Тема 14. «Химия и периодическая система элементов Д.И.Менделеева»

14.1 Содержание программы Периодический закон Д.И. Менделеева и его трактовка на основании современной теории строения атома.Структура периодической системы элементов: периоды, группы, семейства.Периодический характер изменения свойств атомов: атомного радиуса, энергии ионизации, сродства к электрону, относительной электроотрицательности, степени окисления.Периодический характер изменения свойств веществ.Значение периодического закона для химии. Уровень теоретической и практической подготовки Студент должен знать современную формулировку периодического закона и его физический смысл, структуру периодической системы. Студент должен уметь объяснятьпериодичность изменения характеристик атома (радиуса, потенциала ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности, металлических свойств и т.д.) по группам и периодам с современных позиций строения атома.

14.2 Методические рекомендации к теме

Современная формулировка периодического закона звучит так: Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений, на­ходятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер или порядкового номера элемента в периодической системе. Периодичность изменения свойств элементов связана с периодическим повторением строения внешних (валентных) энергетических уровней атомов. Периодичность свойств атомов элементов можно проиллюстрировать на следующих их характеристиках: 1) Размеры атомов. Вследствие волновой природы электрона атом не имеет строго определенных границ. Радиусы атомов являются условными величинами. Их обычно вычисляют из межатомных расстояний, которые зависят не только от природы атомов, но также и от вида химической связи между ними. Зависимость атомных радиусов (r) от заряда ядра (Z) имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атомов. Это объясняется увеличением притяжения электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания заряда ядра. В подгруппах сверху вниз атомные радиусы возрастают, т.к. увеличивается число электронных слоев. 2) Энергия ионизации. В химических реакциях ядра атомов не подвергаются изменению, электронная же оболочка перестраивается, причем атомы способны превращаться в положительно и отрицательно заряженные ионы. Эта способность может быть количественно оценена энергией ионизации атома и его сродством к электрону. Энергией ионизации (потенциалом ионизации) I называется количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома с образованием катиона: X – ē → X⁺. Энергия ионизации измеряется в кДж/моль или в электронвольтах1 эВ = 1,602^.10^-19 Дж или 96,485 кДж/моль. (эВ). Отрыв второго электрона происходит труднее, чем первого, т.к. второй электрон отрывается не от нейтрального атома, а от положительного иона: X⁺ – ē → X²⁺. Поэтому второй потенциал ионизации I ₂ больше, чем первый (I ₂> I ₁). Очевидно, что удаление каждого следующего электрона будет требовать больших энергетических затрат, чем удаление предыдущего. Для характеристики свойств элементов обычно принимают во внимание энергию отрыва первого электрона. В группах потенциал ионизации уменьшается с увеличением атомного номера элемента. Это связано с большей удаленностью валентных электронов от ядра и, следовательно, с их более легким отрывом по мере увеличения количества электронных слоев. Величина потенциала ионизации может служить мерой “металличности” элемента: чем меньше потенциал ионизации, тем легче удалить электрон из атома, тем сильнее выражены металлические свойства. В периодах слева направо заряд ядра возрастает, а радиус атома уменьшается. Поэтому потенциал ионизации постепенно увеличивается, а металлические свойства ослабевают. 3) Сродство к электрону. Поле ядра атома, удерживающее электроны, притягивает также и свободный электрон, если он окажется вблизи атома. Правда, этот электрон испытывает отталкивание со стороны электронов атома. Для многих атомов энергия притяжения дополнительного электрона к ядру превышает энергию его отталкивания от электронных оболочек. Эти атомы могут присоединять электрон, образуя устойчивый однозарядный анион. Энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому: X + ē → X ^- называют сродством к электрону (A). При присоединении двух и более электронов к атому отталкивание преобладает над притяжением – сродство атома к двум и более электронам всегда отрицательно. Поэтому одноатомные многозарядные отрицательные ионы (O^2–, S^2–, N^3– и т.п.) в свободном состоянии существовать не могут. Сродство к электрону известно не для всех атомов. Максимальным сродством к электрону обладают атомы галогенов. В группах сверху вниз сродство к электрону уменьшается, а в периоде слева направо увеличивается. 4)Электроотрицательность. Эта величина характеризует способность атома в молекуле притягивать к себе связующие электроны. Электроотрицательность не следует путать со сродством к электрону: первое понятие относится к атому в составе молекулы, а второе – к изолированному атому. Абсолютная электроотрицательность (кДж/моль или эВ1 электронвольт = 1,602^.10^-19 Дж или 96,485 кДж/моль.) равна сумме энергии ионизации и сродства к электрону: АЭО = I + A. На практике часто применяется величина относительной электроотрицательности, равная отношению АЭО данного элемента к АЭО лития (535 кДж/моль). Электроотрицательность уменьшается сверху вниз по группе и увеличивается слева направо по периоду. Наибольшее значение электроотрицательности имеет фтор, наименьшее – цезий. 5) Окислительно-восстановительные свойства нейтральных атомов. Эти свойства определяются значениями энергии ионизации и сродства к электрону. Восстановительные свойства проявляет атом, отдающий электрон, а окислительные – атом, принимающий электрон. В периоде слева направо восстановительные свойства ослабевают, т.к. потенциал ионизации возрастает. В подгруппах сверху вниз восстановительные свойства нейтральных атомов усиливаются, поскольку потенциал ионизации в этом направлении уменьшается. Окислительные свойства, напротив, усиливаются слева направо в периоде и ослабевают сверху вниз в подгруппе, что связано с тенденциями в изменении сродства к электрону. 6) Кислотно-основные свойства соединений. Свойства оксидов и гидроксидов элементов зависят главным образом от заряда и радиуса центрального атома. С ростом положительного заряда (точнее, степени окисления) центрального атома кислотный характер этих соединений становится более выраженным:

