Страница 192 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какими общими свойствами характеризуются элементы-металлы?

Элементы-металлы составляют большинство в Периодической системе и характеризуются рядом общих свойств, которые можно разделить на физические и химические. Эти свойства обусловлены особенностями строения их атомов и наличием металлической химической связи в их кристаллических решётках.

Общие физические свойства металлов

Эти свойства обусловлены наличием в кристаллической решетке металлов свободных, обобществленных электронов, так называемого «электронного газа».

• Металлический блеск: Способность хорошо отражать световые лучи. Свободные электроны в металле взаимодействуют со светом и переизлучают его, что и создает характерный блеск.

• Высокая электропроводность: Способность проводить электрический ток. Она обусловлена наличием подвижных электронов, которые под действием электрического поля начинают упорядоченно двигаться. С ростом температуры электропроводность металлов уменьшается.

• Высокая теплопроводность: Способность хорошо проводить тепло. Также объясняется движением свободных электронов, которые переносят тепловую энергию от более нагретых участков к менее нагретым.

• Пластичность (ковкость и тягучесть): Способность изменять свою форму под действием механической нагрузки без разрушения. При деформации слои ионов в металлической кристаллической решётке могут смещаться друг относительно друга, не разрывая металлическую связь, так как «электронный газ» продолжает связывать их вместе.

• Твердость и агрегатное состояние: При нормальных условиях все металлы, за исключением ртути (Hg), являются твердыми веществами. Их твердость варьируется в широких пределах.

• Высокие температуры плавления и кипения: Большинство металлов (кроме щелочных и ртути) имеют высокие температуры плавления, что говорит о прочности металлической связи.

Общие химические свойства металлов

Химические свойства металлов определяются строением их атомов, в частности, их способностью отдавать электроны.

• Малое число электронов на внешнем уровне: Атомы металлов на внешнем энергетическом уровне обычно содержат от 1 до 3 электронов.

• Большой радиус атомов и низкая электроотрицательность: По сравнению с неметаллами того же периода, атомы металлов имеют большие радиусы и низкую электроотрицательность, что означает, что они слабо удерживают свои валентные электроны.

• Восстановительные свойства: В химических реакциях атомы металлов легко отдают свои валентные электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). Поэтому они являются типичными восстановителями. Например, в реакции с неметаллами: $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$. Здесь натрий (Na) отдает электрон, являясь восстановителем.

• Образование основных и амфотерных оксидов и гидроксидов: Оксиды типичных металлов (щелочных, щелочноземельных) проявляют основные свойства. Оксиды переходных и некоторых p-элементов (например, Al, Zn) могут быть амфотерными (т.е. реагировать и с кислотами, и со щелочами).

Ответ: Элементы-металлы характеризуются комплексом общих физических свойств (металлический блеск, высокие электро- и теплопроводность, пластичность, твердое агрегатное состояние при н.у.) и химических свойств (являются восстановителями, легко отдают валентные электроны, образуют оксиды и гидроксиды основного или амфотерного характера). Основой всех этих свойств является наличие металлической химической связи и особенности строения атомов металлов (малое число валентных электронов, большой радиус).

2. Напишите электронные конфигурации атомов бериллия и магния.

Для определения электронной конфигурации атома необходимо знать его порядковый номер в периодической системе химических элементов, который равен числу электронов в нейтральном атоме. Электроны заполняют атомные орбитали в порядке увеличения их энергии (согласно правилу Клечковского): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p и т.д.

Электронная конфигурация атома бериллия

Бериллий (Be) — элемент 2-го периода, IIA группы, с порядковым номером 4. Следовательно, в его атоме содержится 4 электрона.

Распределение этих 4 электронов по орбиталям:

• Первые два электрона заполняют 1s-орбиталь, образуя электронный слой $1s^2$.
• Следующие два электрона занимают 2s-орбиталь, образуя слой $2s^2$.

Таким образом, полная электронная формула атома бериллия выглядит следующим образом.

Ответ: Электронная конфигурация атома бериллия (Be): $1s^22s^2$.

