Номер 3, страница 111, часть 1 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. В периодической системе элементы кальций и калий расположены в одном периоде. Однако химические свойства кальция более близки к свойствам натрия, который находится в 3-м периоде. Объясните, почему?

Решение

Химические свойства элементов определяются в первую очередь строением их атомов, а именно количеством валентных электронов (электронов на внешней оболочке) и радиусом атома. Рассмотрим расположение и строение атомов калия (K), кальция (Ca) и натрия (Na) в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Калий (K): Порядковый номер 19. Находится в 4-м периоде, I группе, главной подгруппе. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^1$. Имеет 1 валентный электрон.

Кальций (Ca): Порядковый номер 20. Находится в 4-м периоде, II группе, главной подгруппе. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$. Имеет 2 валентных электрона.

Натрий (Na): Порядковый номер 11. Находится в 3-м периоде, I группе, главной подгруппе. Электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^1$. Имеет 1 валентный электрон.

С одной стороны, натрий и калий являются щелочными металлами (I группа) и имеют по одному валентному электрону, что делает их химически очень похожими. Например, оба легко отдают один электрон, образуя ионы с зарядом +1, а их оксиды и гидроксиды являются сильными основаниями. Кальций же — щелочноземельный металл (II группа) с двумя валентными электронами, образующий ионы с зарядом +2.

Однако, несмотря на разницу в групповой принадлежности, некоторые физические и химические свойства кальция действительно оказываются ближе к свойствам натрия, чем калия. Это явление можно объяснить с помощью так называемой "диагональной аналогии" в периодической системе.

При переходе по таблице от натрия (группа I, период 3) к кальцию (группа II, период 4) происходит наложение двух противоположных тенденций:

1. Движение вниз по группе (от периода 3 к 4) приводит к увеличению атомного и ионного радиуса, так как добавляется новый электронный слой.

2. Движение вправо по периоду (от группы I ко II) приводит к уменьшению радиуса, так как возрастает заряд ядра, который сильнее притягивает электроны.

В результате взаимной компенсации этих двух эффектов, радиусы атомов и, что более важно, ионов натрия и кальция оказываются очень близки. Сравним численные значения:

Радиус иона натрия $Na^+$: $r(Na^+) \approx 102 \text{ пм}$

Радиус иона кальция $Ca^{2+}$: $r(Ca^{2+}) \approx 100 \text{ пм}$

В то же время, радиус иона калия $K^+$ значительно больше: $r(K^+) \approx 138 \text{ пм}$

Как видно, ионный радиус кальция почти совпадает с радиусом натрия. Близость ионных радиусов и, как следствие, плотностей заряда ионов $Na^+$ и $Ca^{2+}$ приводит к сходству в строении кристаллических решеток некоторых их солей (явление изоморфизма) и схожему поведению в химических и биологических системах.

Также близки значения их электроотрицательности по шкале Полинга:

Электроотрицательность Na: 0.93

Электроотрицательность Ca: 1.00

Электроотрицательность K: 0.82

Значение для кальция (1.00) ближе к значению для натрия (0.93), чем для калия (0.82).

Таким образом, хотя по основному набору химических свойств (валентность, тип образуемых ионов) кальций отличается от натрия, по ряду важных физико-химических характеристик, таких как ионный радиус и электроотрицательность, он оказывается ближе к натрию, чем к своему соседу по периоду — калию. Это объясняется диагональным расположением элементов Na и Ca в периодической таблице.

Ответ:

Сходство свойств кальция и натрия, несмотря на их нахождение в разных группах и периодах, объясняется проявлением диагональной аналогии. При движении по периодической таблице от натрия (период 3, группа 1) к кальцию (период 4, группа 2) происходит одновременное движение вниз на один период и вправо на одну группу. Увеличение радиуса атома при переходе на следующий период частично компенсируется его уменьшением при переходе в следующую группу. В результате этого ионный радиус кальция ($r(Ca^{2+}) \approx 100 \text{ пм}$) оказывается очень близок к ионному радиусу натрия ($r(Na^+) \approx 102 \text{ пм}$), в то время как ионный радиус калия значительно больше ($r(K^+) \approx 138 \text{ пм}$). Также значения электроотрицательности кальция (1.00) и натрия (0.93) ближе друг к другу, чем к калию (0.82). Близость этих фундаментальных характеристик и является причиной сходства некоторых их химических и физических свойств.