Используя периодическую систему объясните какие свойства химических элементов и почему

Используя периодическую систему объясните какие свойства химических элементов и почему thumbnail

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Введение

  • Периодический закон был сформулирован Д.И. Менделеевым в ходе работы над текстом учебника “Основы химии”, когда он столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 года, обдумывая структуру учебника, он постепенно пришел к выводу, что между свойствами и атомными массами элементов существует какая-то закономерность.

  • Первым шагом к появлению Периодического закона стала таблица “Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве”. Позднее Д.И. Менделеев сформулировал сам закон: “Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от их атомного веса”.

  • Положив в основу своего закона сходство элементов и их соединений, Менделеев не стал слепо следовать принципу возрастания атомных масс. Он учитывал, что для некоторых элементов атомные массы могли быть определены недостаточно точно.

Актуальность

  • Периодический закон сыграл огромную роль в развитии химии и других естественных наук.

  • Используя Периодический закон, Д.И. Менделеев стал первым исследователем, сумевшим решить проблемы прогнозирования в химии.

  • Периодический закон является универсальным законом. Он относится к числу таких общих научных закономерностей, которые реально существуют в природе и поэтому в процессе эволюции наших знаний никогда не потеряют своего значения.

Периодичность

Периодичность – это повторяемость свойств химических и некоторых физических свойств у простых веществ и их соединений при изменении порядкового номера элементов. Она связана, в первую очередь, с повторяемостью электронного строения атомов по мере увеличения порядкового номера (а, следовательно, заряда ядра и числа электронов в атоме).

Химическая периодичность проявляется в аналогии химического поведения, однотипности химических реакций. При этом число валентных электронов, характерные степени окисления, формулы соединений могут быть разными. Периодически повторяются не только сходные черты, но и существенные различия химических свойств элементов по мере роста их порядкового номера.

Некоторые физико-химические свойства атомов (потенциал ионизации, атомный радиус), простых и сложных веществ могут быть не только качественно, но и количественно представлены в виде зависимостей от порядкового номера элемента, причем для них периодически проявляются четко выраженные максимумы и минимумы.

Виды периодичности

Общее описание периодичности свойств

По периоду слева направо:

  • заряд ядра атома – увеличивается;

  • радиус атома – уменьшается;

  • количество электронов на внешнем уровне – увеличивается;

  • электроотрицательность – увеличивается;

  • отдача электронов – уменьшается;

  • прием электронов – увеличивается.

По группе сверху вниз:

  • заряд ядра атома – увеличивается;

  • радиус атома – увеличивается;

  • количество электронов на внешнем уровне – неизменяется;

  • электроотрицательность – уменьшается;

  • отдача электронов – увеличивается;

  • прием электронов – уменьшается.

Вертикальная периодичность

Вертикальная периодичность заключается в повторяемости свойств простых веществ и соединений в вертикальных столбцах Периодической системы. Это основной вид периодичности, в соответствии с которым все элементы объединены в группы. Элементы одной группы имеет однотипные электронные конфигурации. Химия элементов и их соединений обычно рассматривается на основе этого вида периодичности.

Вертикальная периодичность обнаруживается и в некоторых физических свойствах атомов, например, в энергиях ионизации Ei (кДж/моль):

IA-группа

IIA-группа

VIIIA-группа

Li 520

Be 900

Ne 2080

Na 490

Mg 740

Ar 1520

K 420

Ca 590

Kr 1350

Энергия ионизации – разновидность энергии связи, представляет собой наименьшую энергию, необходимую для удаления электрона от свободного атома в его низшем энергетическом (основном) состоянии на бесконечность. Энергия ионизации является одной из главных характеристик атома, от которой в значительной степени зависят природа и прочность образуемых атомом химических связей. От энергии ионизации атома существенно зависят также восстановительные свойства соответствующего простого вещества.

Горизонтальная периодичность

Элемент

Li

Be

 

C

 

O

F

Ne

Ei

520

900

801

1086

1402

1314

1680

2080

Ae

−60

−27

−122

+7

−141

−328

Электронная формула (валентные электроны)

2s1

2s2

2s22p1

2s22p2

2s22p3

2s22p4

2s22p5

2s22p6

Число неспаренных электронов

1

1

2

3

2

1

Горизонтальная периодичность заключается в появлении максимальных и минимальных значений свойств простых веществ и соединений в пределах каждого периода. Она особенно заметна для элементов VIIIБ-группы и лантаноидов (например, лантаноиды с четными порядковыми номерами более распространены, чем с нечетными).

В таких физических свойствах, как энергия ионизации и сродство к электрону, также проявляется горизонтальная периодичность, связанная с периодическим изменением числа электронов на последних энергетических подуровнях:

Сродство к электрону – способность некоторых нейтральных атомов, молекул и свободных радикалов присоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы. Мерой этой способности служит положительная энергия. Сродство к электрону, равная разности энергии нейтрального атома (молекулы) в основном состоянии и энергии основного состояния отрицательного иона, образовавшегося после присоединения электрона.

Читайте также:  Какие физические свойства металлов используются в технике

Диагональная периодичность

Диагональная периодичность – повторяемость свойств простых веществ и соединений по диагоналям Периодической системы. Она связана с возрастание неметаллических свойств в периодах слева направо и в группах снизу вверх. Поэтому литий похож на магний, бериллий на алюминий, бор на кремний, углерод на фосфор. Так, литий и магний образуют много алкильных и арильных соединений, которые часто используют в органической химии. Бериллий и алюминий имеют сходные значения окислительно-восстановительных потенциалов. Бор и кремний образуют летучие, весьма реакционноспособные молекулярные гидриды.

Диагональную периодичность не следует понимать как абсолютное сходства атомных, молекулярных, термодинамических и других свойств. Та, в своих соединениях атом лития имеет степень окисления (+I), а атом магния – (+II). Однако свойства ионов Li+ и Mg2+ очень близки, проявляясь, в частности, в малой растворимости карбонатов и ортофосфатов.

В результате объединения вертикальной, горизонтальной и диагональной периодичности появляется так называемая звездная периодичность. Так, свойства германия напоминают свойства окружающих его галлия, кремния, мышьяка и олова. На основании таких “геохимических звезд” можно предсказать присутствие элемента в минералах и рудах.

Вторичная периодичность

Многие свойства элементов в группах изменяются не монотонно, а периодически, особенно для элементов IIIA-VIIA-групп. Такое явление носит название вторичной периодичности. Так, германий по своим свойствам больше похож на углерод, чем на кремний. Известно, что силан реагирует с гидроксид-ионами в водном растворе с выделением водорода, а метан и герман не взаимодействуют даже с избытком гидроксид-ионов.

Подобные аномалии в химическом поведении элементов наблюдаются и в других группах. Так, например, для элементов 4-го периода, находящихся в VA-VIIA-группах, (As, Se, Br) характерна малая устойчивость соединений в высшей степени окисления. В то время как для фосфора и сурьмы известны пентафториды, пентахлориды и пентаиодиды, в случае мышьяка до сих получен только пентафторид. Гексафторид селена менее устойчив, чем соответствующие фториды серы и теллура. В группе галогенов хлор(VII) и иод(VII) образуют устойчивые кислородсодержание анионы, тогда как пербромат-ион, синтезированный лишь в 1968 г., является очень сильным окислителем.

Вторичная периодичность связана, в частности, с относительной инертностью валентных s-электронов за счет так называемого “проникновения к ядру”, поскольку увеличение электронной плотности вблизи ядра при одном и том же главном квантовом числе уменьшается в последовательности ns > np > nd >nf.

Поэтому элементы, которые в Периодической системе стоят непосредственно после элементов со впервые заполненным p-, d– или f-подуровнем, характеризуются понижением устойчивости их соединений в высшей степени окисления. Это натрий и магний (идут после элементов с впервые заполненным р-подуровнем), р-элементы 4-го периода от галлия до криптона (заполнен d-подуровень), а также послелантаноидные элементы от гафния до радона.

Периодическое изменение атомных радиусов

Согласно представлениям квантовой механики, атомы не имеют четких границ, однако вероятность найти электрон, связанный с данным ядром, на определенном расстоянии от этого ядра быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому атому приписывают некоторый радиус, полагая, что в сфере этого радиуса заключена бóльшая часть электронной плотности (более 90%).

Радиусы атомов элементов находятся в периодической зависимости от их порядкового номера.

В периодах по мере увеличения заряда ядра радиусы атомов, в общем, уменьшаются, что связано с усилением притяжения внешних электронов к ядру. Наибольшее уменьшение атомных радиусов наблюдается у элементов малых периодов. В группах элементов радиусы атомов, в общем, увеличиваются, так как растет число электронных слоев. Таким образом, в изменении атомных радиусов элементов просматриваются разные виды периодичности: вертикальная, горизонтальная и диагональная.

Небольшие размеры атомов элементов второго периода приводят к устойчивости кратных связей, образованных при дополнительном перекрывании р-орбиталей, ориентированных перпендикулярно межъядерной оси. Так, диоксид углерода − газообразные мономер, молекула которого содержит две двойные связи, а диоксид кремния − кристаллический полимер со связями Si−O. При комнатной температуре азот существует в виде устойчивых молекул N2, в которых атомы азота соединены прочной тройной связью. Белый фосфор состоит из молекул Р4, а черный фосфор представляет собой полимер.

По-видимому, для элементов третьего периода образование нескольких одинарных связей выгоднее формирования одной кратной связи. Вследствие дополнительного перекрывания р-орбиталей для углерода и азота характерны анионы СО32− и NO3− (форма треугольника), а для кремния и фосфора более устойчивы тетраэдрические анионы SiO44− и PO43−.

Читайте также:  Какими свойствами обладают логарифмы

Значение Периодического закона. Заключение

Периодический закон сыграл огромную роль в развитии химии и других естественных наук. Была открыта взаимная связь между всеми элементами, их физическими и химическими свойствами. Это поставило перед естествознанием научно-философскую проблемы огромной важности: эта взаимная связь должно получить объяснение. После открытия Периодического закона стало ясно, что атомы всех элементов должны быть построены по единому принципу, а их строение должно отображать периодичность свойств элементов. Таким образом, периодический закон стал важным звеном в эволюции атомно-молекулярного учения, оказав значительное влияние на разработку теории строения атома. Он также способствовал формулировке современного понятия “химический элемент” и уточнению представлений о простых и сложных веществах.

Используя Периодический закон, Д.И. Менделеев стал первым исследователем, сумевшим решить проблемы прогнозирования в химии. Это проявилось уже через несколько лет после создания Периодической системы элементов, когда были открыты предсказанные Менделеевым новые химические элементы. Периодический закон помог также уточнить многие особенности химического поведения уже открытых элементов. Успехи атомной физики, включая ядерную энергетику и синтез искусственных элементов, стали возможными лишь благодаря Периодическому закону. В свою очередь, они расширили и углубили сущность закона Менделеева, расширили пределы Периодической системы элементов.

Периодический закон является универсальным законом. Он относится к числу таких общих научных закономерностей, которые реально существуют в природе и поэтому в процессе эволюции наших знаний никогда не потеряют своего значения. Установлено, что периодичности подчиняются не только электронное строение атома, но и тонкая структура атомных ядер, что говорит о периодическом характере свойств в мире элементарных частиц.

Со временем роль Периодического закона не уменьшается. Он стал важнейшей основой неорганической химией. Он используется, например, при синтезе веществ с заранее заданными свойствами, создании новых материалов, подборе эффективных катализаторов.

Неоценимо значение Периодического закона в преподавании общей и неорганической химии. Его открытие было связано с созданием учебника по химии, когда Менделеев пытался предельно четко изложить сведения об известных на тот момент 63 химических элементах. Сейчас число элементов увеличилось почти вдвое (118), и Периодический закон позволяет предсказать сходство и закономерности свойств различных химических элементов с использованием их положения в Периодической системе.

Источник

Комментарии, вопросы по параграфу можно добавить на странице обсуждения.

Химия человека[править | править код]

Биогенные элементы[править | править код]

  • Объясните, какие элементы называют биогенными и почему они расположены в I—IV периодах таблицы Д. И. Менделеева.

Неорганические и органические вещества, участвующие в организации жизни на Земле и построенные 70 химическими элементами, называют биогенными (т. е. рождающими жизнь).

Атомы биогенных элементов занимают первые четыре периода таблицы Д. И. Менделеева и, следовательно, характеризуются небольшими радиусами и сравнительно малой относительной атомной массой. Поэтому они способны давать прочные ковалентные связи, чем и объясняется их биологическая роль.

Виды биогенных элементов по их содержанию в организме[править | править код]

  • Определите, какие биогенные элементы по их содержанию в opгaнизмe человека являются макроэлементами, какие — микроэлементами, какие — ультрамикроэлементами.

Если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует отнести к макроэлементам. На 4 элемента — кислород, углерод, водород и азот — приходится 96% массы тела человека. Кроме этих элементов к макроэлементам относятся фосфор, сера, кальций, калий, натрий.

Других элементов в организме человека содержится значительно меньше — 10-3—10-5%. Их называют микроэлементами (железо, хлор, кремний, алюминий, марганец). Если содержание элемента ниже 10-5%, его считают ультрамикроэлементом (медь, марганец, йод, цинк, фтор, бром). Конечно, такая граница условна, например магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Роль воды в жизнедеятельности организма человека[править | править код]

  • Охарактеризуйте роль воды в жизнедеятельности организма человека.

В организме взрослого человека содержание воды примерно 68%. При старении этот процент уменьшается до 60—65%.

Вода — транспортное средство для циркулирующих в теле клеток крови, она же обеспечивает транспортировку всех веществ в пределах организма. Все жизненные процессы протекают с участием воды, они связаны с её постоянным перераспределением и перемещением. Процессы пищеварения, обмена веществ, кроветворения, синтеза тканей совершаются в водных растворах и с участием воды. Она доставляет в органы человеческого тела химические вещества, участвующие в координации физиологических и биохимических процессов, осуществляемых через жидкие среды организма. Вода играет важную роль и в газообмене, так как растворяет кислород и углекислый газ. Ядовитые шлаки удаляются из нашего организма только в водной среде.

Читайте также:  Каким общим свойством обладают все клетки

Вода приводит в действие ионные насосы, так как свободно проходит через мембраны и обеспечивает перемещение ионов натрия и калия в обоих направлениях по всей длине нервных отростков, что обеспечивает нейропередачу в головном и спинном мозге, а также в нервах. Вода транспортирует в клетку натрий, а калий выводит, за счёт этого и создаётся разность потенциалов в 60 мВ. На клеточных мембранах располагаются сотни тысяч ионных насосов, генерирующих напряжение.

Вода регулирует температуру нашего тела, осуществляя теплопередачу с поверхности кожи, а также путём испарения пота.

Вода участвует в обменных процессах организма, а без обмена веществ и энергии немыслима сама жизнь

Значение минеральных веществ для человеческого организма[править | править код]

  • Проанализируйте значение минеральных веществ для человеческого организма.

Минеральные вещества необходимы для нормальной жизнедеятельности организма, они присутствуют в клетках в виде нерастворимых солей или в форме молекул и ионов содержатся в жидких средах организма.

Основное значение минеральных веществ заключается в поддержании определённых физико-химических условий во внутренней среде организма (в поддержании кислотно-щелочного равновесия, осмотического давления клеточных и внеклеточных жидкостей, водно-солевом обмене, системе свёртывания крови, регуляции многочисленных ферментных реакций), а также в формировании и сохранении структур плотных тканей (скелета).

Симптомы дефицита разных химических элементов в организме человека[править | править код]

  • Перечислите симптомы, появляющиеся у людей с дефицитом разных химических элементов.
Химический элементСимптомы
Ca (Кальций)Замедление роста скелета
Mg (Магний)Мускульные судороги
Fe (Железо)Анемия, нарушение иммунной системы
Zn (Цинк)Повреждение кожи, замедление роста и полового созревания
Cu (Медь)Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия
Mn (Марганец)Бесплодие, ухудшение роста скелета
Mo (Молибден)Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
Co (Кобальт)Злокачественная анемия
Ni (Никель)Депрессии, дерматиты
Cr (Хром)Признаки диабета
Si (Кремний)нарушение роста скелета
F (Фтор)Кариес зубов
I (Йод)Нарушение работы щитовидной железы, замедление метаболизма
Se (Селен)Мускульная (в частности, сердечная) слабость

Гуморальная регуляция[править | править код]

  • Сформулируйте, что такое гуморальная регуляция жизнедеятельности организма человека. Как углекислый газ выступает в роли гуморального фактора?

Гуморальная регуляция (от лат. «гумор» — жидкость)— форма регуляции деятельности организма, присущая всему живому, осуществляется с помощью биологически активных веществ — гормонов (от греч. «гормао» — возбуждаю), которые вырабатываются специальными железами.[1]

Углекислый газ соединяется с гемоглобином крови. Если его концентрация становится высокой, дыхательный центр, находящийся в продолговатом мозге, дает команду усилить вентиляцию легких и наоборот, поэтому углекислый газ выступает в роли гуморального фактора.

Вопросы в начале параграфа[править | править код]

Физические и химические свойства воды[править | править код]

  • Перечислите физические и химические свойства воды.

Физические свойства воды:

  1. при нормальных условиях – это жидкость без цвета, запаха и вкуса;
  2. вода обладает высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью;
  3. температура плавления 0°C;
  4. температура кипения 100°C;
  5. максимальная плотность воды при 4°C равна 1 г/см3;
  6. вода – хороший растворитель.[2]

Химические свойства воды:

  1. Вода – наиболее распространенный растворитель. В растворе воды существует равновесие, поэтому воду называют амфолитом: .
  2. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:
  3. При комнатной температуре вода растворяет активные металлы с образованием щелочей, при этом также происходит выделение водорода:
  4. Вода способна взаимодействовать с фтором и межгалоидными соединениями, причем во втором случае реакция протекает при пониженных температурах: и
  5. Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой, подвергаются гидролизу при растворении в воде:
  6. Вода способна растворять некоторые вещества металлы и неметаллы при нагревании: и
  7. Вода, в присутствии серной кислоты, вступает в реакции взаимодействия (гидратации) с непредельными углеводородами – алкенами с образованием предельных одноатомных спиртов: [3]

Реакции гидролиза[править | править код]

  • Объясните, какие реакции называют реакциями гидролиза.

Реакция гидролиза – это специфическая реакция обменного разложения между водой и растворяемым в ней веществом с образованием новых соединений. Рассматриваемая реакция может происходить при взаимодействии как с органическими, так и неорганическими веществами. Ее результат напрямую зависит от того, с чем контактировала вода, а также использовались ли при этом дополнительные вещества-катализаторы, изменялись ли температура и давление.[4]

Ответы на другие параграфы учебника[править | править код]

Используемые источники[править | править код]

Источник