Электронная конфигурация атома магния

Магний (Mg) — элемент 3-го периода, IIA группы, с порядковым номером 12. Атом магния содержит 12 электронов.

Распределим эти 12 электронов по орбиталям в порядке их заполнения:

• Первые два электрона заполняют 1s-орбиталь: $1s^2$.
• Следующие два электрона занимают 2s-орбиталь: $2s^2$.
• Затем шесть электронов полностью заполняют 2p-орбитали: $2p^6$.
• Оставшиеся два электрона размещаются на 3s-орбитали: $3s^2$.

Суммируя заполненные орбитали, получаем полную электронную конфигурацию атома магния.

Ответ: Электронная конфигурация атома магния (Mg): $1s^22s^22p^63s^2$.

3. Сопоставьте строение атома и свойства химических элементов — металлов (натрий, алюминий) и неметаллов (фтор, сера).

Решение

Свойства химических элементов и образуемых ими веществ закономерно зависят от строения их атомов, в первую очередь от числа электронов на внешнем энергетическом уровне (валентных электронов), атомного радиуса и электроотрицательности.

Металлы (натрий, алюминий)

Общей чертой строения атомов металлов является небольшое число валентных электронов (как правило, 1-3). Это обусловливает их большой атомный радиус, низкую электроотрицательность и, как следствие, способность легко отдавать электроны из внешней оболочки. В химических реакциях они выступают в роли восстановителей, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы).

Натрий (Na)

- Положение в периодической системе: 3-й период, I группа, главная подгруппа. Порядковый номер $Z=11$.

- Строение атома: Заряд ядра $+11$. Атом содержит 11 протонов и 11 электронов. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^1$.

- Связь строения и свойств: На внешнем энергетическом уровне находится всего один валентный электрон. Атом натрия имеет большой радиус и слабо удерживает этот электрон. Поэтому он очень легко отдает его, достигая стабильной конфигурации благородного газа неона и превращаясь в катион $Na^+$. Это определяет его ярко выраженные металлические и сильные восстановительные свойства. Натрий — типичный щелочной металл.

Ответ: Строение атома натрия (1 валентный электрон) обусловливает его способность легко отдавать этот электрон, что проявляется в сильных металлических и восстановительных свойствах.

Алюминий (Al)

- Положение в периодической системе: 3-й период, III группа, главная подгруппа. Порядковый номер $Z=13$.

- Строение атома: Заряд ядра $+13$. Атом содержит 13 протонов и 13 электронов. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^1$.

- Связь строения и свойств: На внешнем уровне находятся три валентных электрона. Атом алюминия также склонен отдавать эти электроны, образуя катион $Al^{3+}$. Это определяет его металлические свойства. Однако по сравнению с натрием, у алюминия больше валентных электронов и меньше атомный радиус (в пределах одного периода радиус уменьшается слева направо). Поэтому для отрыва трех электронов требуется значительно больше энергии. Вследствие этого металлические свойства алюминия выражены слабее, чем у натрия, и он проявляет амфотерность (его оксид и гидроксид реагируют и с кислотами, и с щелочами).

Ответ: Строение атома алюминия (3 валентных электрона) определяет его металлические свойства, однако более прочная связь электронов с ядром по сравнению с натрием приводит к проявлению амфотерности.

Неметаллы (фтор, сера)

Общей чертой строения атомов неметаллов является большое число электронов на внешнем уровне (как правило, 4-7). Они характеризуются малым атомным радиусом и высокой электроотрицательностью. Поэтому атомы неметаллов склонны принимать электроны для завершения своей внешней оболочки, выступая в роли окислителей. В реакциях с металлами они образуют отрицательно заряженные ионы (анионы), а с другими неметаллами — ковалентные полярные или неполярные связи.

Фтор (F)

- Положение в периодической системе: 2-й период, VII группа, главная подгруппа. Порядковый номер $Z=9$.

- Строение атома: Заряд ядра $+9$. Атом содержит 9 протонов и 9 электронов. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^5$.

