Номер 2, страница 158 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 7. Металлы. Параграф 44. Магний. Щелочноземельные металлы. Подумай, ответь, выполни... - номер 2, страница 158.

Условие.

2. В периодической таблице кальций находится рядом с калием, однако его химические свойства более близки к свойствам натрия, который находится в другом периоде. Обсудите этот вопрос с соседом по парте.

Решение.

Решение 2.

Утверждение о том, что химические свойства кальция ($Ca$) более близки к свойствам натрия ($Na$), чем к свойствам соседнего калия ($K$), на первый взгляд кажется противоречащим периодическому закону. Ведь калий и кальций находятся в одном, 4-м, периоде, в то время как натрий — в 3-м. Однако это наблюдение можно объяснить, рассмотрев несколько ключевых факторов, определяющих свойства элементов.

Химические свойства элементов определяются их электронной конфигурацией (в особенности валентных электронов), а также такими характеристиками, как атомный и ионный радиус, энергия ионизации и электроотрицательность. Сравним эти параметры для рассматриваемых элементов:

• Натрий (Na): Период 3, Группа 1. Электронная конфигурация: $[Ne]3s^1$. Образует ион $Na^+$.
• Калий (K): Период 4, Группа 1. Электронная конфигурация: $[Ar]4s^1$. Образует ион $K^+$.
• Кальций (Ca): Период 4, Группа 2. Электронная конфигурация: $[Ar]4s^2$. Образует ион $Ca^{2+}$.

Ключ к разгадке кроется в так называемой диагональной схожести в периодической таблице. Это явление, при котором элемент проявляет свойства, схожие со свойствами элемента, расположенного в следующей группе и следующем периоде (то есть по диагонали вниз и вправо). Классические примеры — это пары литий-магний ($Li-Mg$) и бериллий-алюминий ($Be-Al$). Пара натрий-кальций ($Na-Ca$) также демонстрирует черты этой закономерности.

Причина диагональной схожести заключается в том, что при движении по диагонали два противоположных эффекта компенсируют друг друга:

1. При движении вниз по группе (от $Na$ к $K$) увеличивается число электронных слоев, что ведет к значительному увеличению атомного и ионного радиуса и уменьшению электроотрицательности.
2. При движении вправо по периоду (от $K$ к $Ca$) увеличивается заряд ядра, что приводит к сжатию электронной оболочки, уменьшению радиуса и росту электроотрицательности.

В результате этих разнонаправленных изменений оказывается, что радиусы и электроотрицательность у элементов, стоящих по диагонали, близки по значению. Давайте сравним численные значения:

• Атомный радиус: $Na \approx 186$ пм; $Ca \approx 197$ пм; $K \approx 227$ пм. Атомный радиус кальция действительно ближе к радиусу натрия, чем к радиусу калия.
• Ионный радиус: $Na^+ \approx 102$ пм; $Ca^{2+} \approx 100$ пм; $K^+ \approx 138$ пм. Здесь сходство еще более поразительно: ионы натрия и кальция практически одинаковы по размеру, в то время как ион калия значительно крупнее.
• Электроотрицательность (по Полингу): $Na \approx 0.93$; $Ca \approx 1.00$; $K \approx 0.82$. И по этому параметру кальций ближе к натрию.

Близкие размеры ионов $Na^+$ и $Ca^{2+}$ приводят к схожей плотности заряда, что влияет на такие свойства, как энергия кристаллической решетки их солей и энергия гидратации ионов. Например, это сходство играет важную роль в биологических системах, где ионы кальция и натрия могут в некоторых процессах конкурировать друг с другом.

Тем не менее, важно понимать, что это сходство не является абсолютным. Фундаментальное различие заключается в заряде ионов: натрий всегда образует соединения со степенью окисления +1, а кальций — +2. Это приводит к разной стехиометрии их соединений (например, $NaCl$ и $CaCl_2$) и к существенным различиям в свойствах, например, в растворимости. Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) хорошо растворим в воде, а карбонат кальция ($CaCO_3$) — практически нерастворим.

Ответ: Утверждение о близости свойств кальция и натрия, несмотря на их разное положение в периодической таблице, справедливо в отношении некоторых фундаментальных физико-химических характеристик. Это объясняется эффектом диагональной схожести. При переходе от натрия к кальцию по диагонали увеличение радиуса за счет добавления нового электронного слоя компенсируется его уменьшением из-за роста заряда ядра. В результате ионы $Na^+$ и $Ca^{2+}$ имеют почти одинаковый радиус (102 и 100 пм соответственно) и близкие значения электроотрицательности. Это приводит к сходству в свойствах, зависящих от размера и плотности заряда иона. Однако, из-за различия в заряде ионов (+1 у натрия и +2 у кальция), существует и множество различий в их химическом поведении и свойствах их соединений.