Решебник по химии 8 класс Габриелян §33

Характеристика элемента по его положению в периодической системе

Стр. 144

Вопрос

Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева позволяют прогнозировать свойства элементов и образованных ими веществ. Каким образом?

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева позволяют прогнозировать свойства элементов на основе их положения в таблице. Это связано с тем, что элементы, находящиеся в одной группе, имеют одинаковое число валентных электронов, что определяет их химические свойства. В пределах периода с увеличением порядкового номера изменяются металлические и неметаллические свойства, электроотрицательность, размеры атомов.

Используя Периодическую систему, можно предсказать:

1. Физические свойства элемента, например, атомный радиус, плотность, температуру плавления и кипения.

2. Химические свойства, включая характер взаимодействия с другими веществами, степень окисления и тип соединений.

3. Тип оксидов и гидроксидов, которые образует элемент (основные, кислотные или амфотерные).

4. Способность к образованию ионных или ковалентных связей.

Исторически, с помощью Периодического закона были предсказаны и позже открыты новые элементы, такие как галлий (Ga), германий (Ge) и скандий (Sc), свойства которых соответствовали предсказанным Менделеевым характеристикам. Таким образом, система химических элементов остаётся мощным инструментом для исследования и предсказания свойств веществ.

Стр. 146

Проверьте свои знания

1. По приведённому в параграфе плану дайте характеристику химических элементов: а) кальция; б) магния; в) серы.

Кальций (Ca) имеет порядковый номер 20 и расположен в 4 периоде, 2 группе, главной подгруппе (IIA) Периодической системы Д. И. Менделеева. Его атом содержит 20 протонов, 20 электронов и 20 нейтронов. Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 8e⁻, 2e⁻). Кальций является металлом, обладающим высокой химической активностью. Простое вещество кальций — металл с характерными свойствами: высокая теплопроводность, пластичность, металлический блеск. Взаимодействует с кислотами и водой, образуя гидроксид (Ca(OH)₂) и соли. Высший оксид кальция — (CaO), он является основным оксидом.

Магний (Mg) имеет порядковый номер 12, расположен в 3 периоде, 2 группе, главной подгруппе (IIA). Содержит 12 протонов, 12 электронов и 12 нейтронов. Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 2e⁻). Магний — металл, менее активный, чем кальций. Простое вещество магний представляет собой легкий металл, устойчивый к коррозии. Реагирует с кислотами, образуя соли, а при высокой температуре с водой. Высший оксид — (MgO), основный оксид.

Сера (S) имеет порядковый номер 16, расположена в 3 периоде, 16 группе, главной подгруппе (VIA). В ядре атома 16 протонов и 16 нейтронов, на оболочке 16 электронов. Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 6e⁻). Сера — неметалл, проявляет окислительные свойства. Простое вещество сера имеет несколько аллотропных модификаций (ромбическая, моноклинная, пластическая). Взаимодействует с металлами, кислородом, водородом, образуя сульфиды, оксиды и кислоты. Высший оксид серы — (SO₃), является кислотным.

2. Какие водородные соединения состава (H₃) образуют следующие элементы: а) Ca, Mg; б) P, S, As.

Элементы кальций (Ca) и магний (Mg) образуют гидриды состава CaH₂ и MgH₂ соответственно. Эти соединения являются ионными гидридами, в которых водород выступает в виде аниона (H⁻).

Элементы фосфор (P), сера (S) и мышьяк (As) образуют летучие водородные соединения: PH₃ (фосфин), H₂S (сероводород), AsH₃ (арсин). Эти вещества имеют ковалентные связи, обладают характерным запахом и представляют собой летучие газообразные соединения.

3. Расположите элементы в порядке увеличения неметаллических свойств: а) P, S, As.

В ряду As → P → S неметаллические свойства увеличиваются. Неметаллические свойства зависят от способности атома присоединять электроны и от его электроотрицательности. В периодах справа налево неметаллические свойства ослабевают, а сверху вниз в группе — тоже. Мышьяк (As) — элемент V группы, но расположен ниже в группе, поэтому он менее неметалличен, чем фосфор (P). Сера (S) находится правее фосфора и обладает наиболее выраженными неметаллическими свойствами среди них.

4. Расположите элементы в порядке увеличения металлических свойств: а) Na, Mg, Al.

