На этом уроке вы узнаете о Периодическом законе Менделеева, который описывает изменение свойств простых тел, а также формы и свойства соединений элементов в зависимости от величины их атомных масс. Рассмотрите, как по положению в Периодической системе можно описать химический элемент.
Тема: Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Урок: Описание элемента по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева
В 1869 году Д.И.Менделеев на основе данных накопленных о химических элементах сформулировал свой периодический закон. Тогда он звучал так: « Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов». Очень долго физический смысл закона Д.И.Менделеева был непонятен. Всё встало на свои места после открытия в XX веке строения атома.
Современная формулировка периодического закона: « Свойства простых веществ, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома».
Заряд ядра атома равен числу протонов в ядре. Число протонов уравновешивается числом электронов в атоме. Таким образом, атом электронейтрален.
Заряд ядра атома в Периодической таблице - это порядковый номер элемента.
Номер периода показывает число энергетических уровней, на которых вращаются электроны.
Номер группы показывает число валентных электронов. Для элементов главных подгрупп число валентных электронов равно числу электронов на внешнем энергетическом уровне. Именно валентные электроны отвечают за образование химических связей элемента.
Химические элементы 8 группы - инертные газы имеют на внешней электронной оболочке 8 электронов. Такая электронная оболочка энергетически выгодна. Все атомы стремятся заполнить свою внешнюю электронную оболочку до 8 электронов.
Какие же характеристики атома меняются в Периодической системе периодически?
Повторяется строение внешнего электронного уровня.
Периодически меняется радиус атома. В группе радиус увеличивается с увеличением номера периода, так как увеличивается число энергетических уровней. В периоде слева направо будет происходить рост атомного ядра, но притяжение к ядру будет больше и поэтому радиус атома уменьшается .
Каждый атом стремится завершить последний энергетический уровень У элементов 1 группы на последнем слое 1 электрон. Поэтому им легче его отдать. А элементам 7 группы легче притянуть 1 недостающий до октета электрон. В группе способность отдавать электроны будет увеличиваться сверху вниз, так ка увеличивается радиус атома и притяжение к ядру меньше. В периоде слева направо способность отдавать электроны уменьшается, потому что уменьшается радиус атома.
Чем легче элемент отдает электроны с внешнего уровня, тем большими металлическими свойствами он обладает, а его оксиды и гидроксиды обладают большими основными свойствами. Значит, металлические свойства в группах увеличиваются сверху вниз, а в периодах справа налево. С неметаллическими свойствами все наоборот.
Рис. 1. Положение магния в таблице
В группе магний соседствует с бериллием и кальцием. Рис.1. Магний стоит ниже, чем бериллий, но выше кальция в группе. У магния больше металлические свойства, чем у бериллия, но меньше чем у кальция. Основные свойства его оксидов и гидроксидов изменяются также. В периоде натрий стоит левее, а алюминий правее магния. Натрий будет проявлять больше металлические свойства, чем магний, а магний больше, чес алюминий. Таким образом, можно сравнить любой элемент с соседями его по группе и периоду.
Кислотные и неметаллические свойства изменяются противоположно основным и металлическим свойствам.
Характеристика хлора по его положению в периодической системе Д.И.Менделеева.
Рис. 4. Положение хлора в таблице
. Значение порядкового номера 17 показывает число протонов17 и электронов17 в атоме. Рис.4. Атомная масса 35 поможет вычислить число нейтронов (35-17 = 18). Хлор находится в третьем периоде, значит число энергетических уровней в атоме равно 3. Стоит в 7 -А группе, относится к р- элементам. Это неметалл. Сравниваем хлор с его соседями по группе и по периоду. Неметаллические свойства хлора больше чем у серы, но меньше, чем у аргона. Хлор об-ла-да-ет мень-ши-ми неме-тал-ли-че-ски-ми свой-ства-ми, чем фтор и боль-ши-ми чем бром. Распределим электроны по энергетическим уровням и напишем электронную формулу. Общее распределение электронов будет иметь такой вид. См.Рис. 5
|
|
Рис. 5. Распределение электронов атома хлора по энергетическим уровням
Определяем высшую и низшую степень окисления хлора. Высшая степень окисления равна +7, так как он может отдать с последнего электронного слоя 7 электронов. Низшая степень окисления равна -1, потому что хлору до завершения необходим 1 электрон. Формула высшего оксида Cl 2 O 7 (кислотный оксид), водородного соединения HCl.
В процессе отдачи или присоединения электронов атом приобретает условный заряд
. Этот условный заряд называется .
- Простые
вещества обладают степенью окисления равной нулю.
Элементы могут проявлять максимальную степень окисления и минимальную . Максимальную степень окисления элемент проявляет тогда, когда отдает все свои валентные электроны с внешнего электронного уровня. Если число валентных электронов равно номеру группы, то и максимальная степень окисления равна номеру группы.
Рис. 2. Положение мышьяка в таблице
Минимальную степень окисления элемент будет проявлять тогда, когда он примет все возможные электроны для завершения электронного слоя.
Рассмотрим на примере элемента №33 значения степеней окисления.
Это мышьяк As.Он находится в пятой главной подгруппе.Рис.2. На последнем электронном уровне у него пять электронов. Значит, отдавая их, он будет иметь степень окисления +5. До завершения электронного слоя атому As не хватает 3 электрона. Притягивая их, он будет иметь степень окисления -3.
Положение элементов металлов и неметаллов в Периодической системе Д.И. Менделеева.
Рис. 3. Положение металлов и неметаллов в таблице
В побочных подгруппах находятся все металлы . Если мысленно провести диагональ от бора к астату , то выше этой диагонали в главных подгруппах будут все неметаллы , а ниже этой диагонали - все металлы . Рис.3.
1. №№ 1-4 (с.125) Рудзитис Г.Е. Неорганическая и органическая химия. 8 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. М.: Просвещение. 2011 г.176с.:ил.
2. Какие характеристики атома изменяются периодичности?
3. Дайте характеристику химического элемента кислорода по его положению в Периодической системе Д.И.Менделеева.
Тема: Характеристика химического элемента по его положению в периодической системе химических элементов.
Цели урока:
Научить составлять план общей характеристики элемента по его положению в периодической системе химических элементов; закрепить умение характеризовать элемент, его свойства и свойства его соединений по положению в периодической системе;
Развивать умение самостоятельно добывать и использовать необходимую информацию, умение делать выводы на основании полученной информации;
Формирование умения работать самостоятельно и в группе.
Тип урока: комбинированный.
Форма урока: индивидуальная, групповая.
Методы урока: прием развития критического мышления «древо знаний», самостоятельное выполнение заданий в группах, защита постеров, обучение через диалог учителя и учащихся.
Оборудование: ПСХЭ, раздаточный материал (яблочки, смайлики, оценочные листы, тест на самооценку для рефлексии,ватманы и фломастеры), интерактивная доска, презентация.
Ход урока
1.Организационный момент (3 мин). Приветствие.
Делим класс на 4 группы с помощью химических элементов. Учащиеся, вытянувшие карточки с одним и тем же элементом образуют одну группу. Элементы: натрий, алюминий, фосфор, хлор. Выбор спикеров, которые распределяют работу внутри группы и ведут оценочный лист.
Группам раздаются оценочные листы. Разъяснения по оценочному листу.
2. Проверка домашнего задания (11 мин). Учитель: Ребята, какую тему вы изучали на прошлом уроке? (ПЗ и ПСХЭ) Сегодня для проверки ваших знаний по этой теме я предлагаю вам следующее задание. Используем прием «Древо знаний». Учащиеся работают индивидуально. На интерактивной доске рисунок дерева с яблоками трех цветов: красные, желтые, зеленые. За каждым яблоком вопрос. Учащимся предлагается проанализировать свою работу при изучении предыдущей темы и, взвесив свои возможности, «собрать урожай», учитывая, что
«красные яблоки уже созрели» – они висят высоко, сорвать их тяжело - вопросы на них самые трудные,
«желтые яблоки» – висят ниже, сорвать легче – вопросы тоже легче,
«зеленые яблоки» – висят совсем низко, поэтому и вопросы самые простые.
Учащиеся по очереди выбирают яблоки и соответствующие вопросы. Ребята отвечают на вопросы устно, а учитель получает хороший материал для диагностики не только в освоении темы, но и уровня самооценки учащихся. Бумажные яблоки разных цветов раздаются детям за правильные ответы.
Вопросы для карточек зелёного цвета.
Кем и когда был открыт периодический закон? (Д.И.Менделеев. 1869 год)
Формулировка периодического закона, данная Д.И.Менделеевым. (Свойства элементов, а также состав и свойства образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от их атомных масс)
Современная формулировка периодического закона. (Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атом этих элементов)
Что представляет собой период? (Период- это ряд химических элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс. Период начинается щелочным металлом и заканчивается инертным элементом)
Что такое периодическая система химических элементов? (Периодическая система химических элементов – это графическое изображение периодического закона и естественной классификации химических элементов)
Каким образом подразделяют периоды? Почему? (Малые периоды: 1-3 периоды содержат 2-8 химических элементов, большие периоды: 4-7 периоды содержат 18-32 химических элемента)
Что представляет собой группа? Сколько групп? (Группа – это вертикальные ряды, в которых располагаются элементы, принадлежащие к одному семейству с одинаковым количество внешних электронов и соответственно проявляющие одинаковые свойства. 8 групп.)
Какие элементы образуют главные подгруппы? (Элементы малых и больших периодов)
Какие элементы образуют побочные подгруппы? (Переходные элементы больших периодов)
Элементы каких групп образуют летучие соединения с водородом? (Элементы главных подгрупп IV-VII групп)
Вопросы для карточек жёлтого цвета.
Какие свойства химических элементов Д.И.Менделеев положил в основу их классификации? (Атомную массу, валентность химических элементов и свойства образуемых ими соединений)
Какой элемент из предложенных проявляет наиболее ярко выраженные неметаллические свойства: кислород, сера, селен, теллур? Объясните почему? (Кислород. В главных подгруппах сверху вниз неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются)
Как изменяются свойства химических элементов в периодах? (Слева направо металлические свойства ослабевают, неметаллические свойства усиливаются)
Какой элемент из предложенных проявляет наиболее ярко выраженные металлические свойства: магний, кальций, стронций, барий? Объясните почему? (Барий. В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают)
У какого из предложенных элементов наиболее ярко выраженные неметаллические: магний, кремний, сера, хлор? Объясните почему? (Хлор. В периодах слева направо неметаллические свойства усиливаются)
У какого элемента из предложенных наиболее ярко выраженные металлические свойства: натрий, магний, алюминий, кремний? Объясните почему? (Натрий. В периодах слева направо металлические свойства ослабевают)
Вопросы для карточек красного цвета.
В чем основная причина изменения свойств элементов в периоде? (В постепенном увеличении числа протонов в ядре и числа электронов на внешнем энергетическом уровне)
В чем причина усиления металлических свойств элементов в главных подгруппах сверху вниз? (С возрастанием заряда ядер увеличивается число энергетических уровней, внешние валентные электроны отдаляются от ядра, связь с ядром ослабевает и соответственно усиливаются металлические свойства)
Почему изменилась современная формулировка периодического закона? (В связи с открытием строения атома. Главной характеристикой химического элемента является не его атомная масса, а заряд ядра его атома. Именно заряд ядра атома определяет количество электронов, а количество электронов в атоме и их распределение по уровням определяет свойства химических элементов и их соединений)
За каждый правильный ответ учащиеся получают соответствующего цвета яблоки. Зеленые яблоки- 1 балл, жёлтые-2 балла, красные- 3 балла.
Количество баллов учащихся на оценочных листах отмечают спикеры от каждой группы.
Оценочный лист
Группа _____________ Спикер _______________________
Количество яблок
Количест
во смай
ликов
Баллы по количеству яблок:
Зеленые-1 балл
Желтые-2 балла
Красные-3 балла
Баллы по количеству смайликов:
1 балл за каждый смайлик
Вс е го баллов
Оценка за урок
Зеленых-
Желтых- Красных-
Зеленых-
Желтых- Красных-
Зеленых-
Желтых- Красных-
Зеленых-
Желтых- Красных-
Зеленых-
Желтых- Красных-
Зеленых-
Желтых- Красных-
Перевод баллов в оценки:
1-4 балла – оценка «3»
5-8 баллов – оценка «4»
9 баллов и больше – оценка «5»
Спикеру необходимо ознакомить учащихся с их оценками внутри группы.
3. Изучение новой темы (6 мин).
Учитель: Ребята, вы изучили такие темы как «Состав и строение атома», «Периодический закон и периодическая система химических элементов». Сегодня на уроке мы с вами научимся давать характеристику химическому элементу по его положению в периодической системе химических элементов. Запишите тему урока в тетрадях «Характеристика химического элемента по его положению в периодической системе химических элементов». Главной характеристикой атома является его строение, т.е. такие характеристики как заряд ядра, распределение электронов по уровням, валентность. Скажите можем ли мы эти сведения получить из периодической системы химических элементов.
Давай вспомним и заполним таблицу, показывающую взаимосвязь главных характеристик Периодической системы со строением атома элемента.
Таблицу учащиеся чертят и заполняют в тетрадях.
Главные характеристики элементов и их взаимосвязь со строением атомов.
Вопросы, задаваемые в ходе заполнения таблицы:1. Что является главной характеристикой химического элемента в периодической системе химических элементов? (порядковый номер)
2. Что можно определить в строении атома по порядковому номеру химического элемента? (положительный заряд ядра, число протонов и общее число электронов)
3. Какие еще характеристики Периодической системы мы знаем? (номер периода, номер группы)
4. Что можно определить по номеру периода в котором находится химический элемент? (число электронных слоев в атоме этого элемента)
5. Что можно определить по номеру группы в котором находится химический элемент? (Число электронов внешнего электронного слоя (для элементов главных подгрупп), высшая валентность в кислородных соединениях)
За правильные ответы учащимся раздаются смайлики.
План характеристики химических элементов на основе теории строения атома и положения его в периодической системе.
2. Положение элемента в периодической системе химических элементов:Порядковый номер
Относительная атомная масса, А r
Период
Группа, подгруппа.
№12 элемент
А r ( Mg )=24
3-ий период
ІІ группа, главная подгруппа
3. Состав и строение атома элемента:
Состав атома
Распределение электронов по уровням
Электронная формула атома
Графическая электронная формула
24 _
12 Mg(12 р , 12n), 12 е
12 Mg)2)8)2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 0 3d 0
1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 0
| 4. Свойства простого вещества, образованного данным элементом: Металл или неметалл, или же проявляет амфотерные свойства Высшая валентность | Mg - металл Валентность постоянная - ІІ |
| 5. Формула высшего оксида и летучего водородного соединения | Mg О - оксид магния, |
В ходе рассмотрения плана характеристики химического элемента учащимся задаются уточняющие и дополняющие вопросы, за ответы на которые учащимся раздаются смайлики:
1. Как определяют количество нейтронов в атоме? (находим по разности между относительной атомной массы и порядковым номером: N = А r - Z )
2. Как определяем максимальное количество электронов которое может разместиться на уровне? (по формуле N =2 n 2 )
3. Сколько электронов максимально может разместиться на первом, втором, третьем, четвертом уровнях? (на первом-2 электрона, на втором-8 электронов, на третьем-18 электронов, на четвертом-32 электрона)
4. Какие подуровни имеются на каждом уровне? (на первом уровне – s -подуровень, на втором- s и p -подуровни, на третьем – s , p и d -подуровни, на четвертом- s , p , d и f -подуровни)
5. Сколько электронов может разместиться на каждом из подуровней? (на s -подуровне 2 электрона, на p -подуровне 6 электронов, на d -подуровне 10 электронов и на f -подуровне 14 электронов)
6. Как можно определить по количеству внешних электронов свойства элементов? (1-3 электрона- металл, 4-8 электрона - неметалл)
7. Чему равна высшая валентность химического элемента в оксидах? (высшую валентность можно определить по номеру группы для элементов главных подгрупп)
4. Закрепление (18 мин). Учитель: Далее каждая группа выполняет следующие задания (на интерактивной доске). Оценивание этого задания осуществляет спикер. Спикер будет решать кому дать смайлик по следующим критериям: участие учащегося в выполнении задания на ватмане и выступление перед классом.
1 задание. Учащиеся каждой группы на ватманах дают характеристику тому элементу по которому они поделились на группы в начале урока: натрий, алюминий, фосфор, хлор.
Ответы учащихся:
Na, натрийAl, алюминий
P, фосфор
Cl, хлор
№11 элемент
А r ( Na )=23
3-ий период
І группа, главная подгруппа
№13 элемент
А r ( Al )=27
3-ий период
І І І группа, главная подгруппа
№15 элемент
А r ( P )=31
3-ий период
V группа, главная подгруппа
№17 элемент
А r ( Cl )=35,5
3-ий период
V ІІ группа, главная подгруппа
23 _
11 Na (11 р , 12n), 11 е
11 Na)2)8)1
1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 0 3d 0
1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 0
27 _
13 Al (13 р , 14n), 13 е
13 Al)2)8)3
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0
1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
31 _
15 P (15 р , 16n), 15 е
15 P)2)8)5
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 3d 0
1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
35 _
17 Cl (17 р , 18n), 17 е
17 Cl)2)8)7
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 3d 0
1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 0
| Na - металл Валентность постоянная - І | Al - амфотерный элемент Валентность постоянная - ІІІ | P -неметалл V | Cl -неметалл Валентность переменная, высшая валентность - VII |
| Na 2 О - оксид натрия, летучее водородное соединение не образует | Al 2 O 3 - оксид алюминия, летучее водородное соединение не образует | P 2 O 5 - оксид фосфора ( V ), PH 3 | Cl 2 O 7 - оксид хлора ( VII ) летучее водородное соединение - HCl |
Учащиеся защищают свои постеры. Работу учащихся в группах оцениваем совместно со спикерами. Учитель: Спикер, кому из учащихся твоей группы за выполнение этого задания ты хотел бы дать смайлики? Раздаются смайлики членам групп.
Спикеры групп считают количество баллов по количеству яблок и смайликов.
Если останется время можно выполнить следующее задание.
Задание 2. (если останется время на его выполнение)
Задача для группы Na .
Назвать элемент по таким данным: находится в III группе, относительная молекулярная масса высшего оксида 102.
а) Алюминий; б)Скандий; в)Галлий.
Дано: Решение:
R2O3
Mr(R2O3)=102
Mr(R2O3)=102, Ar(O)=16
2x+16*3=102
2x=102-48
2x=54
x=27
R-?
Данная Аг соответствует элементу Al.
Ответ: Алюминий.
Задача для группы Al .
Назвать элемент по таким данным: находится во VI группе, относительная молекулярная масса высшего оксида 80.
а) Сера; б) Селен; в) Теллур
Дано: Решение:
RО3
Mr(RО3)
Mr(R О 3)=80, Ar(O)=16
R-?
x+16*3=80,
x=80-48=32
Данная Аг соответствует элементу S.
Ответ: Сера
Задача для группы P .
Назвать элемент по таким данным: находится в IV группе, относительная молекулярная масса высшего оксида 60.
а) Олово; б) Кремний; в) Углерод
RO2
Mr(RO2)=60
Mr(RO2)=60, Ar(O)=16
x+32=60
x=60-32=28
R-?
Дано: Решение:
Данная Аг соответствует элементу Si.
Ответ: Кремний
Задача для группы Cl .
Назвать элемент по таким данным: находится в V группе, относительная молекулярная масса высшего оксида 108.
а) Азот; б)Фосфор; в)Мышьяк.
Дано: Решение:
R2O5
Mr(R2O5)=108
Mr(R2O5)=102, Ar(O)=16
2x+16*5=108
2x=108-80
2x=28
x=214
R-?
Данная Аг соответствует элементу N.
Ответ: Азот
Домашнее задание (1 мин) §59, дать характеристику двум элементам: металлу и неметаллу по плану.
Оценивание (2 мин) Спикеры на оценочных листах проставляют баллы и оценки, знакомят членов группы с их оценками за урок.
Рефлексия (3 мин)
По результатам своей работы на уроке, вам необходимо установить степень достижения учебной цели и приобретение уверенности в своих знаниях.
Предлагаю проанализировать то, чему вы научились на уроке. Выполните тест.
Ф.И. учащегося___________________________________
Тест (для самоанализа полученных знаний и приобретенных умений)
а) план характеристики элемента по положению в периодический системеб) логическая последовательность характеристики элемента по положению в периодической системе
2) Я умею определять для элемента:
а) число элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов) в атоме
б) число энергетических уровней
в) электронную формулу
г) число электронов на внешнем уровне у атома
д) валентность элемента
е) высшую степень окисления элемента
ж) металлом или неметаллом является описываемый элемент
з) формулу высшего оксида и водородного соединения
3) Я умею сравнивать свойства элемента со свойствами соседних по периодической системе элементов
Подведение итогов.
Все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов. Так какова же характеристика химического элемента, и чем он отличается от простого вещества?
Химический элемент: история открытия
В различные исторические эпохи в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы в качестве таких «элементов» рассматривали 4 «стихии» – тепло, холод, сухость и влажность. Сочетаясь попарно они образовывали четыре «начала» всего на свете – огонь, воздух, воду и землю.
В XVII веке Р. Бойль указал на то, что все элементы носят материальный характер и их число может быть достаточно велико.
В 1787 году французский химик А. Лавуазье создал «Таблицу простых тел». В нее вошли все известные к тому времени элементы. Под последними понимались простые тела, которые не удавалось разложить химическими методами на еще более простые. Впоследствии выяснилось, что в таблицу вошли и некоторые сложные вещества.
К моменту, когда Д. И. Менделеев открыл периодический закон, было известно всего 63 химических элементов. Открытие ученого не только привело к упорядоченной классификации химических элементов, а также помогло предсказать существование новых, еще не открытых элементов.
Рис. 1. А. Лавуазье.
Что такое химический элемент?
Химическим элементом называют определенный вид атомов. В настоящее время известно 118 химических элементов. Каждый элемент обозначают символом, который представляет одну или две буквы из его латинского названия. Например, элемент водород обозначают латинской буквой H и формулой H 2 – первой буквой латинского названия элемента Hydrogenium. Все достаточно хорошо изученные элементы имеют символы и названия, которые можно найти в главных и побочных подгруппах Периодической системы, где все они расположены в определенном порядке.
Cуществует много видов систем, но общепринятой является Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, которая является графическим выражением Периодического закона Д. И. Менделеева. Обычно используют короткую и длинную формы Периодической системы.
Рис. 2. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.
Что же является главным признаком, по которому атом относят к определенному элементу? Д. И. Менделеев и другие ученые-химики XIX века считали главным признаком атома массу как наиболее стабильную его характеристику, поэтому элементы в Периодической системе расположены в порядке возрастания атомной массы (за немногим исключением).
По современным представлениям, главным свойством атома, относящим его к определенному элементу, является заряд ядра. Таким образом, химический элемент – это вид атомов, характеризующихся определенным значением (величиной) части химического элемента – положительного заряда ядра.
Из всех существующих 118 химических элементов большую часть (около 90) можно обнаружить в природе. Остальные же получены искусственно с помощью ядерных реакций. Элементы 104-107 были синтезированы учеными-физиками в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.
Все элементы делятся на металлы и неметаллы. Более 80 элементов относятся к металлам. Однако это деление условное. При определенных условиях некоторые металлы могут проявлять неметаллические свойства, а некоторые неметаллы – металлические свойства.
Содержание различных элементов в природных объектах колеблется в широких пределах. 8 химических элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний) составляют 99% земной коры по массе, все остальные – менее 1%. Большинство химических элементов имеют природное происхождение (95), хотя некоторые из них изначально были выведены искусственно (например, прометий).
Следует различать понятия «простое вещество» и «химический элемент». Простое вещество характеризуется определенными химическими и физическими свойствами. В процессе химического превращения простое вещество утрачивает часть своих свойств и входит в новое вещество в виде элемента. Например, азот и водород, входящие в состав аммиака, содержатся в нем не в виде простых веществ, а в виде элементов.
Некоторые элементы объединяются в группы, такие как органогены (углерод, кислород, водород, азот), щелочные металлы (литий, натрий, калий и т.д.), лантаноиды (лантан, церий и т.д.), галогены (фтор, хлор, бром и т.д.), инертные элементы (гелий, неон, аргон)
Характеристика химического элемента.
План характеристики химического элемента по его положению в периодической системе.
Положение элемента в периодической системе. Период, группа, подгруппа. Порядковый номер, заряд ядра, количество протонов, количество электронов, количество нейтронов. Электронное строение атома. Возможные валентные состояния атома. Металл, неметалл, амфотерный металл. Высший оксид элемента, его характер. Гидроксид элемента, его характер. Пример формул солей. Водородные соединения.
Характеристика химического элемента-металла на основании его положения в периодической системе.
Рассмотрим характеристику химического элемента-металла по его положению в периодической системе на примере лития.
Литий Ї это элемент 2 периода главной подгруппы I группы периодической системы, элемент IA или подгруппы щелочных металлов. Строение атома лития можно отразить так: 3Li Ї 2з, 1з. Атомы лития будут проявлять сильные восстановительные свойства: легко отдадут свой единственный внешний электрон и получат в результате степень окисления (с. о.) +1. Эти свойства атомов лития будут слабее выражены, чем у атомов натрия, что связано с увеличением радиусов атомов: Rат (Li) < Rат (Na). Восстановительные свойства атомов лития выражены сильнее, чем у бериллия, что связано и с числом внешних электронов, и с расстоянием от ядра до внешнего уровня. Литий Ї простое вещество, представляет собой металл, а, следовательно, имеет металлическую кристаллическую решетку и металлическую химическую связь. Заряд иона лития: не Li+1 (так указывают с. о.), а Li+. Общие физические свойства металлов, вытекающие из их кристаллического строения: электро - и теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск и т. д. Литий образует оксид с формулой Li2O Ї это солеобразующий, основной оксид. Это соединение образовано за счет ионной химической связи Li2+O2-, взаимодействуют с водой, образуя щелочь. Гидроксид лития имеет формулу LiOH. Это основание Ї щелочь. Химические свойства: взаимодействие с кислотами, кислотными оксидами и солями. В подгруппе щелочных металлов отсутствует общая формула "Летучие соединения". Эти металлы не образуют летучих водородных соединений. Соединения металлов с водородом Ї бинарные соединения ионного типа с формулой M+H.
Генетический ряд металла
Признаки генетического ряда металла:
Один и тот же химический элемент-металл; разные формы существования этого химического элемента: простое вещество и соединения Ї оксиды, основания, соли; взаимопревращения веществ разных классов.
В итоге можно записать генетический ряд лития:
Характеристика химического элемента-неметалла на основании его положения в периодической системе.
Рассмотрим характеристику химического элемента-неметалла по его положению в периодической системе на примере фосфора.
Фосфор Ї это элемент 3 периода, главной подгруппы V группы периодической системы, или VA группы. Строение атома фосфора можно отразить с помощью такой записи: 15Р 2з, 8з, 5з. Отсюда следует, что атомы фосфора, а также простые вещества, образованные этим элементом, могут проявлять как окислительные свойства, получая в результате с. о. –3 (такие соединения будут иметь общее название "фосфиды"), так и восстановительные свойства (с фтором, кислородом и другими более электроотрицательными элементами), получая при этом с. о., равную +3 и +5. Например, формулы хлоридов фосфора (III) РСl3. Фосфор более сильный окислитель, чем кремний, но менее сильный, чем сера, и, наоборот, Ї как восстановитель. Фосфор более сильный восстановитель, чем , но менее сильный, чем мышьяк, и, наоборот, по отношению к окислительным свойствам. Фосфор образует несколько простых веществ, т. е. этот элемент обладает свойством аллотропии. Фосфор образует высший оксид с формулой P2O5. Характер этого оксида Ї кислотный и, соответственно, химические свойства: взаимодействие со щелочами, основными оксидами и водой. Фосфор образует еще один оксид P2O3. Высший гидроксид фосфора Н3РО4 является типичной кислотой. Их общие химические свойства: взаимодействия с металлами, основными оксидами, основаниями и солями. Фосфор образует летучее водородное соединение фосфин РНз.
Генетический ряд неметалла
Признаки генетического ряда неметалла:
один и тот же химический элемент-неметалл;
разные формы существования этого элемента: простые вещества (аллотропия) и соединения: оксиды, основания, соли, водородные соединения;
взаимопревращения веществ разных классов.
По итогам этого обобщения можно записать генетический ряд фосфора:
P→Mg3P2→PH3→P2O5→H3PO4→Na3PO4
Характеристика переходного элемента на основании его положения в периодической системе. Амфотерность. Понятие об амфотерности и переходных металлах.
Гидроксиды некоторых химических элементов будут проявлять двойственные свойства – и основные, и кислотные Ї в зависимости от сореагента. Такие гидроксиды называют амфотерными, а элементы Ї переходными. Аналогичный характер имеют их оксиды.
Например, у цинка: Zn(OH)2 = H2ZnO2, и, соответственно, записывается соль состава Na2ZnO2.
Записывать формулы комплексов мешает отсутствие знаний о них и сложность формул, а формулу метаалюминия NaAlO2 сознание того, что соль с такой формулой образуется только при сплавлении твердых щелочей и оксида или гидроксида . Предлагаем записывать просто: Al(OН)3 = H3AlO3 и, соответственно, формулу ортоалюмината Na3AlO3.
