3. Периодическая система химических элементов

В 1869 году Д.И. Менделеев открыл периодический закон, современная формулировка которого следующая:свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.Выражением закона является периодическая система Д.И. Менделеева. Электронное строение элементов изменяется периодически, поэтому свойства элементов также изменяются периодически, а именно: размеры атомов, энергия ионизации,сродство к электрону, электроотрицательность, окислительно-восстановительные, кислотно-основные и другие.

Примеры решения задач

Пример 1. Какой элемент 4 периода – марганец или бром проявляет металлические свойства?

Решение. Полные электронные формулы элементов:

₂₅Mn – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d⁵4s²

₃₅Br – 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁶ 3d¹⁰ 4s²4p⁵

Марганец является d-элементом VIIB подгруппы, а бром – p-элемент VIIA подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а, следовательно, способны терять электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают в основном сродством к электрону, а, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют элементарные отрицательные ионы.

Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома более свойственна окислительная функция. Общей закономерностью для всех групп, относящихся к d-электронному семейству, является преобладание металлических свойств. Следовательно, металлические свойства проявляет марганец.

Пример 2. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления образующих из атомов? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?

Решение. Если элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства их изменяются от основных к амфотерным и кислотным. Например: оксиды и гидроксиды хрома, марганца, ванадия и др. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э-О и О-Н может протекать по двум направлениям:

основному - ЭОН  Э⁺ + ОН^- или

кислотному - ЭОН  ЭО ^- + Н⁺

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей и эффективными зарядами атомов. Приводим пример диссоциации амфотерных гидроксидов (амфолитов):

Э(ОН)_n  Эⁿ⁺ + nОН^-; Н_nЭО_n  nН⁺ + ЭО_n^n-

основной тип кислотный тип

диссоциации диссоциации

В кислой среде амфолит проявляет основной, а в щелочной среде – кислотный характер.

Рассмотрим амфотерные свойства оксидов и гидроксидов хрома.

Приводим сокращенную электронную формулу атомов хрома: ₂₄Cr - … 3d⁵4s¹.

Хром образует оксиды: Cr⁺²O, Cr₂⁺³O₃, Cr⁺⁶O₃, которым соответствуют следующие гидроксиды:

Cr⁺² (OH)₂, Cr⁺³ (OH)₃, H₂Cr⁺⁶ O₄ и H₂Cr⁺⁶₂ O₇.

Для CrO и Cr(OH)₂ характерны основные свойства, для Сr₂O₃ и Cr(OH)₃ –

амфотерные свойства, для CrO₃, H₂CrO₄ и H₂Cr₂O₇ – кислотные свойства.

Приводим амфотерные свойства тригидроксида хрома:

Cr(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Cr(OH)₆]; Cr(OH)₃ + 3OH^- = [Cr(OH)₆]^3-.

В данной реакции Cr(OH)₃ проявляет кислотные свойства.

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂О, Cr(OH)₃ + 3H⁺ = Cr³⁺ + 3H₂O.

В данной реакции Cr(OH)₃ проявляет основные свойства.

Пример 3. Опишите химические свойства элемента с порядковым номером 14 по его положению в периодической системе.

Решение. Элемент с порядковым номером 14 находится в III периоде, IV группе. Это кремний. Электронная формула:

₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²,

сокращенная электронная формула 3s²3p². Это р-элемент. Атом кремния может отдать 2ē с р-подуровня, проявляя степень окисления +2 (образует SiO), а также 2ē с S-подуровня, при этом кремний проявляет степень окисления +4 и образует кислотный оксид SiO₂, которому соответствует кремниевая кислота H₂SiO₃. Кроме того, кремний образует газообразное водородное соединение SiH₄, где проявляет степень окисления –4, так как большинство элементов р-электронного семейства, в том числе кремний, обладают сродством к электронам, то есть присоединяют электроны до образования устойчивой 8-электронной структуры.

Пример 4. Рассчитайте число протонов и нейтронов в ядре атома технеция (изотоп с атомной массой 99).

Решение. Относительная атомная масса равна сумме масс протонов Z и нейтронов N. Число протонов в ядре Z определяет положительный заряд ядра, который численно равен порядковому номеру, то есть 43.

A = Z + N

Отсюда: Z = 43 протона, a N = 99 – 43 = 56 нейтронов.