Задачи к разделу Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов

Здесь собраны задачи к разделу Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов

Задача 1. Как изменяются свойства гидроксидов элементов в периодах и группах с увеличением порядкового номера? Почему?

Показать решение »

Решение. Металлы могут образовывать и основные, и кислотные, и амфотерные гидроксиды. При этом с увеличением степени окисления металла (при движении слева направо в периодической таблице) основной характер его оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный усиливается.

Например, Na2O – основной оксид, NaOH – основание

SO3 – кислотный оксид, H2SO4 – кислота

Al2O3 – амфотерный оксид, может образовывать, как основание (Al(OH)3), так и кислоту HAlO2 или H3AlO3.

Сила оснований слева направо уменьшается, а сверху вниз растет, так же как металлические свойства растут сверху вниз.

Например, Cs (цезий) более активный металл, чем К (калий), так как у Cs валентный электрон находится дальше от ядра, чем у К (калия) и Cs легче отдает электрон (так как притяжение ядра ослабевает).

Если один элемент может иметь разные степени окисления, то с увеличением степени окисления элемента сила основания уменьшается, больше проявляется кислотный характер образуемого соединения, например

Cr+2(OH)2                        Cr+3(OH)3≡H3CrO3                               H2CrO4

основание                     амфотерный гидроксид                   кислота

стрелка

основной характер ослабляется, кислотный характер усиливается

Неметаллы не образуют основные и амфотерные оксиды. Практически все оксиды неметаллов являются кислотными.

Например, Na2O – основной оксид, NaOH – основание

SO3 – кислотный оксид, H2SO4 – кислота

Al2O3 – амфотерный оксид, может образовывать, как основание (Al(OH)3), так и кислоту HAlO2 или H3AlO3.

 

Задача 2. Какова современная формулировка Периодического закона? В чем причина периодической зависимости свойств элементов и образуемых ими соединений от заряда ядра атомов?

Показать решение »

Решение. Периодический закон: Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома, или порядкового номера элемента.

Свойства элементов, в первую очередь, определяются структурой внешнего электронного слоя их атомов. Поэтому элементы одной подгруппы имеют сходные свойства.

При увеличении порядкового номера (заряда ядра) в атомах элементов последовательно увеличивается общее число электронов, а число электронов на внешнем электронном слое изменяется периодически, что приводит к периодическому изменению свойств химических элементов.

Деление элементов на периоды обусловлено числом энергетических уровней: в одном периоде объединены элементы, имеющие одинаковое число энергетических уровней (электронных слоев), равное номеру периода.

Деление на группы и подгруппы обусловлено порядком заполнения электронами уровней и подуровней: элементы главных подгрупп состоят из s- и p- элементов (т.е. из элементов, у которых заполняется либо s-, либо р- подуровень).

Элементы побочных подгрупп состоят из d- и f- элементов (заполняется d- или f- подуровень).

Многие свойства элемента (радиус атома, электроотрицательность, степень окисления, энергия ионизации, сродство к электрону) связаны со строением электронных оболочек, поэтому вместе с последними обладают периодичностью.

Свойства элементов, в первую очередь, определяются структурой внешнего электронного слоя их атомов. Поэтому элементы одной подгруппы имеют сходные свойства.

Задача 3. Проанализируйте изменения величины зарядов ядер, радиусов. Атомов, электроотрицательностей и степеней окисления 4 периода. Каковы закономерности этих изменений при движении — по группе сверху вниз или по периоду слева направо? Как изменяется в этом направлении металличность элементов и характер их оксидов и гидроксидов?

Показать решение »

Решение. Номер периода показывает число электронных слоев, номер внешнего электронного слоя, число энергетических уровней, номер высшего энергетического уровня, значение главного квантового числа для высшего энергетического уровня.

Элементы четвертого периода имеют главное квантовое число n = 4.

Электронных слоев – 4.

Четвертый период заканчивается благородным газом. После двух s-элементов (К и Са) следуют 10 элементов (от Sc до Zn), в атомах которых электроны в последнюю очередь заполняют d-подуровень предвнешнего электронного слоя (d-элементы). У Cr и Cu наблюдается проскок электрона. Завершают период p-элементы.

Слева направо заряд ядра растет, так как идет заполнение орбиталей и число электронов и протонов растет.

Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются, так как растет атомное притяжение.

Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.

Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).

В группах сверху вниз металичность элементов усиливается, а энергия ионизации уменьшается. Причина этого в том, что электроны с низких энергетических уровней отталкивают от ядра электроны с высоких энергетических уровней, поскольку и те и другие имеют отрицательный заряд.

Так как в каждом следующем ряду на один энергетический уровень больше, чем в предыдущем, атомные радиусы увеличиваются (сверху вниз).

Высшая степень окисления и металлов и неметаллов, как правило, равна номеру группы. Низшая степень окисления металлов равна нулю (в простых веществах – металлах).  Низшая степень окисления неметаллов равна 8 – номер группы. Например, для брома степень окисления = 7 – 8 = -1.

Кислотными являются почти все оксиды неметаллов, а также оксиды металлов, в которых металл имеет степень окисления +5 и выше (CrO3, Mn2O7).

