Периодическая система элементов

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Пример 1. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение.

Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.М. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns²np⁶).

Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA – группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²p³, s²p⁴ и s²p⁵.

Элемент	Степень окисления	Соединения
высшая	низшая
As	+5	-3	H3AsO4, H3As
Se	+6	-2	SeO3, Na2Se
Br	+7	-1	KBrO4, KBr

Пример 2. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства?

Решение.

Электронные формулы данных элементов

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²;

₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵.

Марганец – d-элемент VIIB-группы, а бром – p-элемент VIIA-группы.

На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих p- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома.

Пример 3. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления атомов элементов, их образующих? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?

Решение.

Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства последних меняются от основных к амфотерным и кислотным. 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 типам:

ЭОН Э⁺ + ОН^- (I) или ЭОН ЭО^- + Н⁺ (II).

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами атомов. Диссоциация по кислотному типу (II) протекает, если EO-H < EЭ-О (высокая степень окисления), а по основному типу, если EO-H > EЭ-О (низкая степень окисления). Если прочности связей О – Н и Э – О близки или равны, диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по (I), и по (II) типам. В этом случае речь идет об амфотерных электролитах (амфолитах):

Эⁿ⁺ + nOH^- Э(OH)_n = HnЭOn nH⁺ + ЭОn^n–
как основание как кислота

Э – элемент, n- его положительная степень окисления. В кислой среде амфолит проявляет основной характер, а в щелочной среде – кислый характер:

Ga(OH)₃ + 3HCl = GaCl₃ + 3H₂O;
Ga(OH)₃ + 3NaOH = Na₃GaO₃ + 3H₂O.

Контрольные задания

61. Исходя из положения германия, цезия и технеция в периодической системе составьте формулы следующих соединений: мета- и ортогерманиевой кислот, дигидрофосфата цезия и оксида технеция, отвечающего его высшей степени окисления. Изобразите графически формулы этих соединений.

62. Атомы, каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂O₅? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам, и изобразите их графически.

63. Укажите, как в приведенном ряду элементов О – S – Se – Te изменяется способность принимать электроны, если известны величины электроотрицательности атомов этих элементов.

64. Как изменяются свойства элементов второго периода периодической системы с увеличением заряда ядра атома элемента? Ответ подтвердите характером формирования электронных оболочек атомов элементов.

65. Укажите, какое из сравниваемых двух соединений является более сильным основанием: а) NaOH или CsOH; б) Ca(OH)₂ или Ba(OH)₂; в) Zn(OH)₂ или Cd(OH)₂.

66. Элемент в периодической системе имеет порядковый номер 25. Какие оксиды образует этот элемент? Какие свойства проявляют оксиды этого элемента? Образует ли этот элемент газообразное соединение с водородом?

67. Какое строение электронных слоев у элементов подгруппы хрома при степени их окисления +3? Как изменяются основные свойства гидроксидов этих металлов по подгруппе сверху вниз?

68. Запишите электронные формулы атомов элементов № 24 и № 34. Почему они расположены в одном периоде (каком?) и в одной группе (какой?)?

69. Атомы какого из элементов VII-А подгруппы в большей степени проявляют восстановительные свойства по отношению к фтору?

70. Напишите электронные формулы ионов Se^2- и Se⁶⁺. Почему для селена характерны как окислительные, так и восстановительные свойства?

71. Какой из атомов – хлор или йод – является окислителем при образовании молекулы IСl из атомов? У какого из этих атомов сильнее выражена способность притягивать к себе электроны?

72. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий расположены в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

73. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s- и p-элемен-тов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

74. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность p-элементов в периоде; в группе периодической системы с увеличением порядкового номера?

75. Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе составьте формулы следующих соединений: водородного соединения германия, рениевой кислоты и оксида молибдена, отвечающего его высшей степени окисления. Изобразите графически формулы этих соединений.

76. Что такое средство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

77. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?

78. Какой из элементов четвертого периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте исходя из строения атомов данных элементов.

79. Какие элементы образуют газообразные соединения с водородом? В каких группах периодической системы находятся эти элементы? Составьте формулы водородных и кислородных соединений хлора, теллура и сурьмы, отвечающих их низшей и высшей степени окисления.

80. У какого элемента четвертого периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

81. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

82. У какого из p-элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

83. Исходя из положения металла в периодической системе дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более сильное основание: Mg(OH)₂ или Ba(OH)₂; Са(ОН)₂ или Fe(OH)₂; Cd(OH)₂ или Sr(OH)₂?

84. Почему марганец проявляет металлические свойства, а хлор – неметаллические? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов. Напишите формулы оксидов и гидроксидов хлора и марганца.

85. Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

86. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

87. К какому семейству относятся элементы, в атомах которых последний электрон поступает на 4f- и на 5f-орбитали? Сколько элементов включает каждое из этих семейств? Как отражается на свойствах этих элементов электронное строение их атомов?

88. Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?

89. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

90. Какую высшую степень окисления могут проявлять германий, ванадий, марганец и ксенон? Почему? Составьте формулы оксидов данных элементов, отвечающих этой степени окисления.