Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.12 Решения типовых задач

Периодический закон Д. И. Менделеева, изотопы

Задача 1. В какой группе и в каком периоде периодической системы элементов Д. И. Менделеева находится элемент с порядковым номером 42?

Решения. Размещение элементов в периодической системе согласно строения их атомов следующее: в первом периоде - 2, во втором - 8, в третьем - 8. Третий период заканчивается элементом с порядковым номером 18 (2 + 8 + 8 = 18). В четвертом периоде 18 элементов, то есть он заканчивается элементом с порядковым номером 36. В пятом периоде также 18 элементов, поэтому элемент с порядковым номером 42 попадает в пятый период. Он занимает шестое место, следовательно, находится в шестой группе. Этот элемент - молибден (Мо).

Задача 2. Какой из элементов - натрий или цезий - имеет более выраженные металлические свойства?

Решения. Строение электронных оболочек атомов натрия и цезия можно изобразить так:

11Na 1s²2s²2p⁶3s¹, или сокращенно [Ne] 3s¹;

₅₅Cs 1s²2s²2p²3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶3d¹⁰5s²5p⁶6s1, или [Xe] 6s¹.

Как видим, в обоих атомов на внешнем энергетическом уровне находится по одному электрону. Однако у атома цезия внешний электрон находится дальше от ядра (на шестом энергетическом уровне, а натрия - на третьем) и, следовательно, легче отрывается. Поскольку металлические свойства обусловлены способностью отдавать электроны, они сильнее выражены у цезия.

Задача 3. Какие соединения с гідрогеном образуют элементы главной подгруппы VI группы? Назовите наименее и наиболее прочные из них.

Решения. Элементы главной подгруппы VI группы - р-элементы. В них на внешнем энергетическом уровне по 6 электронов: ns²np⁴. Следовательно, в соединениях с гідрогеном они вы представляют степень окисления-2. Формулы соединений: Н₂О, H₂S, H₂Se, Н₂То, Н₂Гo.

С увеличением порядкового номера элемента (от кислорода к полонию) возрастает радиус атома, что обусловливает уменьшение прочности соединений с гідрогеном (от Н₂О к Н₂Рo). Следовательно, из указанных соединений самой прочной является вода Н₂О, самой слабой - Н₂Ро.

Задача 4. Исходя из места в периодической системе, опишите химические свойства элемента с порядковым номером 23.

Решения. По периодической системе определяем, что элемент с порядковым номером 23 находится в IV периоде и в побочной подгруппе (V) группы. Этот элемент - ванадий V. Электронная формула ванадия:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s², или сокращенно [r] d³4s².

По электронной формуле доходим выводу, что ванадий - d-элемент.

Элемент может легко отдавать электроны 2 с 4s-подуровня, проявляя степень окисления +2. При этом он образует оксид VO и гидроксид V(OH)₂, выявляющие основные свойства. Газированных водородных соединений ванадий не образует, поскольку размещен в побочной подгруппе.

Атом ванадия может также отдавать электрон с предпоследнего d-подуровня (3 электрона) и, следовательно, проявляет высшую степень окисления +5 (численно равна номера группы, в которой находится элемент). Оксид, что соответствует высшей степени окисления, V₂O₅. Этот оксид проявляет кислотные свойства. Ему соответствует как гидроксид неустойчивая метаванадатна кислота HVO₃ (соли ее - ванадата - устойчивы соединения).

Задача 5. Элемент астату (изотоп ²¹¹₈₅At) был получен облучением изотопа бісмуту ²⁰⁹₈₃Ви a-частицами (ядрами атома гелия). Напишите уравнение ядерной реакции в полной и сокращенной формах.

Решения. Во время составления уравнений ядерных реакций необходимо учитывать закон сохранения массы веществ (масса электронов мы пренебрегаем). Кроме того, заряды всех частиц в левой и правой частях должны быть равны. В левой части записываем ядра, взаимодействуют, в правой - продукты реакции. Учитывая порядковые номера и относительные массы атомов, записываем схему реакции:

²⁰⁹₈₃Ви + ⁴₂a -> ²¹¹₈₅At + х.

Очевидно, частица х должна иметь заряд 0 (так как 83+2=85) и атомную массу 209+4-211=2. Частица с зарядом

0 - это нейтрон In, следовательно, должно образоваться 2 нейтроны. Окончательный вид уравнения:

²⁰⁹₈₃Вi + ⁴₂a -> ²¹¹₈₂At+2¹₀n.

или в сокращенной форме:

²⁰⁹Вi (а, 2n) ²¹¹ At.

Строение электронных оболочек атомов

Задача 1. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит наd-подуровне один электрон. В каких периоде, группе и подгруппе он находится и как этот элемент называется?

Решения. Согласно шкалы энергии (см. § 2.7 и рис. 2.3) 3d-подуровень заполняется после заполнения подуровня 4s²:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹,

или

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² (см. стр. 50, сноска).

Общее число электронов в атоме, которое определяет порядковый номер элемента в периодической системе, - 21. Это - скандий. Из электронной формулы следует, что этот элемент находится в IV периоде, третьей группе (три валентных электрона 3d¹4s²), побочной подгруппе (элемент вродины).

Задача 2. Составьте электронную формулу и сокращенную электронную формулу элемента с порядковым номером 20. Укажите распределение электронов по квантовыми ячейками (орбіталями).

Решения. За порядковым номером элемента приходим к выводу: в атоме 20 электронов. Указанный элемент - кальций. Электронная формула соответствии с принципом наименьшей энергии (см. § 2.7) имеет вид:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2) = 20.

Компактнее написания электронной формулы - ее называют сокращенной электронной формуле - имеет вид: [r] 4s₂.

В ней та часть, которая соответствует заполненным энергетическим уровням благородного газа, сказывается его символом (в квадратных скобках), а рядом изображается остальные электронов.

Электронной формуле атома кальция соответствует такое распределение электронов по орбіталями: