ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 2. ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА І БУДОВА АТОМІВ

§ 2.12 Розв"язання типових задач

Періодичний закон Д. І. Менделєєва, ізотопи

Задача 1. В якій групі і якому періоді періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва перебуває елемент з порядковим номером 42?

Розв’язання. Розміщення елементів у періодичній системі відповідно до будови їх атомів таке: у першому періоді— 2, у другому — 8, у третьому — 8. Третій період закінчується елементом з порядковим номером 18 (2 + 8 + 8 = 18). У четвертому періоді 18 елементів, тобто він закінчується елементом з порядковим номером 36. У п’ятому періоді також 18 елементів, тому елемент з порядковим номером 42 потрапляє в п’ятий період. Він займає шосте місце, отже, перебуває в шостій групі. Цей елемент — молібден (Мо).

Задача 2. Який з елементів — натрій чи цезій — має більш виражені металічні властивості?

Розв’язання. Будову електронних оболонок атомів натрію і цезію можна зобразити так:

11Na 1s²2s²2p⁶3s¹, або скорочено [Ne] 3s¹;

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

Як бачимо, в обох атомів на зовнішньому енергетичному рівні перебуває по одному електрону. Однак у атома цезію зовнішній електрон розміщений далі від ядра (на шостому енергетичному рівні, а в натрію — на третьому) і, отже, легше відривається. Оскільки металічні властивості зумовлені здатністю віддавати електрони, вони сильніше виражені у цезію.

Задача 3. Які сполуки з гідрогеном утворюють елементи головної підгрупи VI групи? Назвіть найменш і найбільш міцні з них.

Розв'язання. Елементи головної підгрупи VI групи — р-елементи. В них на зовнішньому енергетичному рівні по 6 електронів: ns² np⁴. Отже, у сполуках з гідрогеном вони ви являють ступінь окиснення -2. Формули сполук: Н₂О, H₂S, H₂Se, Н₂Те, Н₂Рo.

Зі збільшенням порядкового номера елемента (від оксигену до полонію) зростає радіус атома, що зумовлює зменшення міцності сполук з гідрогеном (від Н₂О до Н₂Рo). Отже, із зазначених сполук найміцнішою є вода Н₂О, найслабкішою — Н₂Ро.

Задача 4. Виходячи з місця в періодичній системі, опишіть хімічні властивості елемента з порядковим номером 23.

Розв’язання. За періодичною системою визначаємо, що елемент з порядковим номером 23 перебуває в IV періоді і в побічній підгрупі (V) групи. Цей елемент — ванадій V. Електронна формула ванадію:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d³ 4s² , або скорочено [Аr] Зd³ 4s².

За електронною формулою доходимо висновку, що ванадій — d -елемент.

Елемент може легко віддавати 2 електрони з 4s -підрівня, виявляючи ступінь окиснення +2. При цьому він утворює оксид VO і гідроксид V(OH)₂, що виявляють основні властивості. Газуватих водневих сполук ванадій не утворює, оскільки розміщений у побічній підгрупі.

Атом ванадію може також віддавати електрон з передостаннього d -підрівня (3 електрони) і, отже, виявляє вищий ступінь окиснення +5 (чисельно дорівнює номеру групи, в якій перебуває елемент). Оксид, що відповідає вищому ступеню окиснення, V₂O₅. Цей оксид виявляє кислотні властивості. Йому відповідає як гідроксид нестійка метаванадатна кислота HVO₃ (солі її — ванадати — стійкі сполуки).

Задача 5. Елемент астат (ізотоп²¹¹₈₅ At) був одержаний опромінюванням ізотопу бісмуту²⁰⁹₈₃Ві a -частинками (ядрами атома гелію). Напишіть рівняння ядерної реакції у повній і скороченій формах.

Розв’язання. Під час складання рівнянь ядерних реакцій необхідно враховувати закон збереження маси речовин (маса ми електронів нехтуємо). Крім того, заряди всіх частинок у лівій і правій частинах мають бути рівними. У лівій частині записуємо ядра, що взаємодіють, у правій — продукти реакції. Враховуючи порядкові номери і відносні маси атомів, записуємо схему реакції:

²⁰⁹₈₃Ві +⁴₂ a —>²¹¹₈₅ At + х.

Очевидно, частинка х повинна мати заряд 0 (оскільки 83+2=85) і атомну масу 209+4—211=2. Частинка із зарядом

0 — це нейтрон In, отже, має утворитися 2 нейтрони. Остаточний вид рівняння:

²⁰⁹₈₃Вi +⁴₂ a —>²¹¹₈₂ At+2¹₀ n.

або в скороченій формі:

²⁰⁹ Вi (а, 2n)²¹¹ At.

Будова електронних оболонок атомів

Задача 1. Напишіть електронну формулу елемента, атом якого містить на Зd -підрівні один електрон. В яких періоді, групі і підгрупі він перебуває і як цей елемент називається?

Розв’язання. Відповідно до шкали енергії (див. § 2.7 і рис. 2.3) 3d-підрівень заповнюється після заповнення підрівня 4s² :

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹,

або

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² (див. с. 50, виноска).

Загальне число електронів у атомі, яке визначає порядковий номер елемента в періодичній системі, — 21. Це — скандій. З електронної формули випливає, що цей елемент перебуває в IV періоді, третій групі (три валентних електрони 3d¹ 4s²), побічній підгрупі (елемент вродини).

Задача 2. Складіть електронну формулу і скорочену електронну формулу елемента з порядковим номером 20. Зазначте розподіл електронів за квантовими комірками (орбіталями).

Розв’язання. За порядковим номером елемента доходимо висновку: в атомі 20 електронів. Зазначений елемент — кальцій. Електронна формула відповідно до принципу найменшої енергії (див. § 2.7) має вигляд:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2) = 20.

Компактніше написання електронної формули — її називають скороченою електронною формулою — має вигляд: [Аr] 4s₂.

У ній та частина, яка відповідає заповненим енергетичним рівням благородного газу, позначається його символом (у квадратних дужках), а поряд зображується решта електронів.

Електронній формулі атома кальцію відповідає такий розподіл електронів за орбіталями: