задаче указано, что гелий имеет самую низкую температуру кипения из всех газов: $-268,9^\circ\text{C}$. Это значение намного ниже температур кипения азота и кислорода.

3. Следовательно, когда воздух охлажден до состояния жидкости (до $-200^\circ\text{C}$), гелий все еще остается в газообразном состоянии, так как эта температура значительно выше его точки кипения ($-268,9^\circ\text{C}$).

4. В результате образуется система, состоящая из жидкой фазы (смесь жидкого азота, кислорода и других газов) и газообразной фазы, которая содержит несконденсировавшиеся газы, в первую очередь гелий и неон. Эту газообразную фракцию отделяют от жидкости.

Таким образом, именно экстремально низкая температура кипения гелия является не препятствием, а ключевым фактором, который позволяет выделить его из воздуха методом охлаждения. Он остается газом, когда все остальные компоненты уже перешли в жидкое состояние.

Ответ: Гелий получают из воздуха путем его охлаждения до температур, при которых все остальные газы, входящие в состав воздуха (главным образом азот и кислород), переходят в жидкое состояние. Поскольку у гелия самая низкая температура кипения ($-268,9^\circ\text{C}$), он остается в газообразном состоянии и таким образом легко отделяется от жидкой смеси остальных газов.

1. Сходство в строении атомов химических элементов одной А-группы обусловлено

1) одинаковыми радиусами атомов

2) одинаковыми зарядами ядер атомов

3) одинаковым числом электронов на внешнем электронном слое

4) одинаковым числом электронных слоёв

Сходство в строении и, как следствие, в химических свойствах атомов химических элементов, расположенных в одной А-группе (главной подгруппе) периодической системы Д.И. Менделеева, объясняется периодическим повторением строения их внешнего электронного слоя.

Проанализируем предложенные варианты ответа:

1) одинаковыми радиусами атомов

Это утверждение неверно. В пределах одной группы при движении сверху вниз атомный радиус увеличивается, так как возрастает число электронных слоев. Например, в группе IА (щелочные металлы) радиус атома лития (Li) составляет 152 пм, натрия (Na) — 186 пм, а калия (K) — 227 пм.

2) одинаковыми зарядами ядер атомов

Это утверждение неверно. Заряд ядра атома равен его порядковому номеру. При движении по группе сверху вниз порядковый номер элемента увеличивается, а значит, и заряд ядра растет. Например, для элементов IА группы: заряд ядра лития (Li, Z=3) равен +3, натрия (Na, Z=11) — +11, калия (K, Z=19) — +19.

3) одинаковым числом электронов на внешнем электронном слое

Это утверждение верно. Для элементов главных подгрупп (А-групп) номер группы совпадает с числом электронов на внешнем энергетическом уровне (валентных электронов). Например, все элементы IА группы (Li, Na, K и т.д.) имеют по одному электрону на внешнем слое. Все элементы VIIA группы (F, Cl, Br и т.д.) имеют по семь электронов на внешнем слое. Именно одинаковое количество валентных электронов определяет сходство их химических свойств.

4) одинаковым числом электронных слоёв

Это утверждение неверно. Число электронных слоёв в атоме определяется номером периода, в котором находится элемент. При движении по группе сверху вниз номер периода увеличивается, соответственно, увеличивается и число электронных слоев. Например, литий (Li) находится во 2-м периоде и имеет 2 электронных слоя, натрий (Na) — в 3-м периоде (3 слоя), калий (K) — в 4-м периоде (4 слоя).

Таким образом, сходство в строении атомов элементов одной А-группы обусловлено одинаковым числом электронов на их внешнем электронном слое.

Ответ: 3