- Связь строения и свойств: На внешнем уровне находится 7 валентных электронов. До завершения уровня до стабильной восьмиэлектронной оболочки атому фтора не хватает всего одного электрона. Обладая очень маленьким радиусом и находясь в конце периода, фтор имеет самую высокую электроотрицательность среди всех химических элементов. Он чрезвычайно активно принимает один электрон, превращаясь в анион $F^-$, и проявляет исключительно сильные неметаллические и окислительные свойства.

Ответ: Строение атома фтора (7 валентных электронов, малый радиус) определяет его высочайшую электроотрицательность и ярко выраженные неметаллические (окислительные) свойства.

Сера (S)

- Положение в периодической системе: 3-й период, VI группа, главная подгруппа. Порядковый номер $Z=16$.

- Строение атома: Заряд ядра $+16$. Атом содержит 16 протонов и 16 электронов. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^4$.

- Связь строения и свойств: На внешнем уровне находится 6 валентных электронов. До завершения уровня атому серы не хватает двух электронов. Она обладает высокой электроотрицательностью и проявляет типичные неметаллические, окислительные свойства, принимая 2 электрона (например, в реакциях с металлами с образованием аниона $S^{2-}$). Однако атом серы имеет больший радиус и меньшую электроотрицательность, чем фтор. Поэтому в реакциях с более электроотрицательными элементами (фтором, кислородом) сера способна отдавать свои валентные электроны, проявляя восстановительные свойства и различные степени окисления (до $+6$).

Ответ: Строение атома серы (6 валентных электронов) определяет ее типичные неметаллические (окислительные) свойства. Однако, в отличие от фтора, из-за большего радиуса и меньшей электроотрицательности сера также способна проявлять восстановительные свойства.

4. Почему щелочные металлы и галогены в природе не встречаются в форме простых веществ?

Щелочные металлы и галогены не встречаются в природе в виде простых веществ из-за их чрезвычайно высокой химической активности. Эта активность напрямую связана со строением их атомов, а именно — со стремлением достичь стабильной электронной конфигурации, подобной конфигурации инертных газов.

Щелочные металлы

Щелочные металлы (элементы I группы главной подгруппы: $Li, Na, K$ и др.) имеют на своей внешней электронной оболочке всего один электрон. Атомы этих элементов очень легко отдают этот электрон, чтобы их оставшаяся электронная оболочка стала завершенной и стабильной. Из-за этого щелочные металлы являются очень сильными восстановителями и обладают низкой энергией ионизации. Они активно реагируют со многими веществами, широко распространенными в природе, например, с кислородом воздуха, водой и кислотами. Например, реакция натрия с водой протекает очень бурно:

$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$

Вследствие такой высокой реакционной способности любой щелочной металл, оказавшись в природной среде, немедленно вступит в химическую реакцию, образовав более устойчивое соединение (оксид, гидроксид или соль, например, хлорид натрия $NaCl$).

Галогены

Галогены (элементы VII группы главной подгруппы: $F, Cl, Br, I$) являются почти полной противоположностью щелочным металлам. На их внешней электронной оболочке находится семь электронов. Для достижения стабильной восьмиэлектронной конфигурации (так называемого октета) им не хватает всего одного электрона. Поэтому галогены обладают высоким сродством к электрону и являются очень сильными окислителями — они активно «отнимают» электроны у других атомов, особенно у атомов металлов. Например, хлор активно реагирует с натрием, образуя поваренную соль:

$2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$

Самый активный из галогенов, фтор, является самым электроотрицательным элементом и реагирует почти со всеми известными веществами. Из-за такой высокой окислительной способности галогены также не могут существовать в природе в свободном виде и встречаются исключительно в форме соединений, в основном солей-галогенидов (например, флюорит $CaF_2$ или галит $NaCl$).

Ответ: Щелочные металлы и галогены не встречаются в природе в форме простых веществ из-за их высокой химической активности. Щелочные металлы как сильные восстановители легко отдают свой единственный валентный электрон, а галогены как сильные окислители, наоборот, стремятся присоединить один электрон для завершения своей внешней электронной оболочки. Это стремление к достижению стабильной электронной конфигурации приводит к тому, что в природных условиях они мгновенно вступают в химические реакции, образуя устойчивые соединения (минералы, соли), в виде которых и находятся в природе.