Страница 15 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

Лабораторный опыт № 2. Моделирование построения. Периодической системы Д. И. Менделеева

Смоделируйте построение Периодической системы Д. И. Менделеева. Для этого подготовьте 20 карточек размером $6 \times 10$ см для элементов с порядковыми номерами с 1-го по 20-й. На каждой карточке укажите следующие сведения об элементе: химический символ, название, относительную атомную массу, формулу высшего оксида, гидроксида (в скобках укажите их характер — основной, кислотный или амфотерный), формулу летучего водородного соединения (для неметаллов).

Перемешайте карточки, а затем расположите их в ряд по возрастанию относительных атомных масс элементов. Сходные элементы с 1-го по 18-й расположите друг под другом: водород над литием и калий под натрием, соответственно кальций под магнием, гелий под неоном. Сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона. Обратите внимание на несоответствие относительных атомных масс аргона и калия их расположению по общности свойств элементов. Объясните причину этого явления.

Смоделируйте построение Периодической системы Д. И. Менделеева.

Для моделирования подготовим данные для 20 карточек химических элементов с порядковыми номерами от 1 до 20, указав на них требуемые сведения.

• 1. H (Водород), $A_r = 1.008$. Высший оксид: $H_2O$. Гидроксид: $H_2O$ (амфотерный). Летучее водородное соединение: $H_2$.
• 2. He (Гелий), $A_r = 4.003$. Инертный газ, соединений не образует.
• 3. Li (Литий), $A_r = 6.94$. Высший оксид: $Li_2O$. Гидроксид: $LiOH$ (основный).
• 4. Be (Бериллий), $A_r = 9.012$. Высший оксид: $BeO$. Гидроксид: $Be(OH)_2$ (амфотерный).
• 5. B (Бор), $A_r = 10.81$. Высший оксид: $B_2O_3$. Гидроксид: $H_3BO_3$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $B_2H_6$.
• 6. C (Углерод), $A_r = 12.011$. Высший оксид: $CO_2$. Гидроксид: $H_2CO_3$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $CH_4$.
• 7. N (Азот), $A_r = 14.007$. Высший оксид: $N_2O_5$. Гидроксид: $HNO_3$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $NH_3$.
• 8. O (Кислород), $A_r = 15.999$. Высший оксид (с фтором): $OF_2$. Гидроксид: нет. Летучее водородное соединение: $H_2O$.
• 9. F (Фтор), $A_r = 18.998$. Высший оксид: $OF_2$. Гидроксид: нет. Летучее водородное соединение: $HF$.
• 10. Ne (Неон), $A_r = 20.180$. Инертный газ, соединений не образует.
• 11. Na (Натрий), $A_r = 22.990$. Высший оксид: $Na_2O$. Гидроксид: $NaOH$ (основный).
• 12. Mg (Магний), $A_r = 24.305$. Высший оксид: $MgO$. Гидроксид: $Mg(OH)_2$ (основный).
• 13. Al (Алюминий), $A_r = 26.982$. Высший оксид: $Al_2O_3$. Гидроксид: $Al(OH)_3$ (амфотерный).
• 14. Si (Кремний), $A_r = 28.085$. Высший оксид: $SiO_2$. Гидроксид: $H_2SiO_3$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $SiH_4$.
• 15. P (Фосфор), $A_r = 30.974$. Высший оксид: $P_2O_5$. Гидроксид: $H_3PO_4$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $PH_3$.
• 16. S (Сера), $A_r = 32.06$. Высший оксид: $SO_3$. Гидроксид: $H_2SO_4$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $H_2S$.
• 17. Cl (Хлор), $A_r = 35.453$. Высший оксид: $Cl_2O_7$. Гидроксид: $HClO_4$ (кислотный). Летучее водородное соединение: $HCl$.
• 18. Ar (Аргон), $A_r = 39.948$. Инертный газ, соединений не образует.
• 19. K (Калий), $A_r = 39.098$. Высший оксид: $K_2O$. Гидроксид: $KOH$ (основный).
• 20. Ca (Кальций), $A_r = 40.078$. Высший оксид: $CaO$. Гидроксид: $Ca(OH)_2$ (основный).

Расположив карточки в ряд по возрастанию их относительных атомных масс, мы получим следующую последовательность: $H \rightarrow He \rightarrow Li \rightarrow Be \rightarrow B \rightarrow C \rightarrow N \rightarrow O \rightarrow F \rightarrow Ne \rightarrow Na \rightarrow Mg \rightarrow Al \rightarrow Si \rightarrow P \rightarrow S \rightarrow Cl \rightarrow K \rightarrow Ar \rightarrow Ca$.

При этом мы замечаем, что калий ($K$, $A_r = 39.098$) оказался перед аргоном ($Ar$, $A_r = 39.948$), хотя его атомная масса меньше.

Далее, расположим элементы по сходству их химических свойств, как указано в задании. Это приводит к структуре, где свойства элементов изменяются периодически. Например, щелочной металл литий ($Li$) сменяется щелочноземельным металлом бериллием ($Be$), затем свойства закономерно меняются от металлических к неметаллическим и период завершается инертным газом неоном ($Ne$). Следующий элемент, натрий ($Na$), по свойствам похож на литий, и с него начинается новый период.

Такое расположение приводит к следующей таблице (в скобках указаны порядковые номера):

В этой таблице инертный газ аргон ($Ar$) находится в одной группе с гелием ($He$) и неоном ($Ne$), а щелочной металл калий ($K$) — под натрием ($Na$), что полностью соответствует их химическим свойствам. Такое расположение достигается, если размещать элементы по порядку их атомных номеров, а не атомных масс.

Ответ: Моделирование показывает, что при расположении элементов по возрастанию атомной массы наблюдается периодическое повторение свойств, но существуют исключения (например, пара Ar-K). Приоритет общности химических свойств над строгим порядком атомных масс приводит к построению Периодической системы, где элементы сгруппированы в периоды и группы в соответствии с их порядковыми номерами.

Сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона.

Наблюдаемое периодическое изменение свойств химических элементов привело Д. И. Менделеева к открытию Периодического закона. Первоначальная формулировка основывалась на атомной массе. Однако, как показывает пример с аргоном и калием, более фундаментальной характеристикой, определяющей свойства элемента, является не масса, а заряд ядра атома (порядковый номер). Современная формулировка Периодического закона звучит следующим образом:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

Ответ: Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.

Объясните причину этого явления.

"Этим явлением" является несоответствие в расположении аргона ($Ar$) и калия ($K$) при сортировке по атомной массе по сравнению с их расположением по химическим свойствам (и по атомному номеру).

Причина кроется в изотопном составе этих элементов в природе.

• Атомная масса ($A_r$) — это среднее значение масс всех природных изотопов элемента с учётом их распространённости. Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов (одинаковый заряд ядра $Z$), но разное число нейтронов, а следовательно, разную массу.
• Химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, которое, в свою очередь, полностью зависит от заряда ядра (числа протонов), то есть от порядкового номера элемента.

Рассмотрим пару аргон-калий:

• Калий ($K$) имеет порядковый номер 19 (19 протонов). В природе он состоит в основном из изотопа $ ^{39}K $ (распространённость 93,3%) и небольшого количества $ ^{41}K $ (6,7%). Это дает среднюю относительную атомную массу $A_r(K) \approx 39.098$.
• Аргон ($Ar$) имеет порядковый номер 18 (18 протонов), и его химические свойства (инертность) определяются именно этим. Однако в природе он представлен в основном тяжёлым изотопом $ ^{40}Ar $ (99,6%). Из-за преобладания этого тяжёлого изотопа средняя относительная атомная масса аргона оказывается больше, чем у калия: $A_r(Ar) \approx 39.948$.

Таким образом, хотя атом калия ($Z=19$) по своему строению и свойствам должен следовать за атомом аргона ($Z=18$), природная смесь изотопов аргона в среднем оказывается тяжелее природной смеси изотопов калия. Периодический закон основан на заряде ядра, а не на атомной массе, поэтому в Периодической системе аргон (№18) стоит перед калием (№19), несмотря на "неправильное" соотношение их масс.

Ответ: Причина несоответствия атомных масс аргона и калия их положению в Периодической системе заключается в природном изотопном составе этих элементов. Химические свойства определяются зарядом ядра (порядковым номером), а не относительной атомной массой, которая является средней величиной масс природных изотопов. Аргон в природе представлен в основном тяжёлым изотопом $ ^{40}Ar $, из-за чего его средняя атомная масса больше, чем у калия, который состоит преимущественно из более лёгкого изотопа $ ^{39}K $.