Страница 231 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какую высшую степень окисления проявляет элемент кремний? Ответ поясните.

Чтобы определить высшую степень окисления кремния, необходимо рассмотреть его положение в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и его электронное строение.

Кремний ($Si$) является элементом 3-го периода, 14-й группы (или IVA группы по старой классификации). Его порядковый номер 14. Электронная формула атома кремния выглядит следующим образом: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$.

Высшая положительная степень окисления для элементов главных подгрупп, как правило, численно равна номеру группы. Это соответствует максимальному числу электронов, которые атом может отдать со своего внешнего (валентного) энергетического уровня.

У атома кремния на внешнем энергетическом уровне ($n=3$) находится 4 валентных электрона ($3s^2 3p^2$). Отдавая эти четыре электрона, кремний приобретает свою высшую степень окисления, равную +4.

Примером соединения, в котором кремний проявляет степень окисления +4, является оксид кремния(IV), или кремнезём ($SiO_2$).

Ответ: Высшая степень окисления кремния равна +4. Это объясняется тем, что кремний находится в 14-й (IVA) группе Периодической системы и имеет на внешнем энергетическом уровне 4 валентных электрона, которые он может отдать при образовании химических связей.

2. Назовите наиболее типичный металл 3-го периода, наиболее типичный неметалл 2-го периода.

Наиболее типичный металл 3-го периода

Типичность металла определяется его способностью отдавать электроны, то есть его восстановительными свойствами. В пределах одного периода с увеличением порядкового номера элемента (слева направо) радиус атома уменьшается, а заряд ядра растет. Это приводит к усилению притяжения валентных электронов к ядру и, как следствие, к ослаблению металлических свойств.

К 3-му периоду относятся элементы: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar. Самые сильные металлические свойства будут у элемента, стоящего в самом начале периода, то есть у щелочного металла натрия (Na).

Ответ: натрий (Na).

Наиболее типичный неметалл 2-го периода

Типичность неметалла определяется его способностью принимать электроны (электроотрицательностью), то есть его окислительными свойствами. В пределах периода неметаллические свойства усиливаются слева направо, так как уменьшается радиус атома и растет число валентных электронов, что облегчает принятие электронов для завершения внешнего энергетического уровня.

Ко 2-му периоду относятся элементы: Li, Be, B, C, N, O, F, Ne. Самые сильные неметаллические свойства в периоде проявляет элемент, расположенный правее всех (за исключением инертного газа). В данном случае это фтор (F), который является самым электроотрицательным элементом в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Ответ: фтор (F).

3. Найдите ошибки в некоторых фразах и прокомментируйте их: «молекула воды имеет температуру плавления $0 \text{ °C}$», «элемент уголь входит в состав мела», «атом меди тяжелее атома железа», «атомы меди имеют оранжево-красную окраску», «хлорид-ионы являются сильными окислителями», «для атомов натрия характерны восстановительные свойства», «атом азота имеет меньший радиус, чем атом кислорода».

«молекула воды имеет температуру плавления 0 °С»

Ошибка заключается в том, что макроскопические свойства вещества, такие как температура плавления, не применимы к отдельным молекулам. Температура плавления — это характеристика фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое, которая имеет смысл только для большого ансамбля частиц (молекул). Отдельная молекула не может находиться в твердом или жидком агрегатном состоянии и, соответственно, не может плавиться.

Ответ: Ошибка: температура плавления является свойством вещества, а не отдельной молекулы. Правильно: вещество вода (лёд) имеет температуру плавления 0 °С при нормальном атмосферном давлении.

«элемент уголь входит в состав мела»

В этой фразе содержатся две ошибки. Во-первых, уголь — это не химический элемент, а простое вещество, одна из аллотропных модификаций химического элемента углерода. Во-вторых, мел — это природный карбонат кальция, химическая формула которого $CaCO_3$. В его состав входит химический элемент углерод (C), но не простое вещество уголь.

Ответ: Ошибка: уголь — это простое вещество, а не элемент. Правильно: химический элемент углерод входит в состав мела (карбоната кальция).

«атом меди тяжелее атома железа»

Данное утверждение является верным. Масса атома определяется его относительной атомной массой. Согласно периодической системе химических элементов, относительная атомная масса меди ($Cu$) составляет примерно 63,55 а.е.м., а относительная атомная масса железа ($Fe$) — примерно 55,85 а.е.м. Поскольку $63.55 > 55.85$, атом меди действительно тяжелее атома железа.

Ответ: В данной фразе ошибки нет. Атом меди тяжелее атома железа, так как его относительная атомная масса больше.

«атомы меди имеют оранжево-красную окраску»

Ошибка аналогична первой фразе: цвет является макроскопическим свойством вещества, которое определяется его способностью поглощать и отражать свет определенной длины волны. Отдельный атом не обладает цветом в привычном понимании этого слова. Оранжево-красной окраской обладает металлическая медь как простое вещество, состоящее из огромного числа атомов.

Ответ: Ошибка: цвет является свойством вещества, а не отдельного атома. Правильно: простое вещество медь имеет характерную оранжево-красную окраску.

«хлорид-ионы являются сильными окислителями»

Это утверждение неверно. Хлорид-ион ($Cl^-$) — это атом хлора, принявший один электрон. В этом ионе хлор находится в своей низшей степени окисления (-1) и имеет завершенную электронную оболочку. Поэтому хлорид-ион не может принимать электроны (т.е. быть окислителем), а способен только их отдавать, проявляя свойства восстановителя. Сильным окислителем является, например, молекулярный хлор $Cl_2$.

Ответ: Ошибка: хлорид-ионы являются восстановителями, а не окислителями. Они могут только отдавать электроны.

«для атомов натрия характерны восстановительные свойства»

Данное утверждение является верным. Атом натрия ($Na$) — это атом щелочного металла, на его внешнем электронном уровне находится всего один электрон. Атомы натрия стремятся отдать этот электрон, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации, превращаясь в положительно заряженный ион $Na^+$. Процесс отдачи электронов — это окисление, а частицы, которые отдают электроны, называются восстановителями. Таким образом, натрий — сильный восстановитель.

Ответ: В данной фразе ошибки нет. Атомы натрия являются сильными восстановителями.

«атом азота имеет меньший радиус, чем атом кислорода»

Это утверждение неверно. Азот ($N$) и кислород ($O$) находятся в одном и том же (втором) периоде периодической таблицы. В пределах одного периода при движении слева направо радиус атомов уменьшается. Это происходит потому, что заряд ядра увеличивается (у $N$ +7, у $O$ +8), а количество электронных слоев остается тем же. В результате электроны сильнее притягиваются к ядру, и атом "сжимается". Поскольку азот стоит в группе 15, а кислород — в группе 16 (то есть правее), атом кислорода имеет меньший радиус, чем атом азота.

Ответ: Ошибка: радиус атома в периоде уменьшается слева направо. Правильно: атом азота имеет больший радиус, чем атом кислорода.

4. Напишите уравнения взаимодействия алюминия с простыми веществами — неметаллами 2-го периода, зная, что в полученных соединениях неметалл находится в низшей степени окисления, а алюминий — в высшей.

Для решения этой задачи необходимо определить неметаллы 2-го периода периодической системы химических элементов и их низшие степени окисления. Также нужно учесть, что алюминий (Al) будет находиться в своей высшей степени окисления.

Алюминий — элемент 13-й группы (III-A), его высшая степень окисления равна +3.

Неметаллы 2-го периода и их низшие степени окисления:

• Бор (B): группа 13, низшая степень окисления –3.
• Углерод (C): группа 14, низшая степень окисления –4.
• Азот (N): группа 15, низшая степень окисления –3.
• Кислород (O): группа 16, низшая степень окисления –2.
• Фтор (F): группа 17, низшая степень окисления –1.

Инертный газ неон (Ne) также находится во 2-м периоде, но в реакции с алюминием не вступает.

Далее составим уравнения реакций для каждого неметалла.

Взаимодействие с бором (B)

Степени окисления: $Al^{+3}$ и $B^{-3}$. Формула образующегося соединения — борид алюминия $AlB$. Реакция происходит при нагревании.

Ответ: $Al + B \xrightarrow{t^{\circ}} AlB$

Взаимодействие с углеродом (C)

Степени окисления: $Al^{+3}$ и $C^{-4}$. Формула образующегося соединения — карбид алюминия $Al_4C_3$. Реакция требует высокой температуры.

Ответ: $4Al + 3C \xrightarrow{t^{\circ}} Al_4C_3$

Взаимодействие с азотом (N)

Степени окисления: $Al^{+3}$ и $N^{-3}$. Формула соединения — нитрид алюминия $AlN$. Азот в виде простого вещества существует как двухатомная молекула $N_2$. Реакция протекает при нагревании (около 800°C).

Ответ: $2Al + N_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2AlN$

Взаимодействие с кислородом (O)

Степени окисления: $Al^{+3}$ и $O^{-2}$. Формула соединения — оксид алюминия $Al_2O_3$. Кислород существует в виде молекулы $O_2$. Реакция горения алюминия происходит при нагревании.

Ответ: $4Al + 3O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Al_2O_3$

Взаимодействие с фтором (F)

Степени окисления: $Al^{+3}$ и $F^{-1}$. Формула соединения — фторид алюминия $AlF_3$. Фтор, как и другие галогены, существует в виде двухатомной молекулы $F_2$. Реакция с самым активным неметаллом фтором протекает при комнатной температуре.

Ответ: $2Al + 3F_2 \rightarrow 2AlF_3$

5. Какие из элементов 3-го периода образуют простые вещества с металлической, атомной, молекулярной кристаллической решёткой?

Элементы 3-го периода периодической системы Д. И. Менделеева: натрий (Na), магний (Mg), алюминий (Al), кремний (Si), фосфор (P), сера (S), хлор (Cl), аргон (Ar). Тип кристаллической решётки простого вещества зависит от типа химической связи между частицами (атомами, ионами, молекулами) в твёрдом состоянии.

Металлическая кристаллическая решётка

В узлах металлической решётки находятся атомы и катионы металла, а между ними свободно перемещаются обобществлённые валентные электроны («электронный газ»), которые и обеспечивают связь между частицами. Такую решётку образуют простые вещества-металлы. В 3-м периоде к типичным металлам относятся натрий, магний и алюминий.

Ответ: Натрий (Na), Магний (Mg), Алюминий (Al).

Атомная кристаллическая решётка

В узлах атомной решётки находятся отдельные атомы, соединённые между собой очень прочными ковалентными связями. Эти связи образуют единый трёхмерный каркас. Вещества с такой решёткой, как правило, очень твёрдые, тугоплавкие и нерастворимые. В 3-м периоде простое вещество с атомной решёткой образует кремний (Si), кристаллическая структура которого аналогична структуре алмаза. Также атомную структуру имеют некоторые аллотропные модификации фосфора, например, чёрный фосфор.

Ответ: Кремний (Si).

Молекулярная кристаллическая решётка

В узлах молекулярной решётки находятся молекулы (или атомы инертных газов), связанные между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Вещества с такой решёткой обычно имеют низкие температуры плавления и кипения, они летучи. В 3-м периоде простые вещества с молекулярной решёткой образуют неметаллы: фосфор (в виде молекул белого фосфора $P_4$), сера (в виде молекул $S_8$), хлор (в твёрдом состоянии состоит из молекул $Cl_2$) и аргон (в твёрдом состоянии состоит из отдельных атомов Ar, которые в данном контексте рассматриваются как одноатомные молекулы).

Ответ: Фосфор (P), Сера (S), Хлор (Cl), Аргон (Ar).

6. Постройте схемы, аналогичные схемам 6 и 7, для элементов и простых веществ 3-го периода. Объясните наблюдаемые закономерности.

Постройте схемы, аналогичные схемам 6 и 7, для элементов и простых веществ 3-го периода.

Схема, аналогичная схеме 6 (свойства атомов элементов 3-го периода):

Схема, аналогичная схеме 7 (свойства простых веществ 3-го периода):

Объясните наблюдаемые закономерности.

Анализ представленных схем позволяет выявить следующие закономерности изменения свойств при движении слева направо по 3-му периоду:

1. Изменение свойств атомов. С ростом порядкового номера от Na ($Z=11$) до Ar ($Z=18$) увеличивается заряд ядра. Поскольку число электронных слоев остается неизменным (равным трем), притяжение электронов внешнего слоя к ядру усиливается. Это приводит к двум главным последствиям: атомный радиус закономерно уменьшается, а электроотрицательность (способность атома притягивать к себе электроны) возрастает. Также последовательно на единицу увеличивается число валентных электронов (от 1 у Na до 8 у Ar).

2. Изменение строения и свойств простых веществ. Эти изменения в строении атомов напрямую влияют на свойства образуемых ими простых веществ:

- В начале периода (Na, Mg, Al) атомы имеют мало валентных электронов и низкую электроотрицательность, поэтому они легко их отдают. Образуется металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решётка. Вещества проявляют ярко выраженные металлические свойства.

- В середине периода (Si) атому с четырьмя валентными электронами энергетически невыгодно ни отдавать, ни принимать электроны. Вместо этого он образует четыре прочные ковалентные связи с соседними атомами, формируя гигантскую атомную кристаллическую решётку. Это обуславливает большую твердость и тугоплавкость кремния.

- Во второй половине периода (P, S, Cl) атомы имеют высокую электроотрицательность и стремятся завершить свой внешний электронный слой, образуя ковалентные связи. При этом формируются отдельные молекулы ($P_4$, $S_8$, $Cl_2$). Внутримолекулярные связи прочные, но между молекулами действуют слабые межмолекулярные силы. Поэтому эти вещества имеют молекулярные кристаллические решётки, низкие температуры плавления и являются типичными неметаллами.

- В конце периода (Ar) атом имеет завершенный внешний слой. Он химически инертен, поэтому простое вещество состоит из отдельных атомов, связанных в твердом состоянии лишь очень слабыми силами Ван-дер-Ваальса.

3. Общая тенденция. Таким образом, по мере движения по периоду слева направо происходит ослабление металлических свойств и усиление неметаллических. Происходит переход от простых веществ с металлической решёткой (металлы) к веществам с атомной и далее с молекулярной решёткой (неметаллы).

Ответ: Схемы, представленные в виде таблиц, и их анализ показывают, что в 3-м периоде с ростом заряда ядра атомов закономерно уменьшается их радиус и возрастает электроотрицательность. Это приводит к смене типа химической связи и кристаллической решётки в простых веществах: от металлической (Na, Mg, Al) через атомную (Si) к молекулярной (P, S, Cl). Как следствие, наблюдается переход от типичных металлов к типичным неметаллам.