В ряду Al → Mg → Na металлические свойства увеличиваются. Металлические свойства определяются способностью атома отдавать электроны. В периодах слева направо металлические свойства ослабевают, а сверху вниз в группе усиливаются. Натрий (Na) — элемент I группы, отдаёт электрон легче, чем магний (Mg) и алюминий (Al), поэтому обладает наиболее выраженными металлическими свойствами.

5. Какие элементы образуют кислотные оксиды и соответствующие им гидроксиды с наибольшими неметаллическими свойствами? Отметьте три элемента из ряда: кремний, хлор, сера.

Элементы, обладающие наибольшими неметаллическими свойствами и образующие кислотные оксиды и соответствующие им кислоты, — это хлор (Cl) и сера (S). Они проявляют высокие окислительные свойства, формируют сильные кислотные оксиды (Cl₂O₇, SO₃) и соответствующие кислоты (HClO₄, H₂SO₄).

Кремний (Si) также образует кислотный оксид (SiO₂), но неметаллические свойства у него выражены слабее по сравнению с серой и хлором.

6. Напишите формулы высших оксидов и соответствующих им гидроксидов для элементов-металлов: алюминия, магния, меди, лития.

Алюминий: высший оксид (Al₂O₃), гидроксид (Al(OH)₃) (амфотерный).

Магний: высший оксид (MgO), гидроксид (Mg(OH)₂) (основный).

Медь: высший оксид (CuO) (при степени окисления +2), гидроксид (Cu(OH)₂) (основный).

Литий: высший оксид (Li₂O), гидроксид (LiOH) (основный).

7. Запишите формулы двух высших оксидов, если их состав (EO₃) и (E₂O₃), а также три уравнения реакций, характеризующие химические свойства этих оксидов.

Примеры оксидов: серный ангидрид (SO₃) и алюминиевый оксид (Al₂O₃).

Уравнения реакций:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]

Стр. 147

Примените свои знания

8. Напишите уравнения химических реакций кальция:

а) с кислородом;

б) с серой;

в) с водой.

а) (2Ca + O₂ → 2CaO)

б) (Ca + S → CaS)

в) (Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑)

9. Используя приведённый в параграфе план, найдите сходство и различия пар химических элементов:

а) лития и натрия;

б) углерода и азота.

Литий и натрий принадлежат к группе щелочных металлов (IA группа), имеют один электрон на внешнем уровне, активно реагируют с водой, кислородом и галогенами. Отличие в том, что натрий более активен, так как его атомный радиус больше, а внешние электроны слабее удерживаются ядром.

Углерод и азот — неметаллы, расположенные в одном периоде (втором). Оба элемента образуют ковалентные соединения, имеют малый атомный радиус. Различие в том, что углерод чаще проявляет валентности +2 и +4, а азот — от -3 до +5, что делает его химически более разнообразным.

10. Определите положение химических элементов в Периодической системе по следующим данным:

а) ядро атома содержит 5 протонов;

б) массовое число атома равно 35, причём в ядре атома 18 нейтронов;

в) в электронной оболочке атома содержится 13 электронов;

г) электронная оболочка атома состоит из трёх энергетических уровней, на внешнем уровне находится 4 электрона.

а) Элемент с 5 протонами — бор (B). Он находится в 13 группе (IIIA), 2 периоде.

б) Элемент с массовым числом 35 и 18 нейтронами: число протонов = 35 - 18 = 17. Это хлор (Cl), он расположен в 17 группе (VIIA), 3 периоде.

в) Элемент с 13 электронами — алюминий (Al). Он находится в 13 группе (IIIA), 3 периоде.

г) Элемент с тремя энергетическими уровнями и 4 электронами на внешнем уровне — кремний (Si), который расположен в 14 группе (IVA), 3 периоде.

11. Прочитайте фрагмент характеристики химического элемента по положению в Периодической системе и определите этот элемент:

а) его металлические свойства выражены сильнее, чем у алюминия, но слабее, чем у индия;

б) его неметаллические свойства выражены сильнее, чем у бора, но слабее, чем у азота;

в) формула летучего водородного соединения — H₃, а электронная оболочка атома содержит четыре электронных уровня;

г) на внешнем электронном уровне содержится четыре электрона, элемент расположен в третьем периоде;

д) неметалл, максимальная валентность равна пяти, число электронных уровней в электронной оболочке атома равно четырём.

На основе приведённых характеристик можно определить элемент.

а) Металлические свойства сильнее, чем у алюминия, но слабее, чем у индия. Это характерно для кремния (Si).

б) Неметаллические свойства выражены сильнее, чем у бора, но слабее, чем у азота. Кремний действительно менее неметалличен, чем азот, но более неметалличен, чем бор.

в) Формула летучего водородного соединения — H₃, но для кремния характерен гидрид SiH₄ (силан).

г) На внешнем уровне содержится 4 электрона, и элемент расположен в третьем периоде. Это подтверждает, что речь идёт о кремнии.

д) Неметалл, максимальная валентность равна пяти, число электронных уровней — четыре. Это указывает на фосфор (P), так как он проявляет валентности от 3 до 5.

Сравнивая все данные, наиболее вероятный ответ: кремний (Si).

12. Для реакции с хлором взяты одинаковые массы магния и кальция. Не производя химических расчётов, определите, для какой из этих двух реакций потребуется больший объём газообразного хлора.

Магний (Mg) и кальций (Ca) принадлежат к одной группе (IIA), но магний легче кальция, так как его атомная масса меньше (24,3 против 40,1).

При одинаковой массе взятых металлов число молей магния будет больше, чем число молей кальция. Так как оба металла образуют соединения с хлором в виде (MgCl₂) и (CaCl₂), то большее количество молекул магния потребует большего количества хлора для реакции.

Следовательно, для реакции с магнием потребуется больший объём газообразного хлора, чем для реакции с кальцием.

13. При сжигании 0,45 г простого вещества, образованного атомами элемента IIA-группы, образовалось 1,25 г оксида. Определите, какое вещество было взято для реакции.

Обозначим массу металла как m (0,45 г), а массу образовавшегося оксида — m(оксида) (1,25 г). Найдём массу кислорода:

m(кислорода) = m(оксида) - m(металла) = 1,25 - 0,45 = 0,80 г.

Запишем общий вид реакции для оксидов элементов IIA-группы:

M + O₂ → MO

Теперь найдём молярные массы возможных металлов:

Масса металла (0,45 г) = (атомная масса металла) × (количество вещества металла, ν)

Масса кислорода (0,80 г) = 16 × (количество вещества кислорода, ν)

Рассчитаем отношение масс металла к кислороду:

М(металла) / М(кислорода) = 0,45 / 0,80 ≈ 9/16

Это соотношение соответствует магнию (Mg), так как молярная масса магния 24,3 г/моль, а его оксид (MgO) имеет молекулярную массу 40,3 г/моль.

Ответ: Веществом, взятым для реакции, был магний (Mg).

Стр. 147

Используйте дополнительную информацию

14. Представьте себе, что оганесон стал стабильным химическим элементом. Спрогнозируйте свойства этого элемента и соответствующего простого вещества на основании положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Оганесон (Og) — элемент 118 с порядковым номером 118, находится в 8-й группе (VIIIA), 7-м периоде Периодической системы Д. И. Менделеева. Он относится к благородным газам, однако в отличие от классических представителей этой группы (гелий, неон, аргон), оганесон обладает особенностями из-за высокой атомной массы и потенциальных релятивистских эффектов.

Если бы оганесон был стабильным элементом, его свойства можно спрогнозировать следующим образом:

1. Физические свойства:

   • Вероятно, при нормальных условиях он существовал бы в виде газа, но более плотного, чем радон (Rn).

   • Высокая поляризуемость атома может приводить к отклонениям от идеального поведения инертных газов.

   • Возможна тенденция к слабой межатомной связи, что делает его менее летучим, чем более лёгкие благородные газы.

2. Химические свойства:

   • В отличие от более лёгких благородных газов, оганесон может проявлять бóльшую химическую активность, особенно в соединениях с сильными окислителями, например фтором (образование OgF₂ или даже OgF₄).

   • Возможны ионные и ковалентные соединения с высокоэлектроотрицательными элементами, подобно радону.