Na^+	Mg^2+	Al^3+	Si^4+	P^5+	S^6+	Cl^7+
Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	SO3	Cl2O7
NaOH	Mg(OH)2	Al(OH)3	H2SiO3	H3PO4	H2SO4	HClO4
основные	амфотерный	слабо- кислотный	средне- кислотный	сильно кислотные

Сверху вниз в подгруппе при одинаковости заряда (степени окисления) центрального атома с увеличением его радиуса кислотные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают, а основные – усиливаются:

B^3+	H3BO3	слабая кислота
Al^3+ Ga^3+ In^3+	Al(OH)3 Ga(OH)3 In(OH)3	амфотерные гидроксиды
Tl^3+	Tl(OH)3	более выражены основные свойства

14.3 Семинар №4 « Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева»

Цель: показать смысл периодичности свойств элементов и ее причины. Рассмотреть структуру периодической системы элементов, зависимость химических свойств элементов от строения их атомов. Вопросы для обсуждения и задания: 1. Приведите современную формулировку периодического закона Д.И. Менделеева. В чем состоит причина периодичности свойств? 2. Дайте определение периода. Какие бывают периоды? 3. Что общего у элементов одной группы (подгруппы) периоди­ческой системы Д.И. Менделеева? 4. Каким образом меняется в зависимости от заряда ядра атома
первая энергия ионизации: а) у атомов элементов одного периода; б)
у атомов элементов одной группы. 5. Что такое сродство к электрону? Как оно изменяется в пределах одного периода и одной группы? 6. Что такое электроотрицательность. Каким образом меняется в зависимости от заряда ядра атома электроотрицательность: а) атомов элементов одного периода; б) ато­мов элементов одной группы. 7. Каким образом изменяются окислительно-восстановительные свойства элементов в пределах одного периода и одной группы? 8. Какие электронные семейства элементов вы знаете? Какие элементы к ним относятся? 9. Какие элементы называют макроэлементами, и какие микро­элементами в питании растений? 10. Составьте формулы высших оксидов и гидроксидов элементов 3 периода. Проанализируйте изменение кислотно-основных свойств этих соединений слева направо. Докажите это, составив уравнения реакций взаимодействия данных гидроксидов с соляной кислотой и гидроксидом калия. 11. Составьте электронную формулу атома элемента 4 периода IVA группы. Охарактеризуйте свойства данного элемента, укажите возможные степени окисления, формулы водородного соединения, оксидов и гидроксидов. Укажите их характер. 12. Составьте молекулярные и графические формулы высших оксидов и гидроксидов макроэлементов. Укажите их характер.

14.4 Тесты для самопроверки Тест 1 1. Величина, характеризующая окислительно-восстановительные свойства нейтрального атома, называется.…. (Введите ответ) □□□□□□□□□□□□□□□ 2. Первые два элемента в каждом периоде, последний электрон у которых идет на внешний энер­гетический уровень s-подуровня, называются.…. (Введите ответ) □□□□□□□□□□□□□□□ 3. Энергия, которая выделяется или поглощается при присоединении электрона к невозбужденно­му атому, называется.…. (Введите ответ) □□□□□□□□□□□□□□□ 4. Положение верное для элемента с порядковым номером 32 и атомной массой 72,6 г/моль 1) атомы элемента имеют 10 электронов на подуровне с n = 4 и l = 2 2) ядро атома содержит 32 протона и 32 нейтрона 3) этот элемент относится к d-семейству 4) гидроксид этого элемента относится к основаниям 5. Способность принимать электроны атомом элемента увеличивается в ряду элементов с порядковыми номерами 1) 16, 20 2) 6, 11 3) 12, 17 4) 9, 10 6. Какой из элементов IV-oгo периода обладает наиболее выра­женными металлическими свойствами: 1) калий 2) цинк 3) кальций 4) германий 7. В каком ряду указаны символы элементов s, p и d-семейств: 1) Н, Не, Li 2) Н, Ва, А1 3) Be, С, F 4) Mg, P, Сu 8. Какие свойства атомов элементов уменьшаются при движении слева направо по периоду: 1) радиус атома 2) металлические 3) число энергетических уровней в атоме 4) неметаллические 9. Элемент с сокращенной электронной конфигурацией основного состояния атома...3d¹ 4s²: 1) металл 2) находится в третьем периоде 3) находится в III группе побочной подгруппы 4) расположен в III группе главной подгруппе 10. Чем различаются между собой атомы расположенных в одном и том же периоде элементов Са и Sc? 1) числом энергетических уровней 2) радиусом 3) числом валентных электронов 4) формулой высшего оксида

Тест 2 1. Электрон обладает свойствами, которые называются.…. (Введите ответ) □□□□□□□□□□□□□□□ 2. Последние шесть элементов в каждом периоде, последний электрон у которых идет на р -подуровень внешнего энергетического уровня, называются.…. (Введите ответ) □□□□□□□□□□□□□□□ 3. Невозможно одновременно определить и скорость (или импульс), и положение микрочастицы (ее координаты) - это принцип.…. (Введите ответ) □□□□□□□□□□□□□□□ 4. Положение верное для элемента с порядковым номером 15 и атомной массой 30,97 г/моль 1) атом элемента имеет 5 электронов на подуровне с n = 3 и l = 2 2) этот элемент относится к неметаллам 3) энергия ионизацииэтого элемента большеэнергии ионизации натрия 4) гидроксид этого элемента относится к основаниям 5. Способность атомов принимать электроны увеличивается в ряду.….
1) Br, S, Te 2) Cl, Br, I 3) C, Si, Pb 4) N, O, F 6. У какого из элементов VI группы неметаллические свойства выражены наиболее сильно 1)хрома 2) теллура 3) кислорода 4)серы 7. Какие утверждения справедливы для последовательности элементов Si - Р – Сl 1)слева направо радиус атома возрастает 2) справа налево неметаллические свойства уменьшаются 3) число энергетических уровней в атоме остается постоянным 4) число электронов на внешнем энергетическом уровне
возрастает 8. В одном периоде находятся элементы: 1)со схожими химическими свойствами 2) с одинаковым радиусом атомов 3) с одинаковым числом энергетических уровней 4) с одинаковым числом валентных электронов 9. В побочных подгруппах расположены элементы: 1) только металлы 2) только элементы d- и f-семейств 3) только элементы s- и р-семейств 4) только четных рядов больших периодов 10. Что одинаково для атомов, расположенных в одной и той же группе элементов S и Сr: 1) радиус 2) число энергетических уровней 3) высшая валентность 4) формула высшего оксида