Характеристика алюминия по его положению в периодической системе
Алюминий Ї это элемент 3 периода, главной подгруппы III группы или IIIA группы. Строение атома алюминия можно отразить с помощью такой записи: 13Al 2e, 8e, 3e. Отсюда следует, что атомы алюминия, так же как и алюминий Ї простое вещество, проявляют сильные восстановительные свойства, получая в результате с. о. +3. Восстановительную способность и металлические свойства в сравнении с соседями по периоду и групп можно отразить с помощью записей:
Металлические и восстановительные свойства уменьшаются
Неметаллические и окислительные свойства усиливаются
Алюминий Ї простое вещество, это металл. Следовательно, для него характерны металлическая кристаллическая решетка (и соответствующие физические свойства) и металлическая химическая связь, схему образования которой можно записать так: Al0 (атом) Ї 3з ↔ Al3+ (ион). Ион Ї заряженная частица, образующаяся при отдаче или принятии электронов атомом или группой атомов. Оксид алюминия Al2O3 Ї это солеобразующий амфотерный оксид. Соответственно, взаимодействует с кислотами и кислотными оксидами, со щелочами и основными оксидами, но не с водой. Гидроксид алюминия Al(OH)3 = H3AlO3 Ї это нерастворимый амфотерный гидроксид. Соответственно, он разлагается при нагревании, взаимодействует с кислотами и со щелочами.
Генетический ряд алюминия
Al→Al2O3→Al(OH)3→AlСl3
У атомов металлов на внешнем электронном уровне малое количество электронов, поэтому для них характерно проявление восстановительных свойств. Генетический ряд металла: металл → основный оксид → основание → соль. У атомов неметаллов на внешнем электронном уровне большее количество электронов, чем у атомов-металлов, поэтому в большинстве соединений и превращений они проявляют окислительные свойства. Генетический ряд неметалла: неметалл → кислотный оксид → кислота → соль. Гидроксиды некоторых химических элементов будут проявлять двойственные свойства Ї и основные, и кислотные Ї в зависимости от сореагента. Такие гидроксиды называют амфотерными, а элементы Ї переходными. Аналогичный характер имеют их оксиды. Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.
Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа .
Атом углерода имеет 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р х, а другой, либо 2р у , либо 2р z -орбитали.
Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.
Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р-р- и одна s-s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .
При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.
Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит
В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp 2 -гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества .
Химические свойства углерода
Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.
При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.
Углерод как восстановитель:
— с кислородом
C 0 + O 2 – t° = CO 2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O угарный газ
— со фтором
С + 2F 2 = CF 4
— с водяным паром
C 0 + H 2 O – 1200° = С +2 O + H 2 водяной газ
— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
— с кислотами – окислителями:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = С +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (конц.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
— с серой образует сероуглерод:
С + 2S 2 = СS 2 .
Углерод как окислитель:
— с некоторыми металлами образует карбиды
4Al + 3C 0 = Al 4 C 3
Ca + 2C 0 = CaC 2 -4
— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)
C 0 + 2H 2 = CH 4
— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):
Нахождение углерода в природе
Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО 3 , доломита – MgCO 3 *CaCO 3 ; гидрокарбонатов – Mg(НCO 3) 2 и Са(НCO 3) 2 , СО 2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.
Неорганические соединения углерода
Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.
Оксид углерода (II) СО
Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.
Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2
2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H 2 O + CO
H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O
Химические свойства
При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.
1) с кислородом
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) с оксидами металлов
C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2
3) с хлором (на свету)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)
4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)
CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)
5) с переходными металлами образует карбонилы
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
Оксид углерода (IV) СO
2
Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.
Получение
- Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2
Химические
свойства
СO
2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
NaOH + CO 2 = NaHCO 3
При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства
С +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
Качественная реакция
Помутнение известковой воды:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯(белый осадок) + H 2 O
Оно исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Сa(HCO 3) 2
Угольная кислота и её соли
H 2 CO 3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Двухосновная:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO 3 — ↔ H + + CO 3 2- Cредние соли — карбонаты
Характерны все свойства кислот.
Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3
Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:
Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
Карбиды
Карбид кальция:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .
Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:
2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2 .
Be 2 C и Al 4 C 3 разлагаются водой с образованием метана:
Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4 .
В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W 2 C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).
Цианиды
получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:
C= O: [:C= N:] –
Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:
2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.
При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды
:
KCN + S = KSCN.
При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2 . Растворы цианидов окисляются до цианатов :
2 KCN + O 2 = 2 KOCN.
Циановая кислота существует в двух формах:
H-N=C=O; H-O-C= N:
В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 при упаривании водного раствора.
Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».
Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота
H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC) 2) используются в ударных воспламенителях.
Синтез мочевины (карбамида):
CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.
Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.
Карбонаты
Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H 2 CO 3 – слабая кислота (К 1 =1,3·10 -4 ; К 2 =5·10 -11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — .
При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .
При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (тв.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na 2 CO 3) используется в производстве стекла.