3. Простое вещество:

   • Оганесон как простое вещество, вероятно, имел бы газообразную форму, но из-за большого атомного радиуса его молекулярные силы Ван-дер-Ваальса могли бы быть значительно сильнее, что могло бы привести к жидкому или даже твёрдому состоянию при более низких температурах.

Таким образом, несмотря на принадлежность к благородным газам, стабильный оганесон, вероятно, проявлял бы большую химическую активность и обладал уникальными свойствами, отличающими его от более лёгких представителей группы.

15. Подготовьте сообщение об открытии одного из химических элементов.

Открытие химического элемента — германий (Ge)

Открытие германия — одно из наиболее значимых событий в истории химии, так как оно подтвердило точность Периодического закона, сформулированного Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Этот элемент был предсказан теоретически задолго до его фактического обнаружения, что стало триумфом науки и примером того, как фундаментальные законы природы позволяют прогнозировать свойства неизвестных веществ.

Предсказание существования германия

В 1869 году русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев опубликовал свою Периодическую систему химических элементов. Она основывалась на закономерностях изменения свойств элементов в зависимости от их атомного веса. Однако в то время ещё не все элементы были открыты, и в его таблице оставались пустые клетки.

Одну из таких клеток он поместил под кремнием (Si) в 14-й группе и назвал гипотетический элемент "экасилицием" (от санскритского "эка" — один, обозначая, что это элемент, следующий за кремнием). Менделеев предсказал не только существование этого элемента, но и основные его характеристики, включая атомную массу, плотность, валентность и свойства соединений.

Согласно его прогнозу, "экасилиций" должен был обладать следующими свойствами:

• Атомная масса – примерно 72.

• Плотность – около 5,5 г/см³.

• Оксид должен иметь формулу EО₂, подобно диоксиду кремния (SiO₂).

• Валентность – +4 и +2, аналогично кремнию.

• Способность образовывать летучие соединения с хлором, такие как ECl₄.

Менделеев был уверен, что этот элемент вскоре будет открыт, и оставил для него место в своей таблице.

Открытие германия

Спустя 17 лет, в 1886 году, немецкий химик Клеменс Винклер изучал новый минерал аргиродит (Ag₈GeS₆), найденный в серебряных рудниках Саксонии. Во время анализа состава руды он обнаружил, что помимо известных элементов (серебра и серы) в ней содержится неизвестный металл, который не соответствовал ни одному известному на тот момент элементу.

После долгих экспериментов Винклер смог выделить чистый образец этого элемента и установить его основные свойства. Он назвал новый элемент германием (Germanium) в честь своей родины — Германии.

Подтверждение теории Менделеева

Когда учёные сравнили свойства германия с предсказаниями Менделеева, оказалось, что они практически полностью совпадают:

• Атомная масса германия составила 72,63, что практически соответствовало прогнозу.

• Плотность оказалась 5,35 г/см³, что очень близко к предсказанному значению (5,5 г/см³).

• Оксид германия (GeO₂) действительно напоминал кремнезём (SiO₂) по своей структуре и свойствам.

• Соединения германия с хлором (GeCl₄) подтвердили его химическое сходство с кремнием.

Открытие германия стало блестящим доказательством правильности Периодического закона, так как оно подтвердило возможность предсказания новых элементов и их свойств на основе закономерностей, заложенных в таблице Менделеева.

Использование германия

После открытия германия долгое время считали редким и малоиспользуемым металлом. Однако в середине XX века были обнаружены его уникальные полупроводниковые свойства, что сделало его крайне важным для электроники. Германий стал первым материалом, на основе которого были созданы полупроводниковые транзисторы — устройства, без которых невозможна современная электроника.

Сегодня германий применяется:

• В производстве оптических приборов (инфракрасных линз, объективов, волоконно-оптических систем).

• В радиотехнике и электронике (полупроводники, транзисторы, диоды).

• В сплавах с другими металлами, повышая их прочность и термостойкость.

• В медицине — некоторые соединения германия изучаются на предмет их полезных свойств для организма.

Заключение

История открытия германия демонстрирует силу научного предвидения. Благодаря гениальному предсказанию Менделеева, учёные смогли подтвердить существование нового элемента, который оказался важнейшим материалом для современных технологий. Этот случай стал одним из ярчайших примеров в истории науки, когда теория опережает эксперимент, а Периодический закон продолжает доказывать свою универсальность.