Оксиды и гидроксиды металлов со степенью окисления +3, +4 в большинстве своем, являются амфотерными. И некоторые оксиды металлов со степенью окисления +2 (ZnO, MnO2).

Неметаллы не образуют основные и амфотерные оксиды.

Основными оксидами и гидроксидами являются оксиды и гидроксиды металлов со степенью окисления +1 (K2O), большинство оксидов и гидроксидов металлов со степенью окисления +2 (CaO) и некоторых оксидов металлов со степенью окисления +3.

Задача 4. Составьте формулы оксидов и гидроксидов марганца. Как изменяется кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер этих соединений? Подчиняются ли эти соединения общей закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов?

Показать решение »

Решение. Для марганца характерны степени окисления +2, +4,+7, существуют соединения в которых он проявляет степени окисления +3, +5, +6.

ОксидыMnO, Mn2O3, MnO2, Mn2O7, Mn3O4 (смешанный оксид)
ГидроксидыMn(OH)2, Mn(OH)3, Mn(OH)4, H2MnO4 (очень неустойчив, практически сразу разлагается), HMnO4

Соединения марганца могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости степени окисления Mn. Если в соединении марганец находится в своей высшей степени окисления, то он будет проявлять окислительные свойства, если в соединении марганец находится в своей низшей степени окисления, то он будет проявлять восстановительные свойства. И окислителем и восстановителем марганец выступает в своих промежуточных степенях окисления.

окислительMn2+
восстановительMn7+
и окислитель и восстановительMn3+, Mn4+, Mn6+

Свойства оксидов и гидроксидов также зависят от степени окисления Mn, с увеличением которой усиливаются кислотные свойства соединений:

MnO    →    Mn2O3      →      MnO2         →    Mn2O7   

основные                 амфотерный          кислотный

 

Mn(OH)2→  Mn(OH)3    →   Mn(OH)4     →    HMnO4

основные                       амфотерный         кислотный

Т.о. оксиды и гидроксиды марганца подчиняются общим закономерностям изменения кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств.

Задача 5. Из оксидов As2O3, P2O5, GeO2, SO3, Al2O3, V2O5 выберите два оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами. Укажите валентные электроны выбранных элементов.

Показать решение »

Решение. Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются, так как растет атомное притяжение. Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.

Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).

В связи с этим, кислотные свойства оксидов увеличиваются в главных подгруппах снизу вверх, в периоде – слева направо. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона делают оксид более кислотным.

Из приведенных оксидов As2O3, P2O5, GeO2, SO3, Al2O3, V2O5 наиболее выражены кислотные свойства у P2O5 и SO3. Строение атомов следующее:

P+15      1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 3d0   валентность 3

P*+15     1s2 2s2 2p6 3s1 3p3 3d1   валентность 5

S+16      1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3d0   валентность 2

S*+16    1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 3d1   валентность 4

S*+16    1s2 2s2 2p6 3s1 3p3 3d2   валентность 6

Задача 6. Из оксидов BaO, K2O, TiO2, CaO, Al2O3, MgO, ZnO выберите два оксида с наиболее выраженными основными свойствами. Укажите валентные электроны выбранных элементов.

Показать решение »

Решение. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат 3 и менее электронов (металлы) имеют оксиды, которые обладают основными свойствами.

Слева направо атомные радиусы элементов уменьшаются, так как растет атомное притяжение. Энергия ионизации увеличивается. Так как элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, чтобы походить на ближайший благородный газ (приобрести устойчивую структуру), поэтому для отрыва электрона не требуется много энергии. Элементы с правой стороны таблицы стремятся приобрести электрон. Следовательно, для отрыва электрона требуется больше энергии.  Электроотрицательность и металичность в главных подгруппах слева направо растет (благородные газы не имеют электроотрицательности).

В связи с этим, основные свойства оксидов увеличиваются в главных подгруппах сверху вниз, в периоде – справа налево. Увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса его иона делают оксид более кислотным.

Из приведенных оксидов BaO, K2O, TiO2, CaO, Al2O3, MgO, ZnO наиболее выражены основные свойства у, K2O и BaO. Строение атомов следующее:

K+19     1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d0

Ba+56   1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2

Задача 7. Приведите современную формулировку периодического закона. Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, помещены соответственно перед калием, хотя имеют бóльшую атомную массу. Как называются пары таких элементов?

Показать решение »

Решение. Периодический закон: Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома, или порядкового номера элемента.

При увеличении порядкового номера (заряда ядра) в атомах элементов последовательно увеличивается общее число электронов, а число электронов на внешнем электронном слое изменяется периодически, что приводит к периодическому изменению свойств химических элементов.

Положение элементов в Периодической таблице не зависит от атомной массы элемента, а зависит от заряда ядра, поэтому Ar+18 помещен перед K+19, Co+27 – перед Ni +28, Te+52 – перед I+53, Th+90 – перед Pa+91 (хотя аргон, кобальт, теллур и торий имеют большую массу, чем калий, никель, йод и протактиний соответственно).

Пары элементов с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым числом нуклонов называют изобарами, например

элемент

Число протоновЧисло нейтронов

Число нуклонов

Ar182240
K192140