Розділ 2. Періодичний закон і періодична система хімічних елементів. Будова атома

§ 7. Історичні відомості про спроби класифікації хімічних елементів. Поняття про лужні та інертні елементи й галогени

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

на чому базувалися перші спроби класифікації хімічних елементів;
які елементи входять до груп лужних елементів, інертних газів та галогенів.

До середини XIX ст. було відкрито вже понад 60 хімічних елементів і досліджено фізичні й хімічні властивості більшості з них. Деякі з відкритих елементів ще не вдалося на той час виділити в чистому вигляді.

Відкриття нових елементів, дослідження їхніх властивостей, а також властивостей їхніх сполук, з одного боку, дали можливість накопичити досить значний фактичний матеріал, а з другого — виявили необхідність його систематизації.

Іншими словами, потрібно було знайти взаємозв’язок між хімічними елементами та їхніми сполуками з точки зору як якісного, так і кількісного складу.

Першу спробу систематизації або, як її тепер називають, класифікації елементів зробив А. Лавуазье. Пізніше Й. Я. Берцеліус узяв за основу їхні загальні групові властивості. Так, було виявлено, що найчіткіше основні властивості виявляють сполуки, утворені лужними елементами, а спроможність до виявлення кислотних властивостей — у сполуках хімічних елементів, названих галогенами. Таким чином виник розподіл елементів на металічні і неметалічні, який базувався на основі їхніх якісних характеристик — хімічних і фізичних властивостей.

Серед металічних елементів Калій, наприклад, за своїми властивостями подібний до Натрію. Прості речовини, які утворені цими елементами, — метали. Вони мають металевий блиск, дуже м’які (їх можна різати навіть ножем), пластичні, тобто легко деформуються.

Ці метали добре проводять електричний струм і теплоту, легко плавляться. Порівняно з іншими металами вони вирізняються високою хімічною активністю. Так, якщо розрізати шматок натрію, то на зрізі ми побачимо яскравий металевий блиск. Але миттєво поверхня металу тьмяніє: утворюються продукти реакції окиснення в результаті взаємодії натрію з киснем повітря. Через це натрій зберігають під шаром гасу. Ці метали енергійно реагують і з іншими неметалами — хлором, сіркою, а також з водою та кислотами (часто з вибухом).

Сполуки Калію та Натрію також належать до одного класу, мають аналогічний склад і подібні властивості. Елементи Калій і Натрій у сполуках виявляють валентність І. Їхні оксиди К₂О і Na₂O виявляють сильні основні властивості. Під час взаємодії з водою вони утворюють луги — калій гідроксид КОН і натрій гідроксид NaOH. Літій Li, Рубідій Rb і Цезій Cs за своїми властивостями подібні до Натрію та Калію. Ці металічні елементи назвали лужними (згодом до цієї групи включили Францій Fr).

Серед неметалічних також є групи елементів, подібних за властивостями: Флуор F, Хлор Сl, Бром Вr, Йод І. Прості речовини, утворені цими елементами, є типовими неметалами. За звичайних умов фтор F₂ і хлор Сl₂ перебувають у газуватому стані, бром Вr₂ — у рідкому, йод I₂ — у кристалічному, що легко переходить у газуватий стан. Вони взаємодіють із металами з утворенням солей. Наприклад, хлор унаслідок взаємодії з металами утворює солі хлоридної кислоти НСl — хлориди:

У реакціях фтору з металами утворюються солі фторидної (плавикової) кислоти HF:

Подібно до хлору й фтору реагують бром і йод з утворенням солей: NaBr, NaI, MgBr₂, MgI₂ тощо.

Ці елементи та утворені ними прості речовини називають галогенами (у перекладі з грецької «ті, що народжують солі»). Молекули галогенів складаються з двох атомів. Галогенам притаманна найбільша хімічна активність з-поміж неметалів. Вони легко взаємодіють як із металами, так і з лугами, але не реагують із кислотами. Винятком із цього правила є йод, який спроможний окиснюватися нітратною кислотою.

У сполуках з металічними елементами галогени виявляють валентність І, а в сполуках з Оксигеном (їх отримують непрямим шляхом) — змінну валентність від І до VII (крім Флуору). Оксид, у якому хімічний елемент виявляє найвищу валентність, називають вищим. Наприклад, вищий оксид Хлору має склад Сl₂О₇.

Сполуки галогенів з Гідрогеном також подібні за складом (HF, НСl, НВr, НІ, атом галогену в них виявляє валентність І) і властивостями: їхні водні розчини є кислотами.

До групи інертних елементів належать: Гелій Не, Неон Ne, Аргон Аr, Криптон Кr, Ксенон Хе і Радон Rn. Гази, утворені цими елементами, називають благородними. За кімнатної температури вони безбарвні, малорозчинні у воді. Ці гази в невеликій кількості наявні в повітрі.

Довгий час уважали, що благородні гази зовсім не вступають у хімічні реакції. Про це свідчить і їхня загальна назва, яка походить від латинського слова inertia, що означає «бездіяльність». Однак за останні 40 років ученим удалося отримати сполуки трьох важких газів — Криптону, Ксенону й Радону з іншими елементами. Слід зазначити, що всі ці сполуки нестійкі й не витримують сильного нагрівання.

Як бачимо, і самі елементи, і їхні сполуки, і прості речовини (лужні метали й галогени, а також благородні гази) різко відрізняються за своїми властивостями. Щоби пояснити причини відмінностей у властивостях різних елементів та їхніх сполук, учені почали пов’язувати якісні характеристики з кількісними. Насамперед розглядали відносну атомну масу елементів та їхню валентність, яка характеризує спроможність елемента утворювати різні за складом сполуки.

Для допитливих

Із хімічною інертністю благородних газів пов’язано їхнє застосування у техніці. Аргоном наповнюють електричні лампи розжарювання. У центрі скляного балона розміщена спіраль з вольфраму, яка розжарюється до високих температур під час проходження по ній електричного струму й випромінює світло. Якщо до балона потрапить повітря, вольфрам миттєво вступить у реакцію з киснем і спіраль згорить. Аби запобігти цьому, лампу наповнюють інертним газом аргоном, який не реагує з вольфрамом ні за яких умов.

°1. З наведеного переліку хімічних елементів випишіть окремо ті, що відповідають: а) лужним елементам; б) галогенам; в) інертним газам.

Н, Cl, Rb, Na, Br, Al, Xe, Li, Ne, Ba, K, Be, Sr, F, Fe, He, Ar.

°2. Складіть рівняння реакцій галогенів: а) з барієм; б) цинком; в) алюмінієм; г) силіцієм. Дайте назви утвореним сполукам.

°3. Кальцій Са, Стронцій Sr і Барій Ва мають властивості, подібні до властивостей лужних елементів, однак у сполуках виявляють валентність II. Їх називають лужноземельними елементами, оскільки їхні оксиди раніше називали землями. Які із цих сполук вам відомі з курсу хімії 7 класу?

4. Який взаємозв’язок між хімічними елементами та їхніми сполуками намагалися знайти вчені для систематизації елементів?

5. Які характеристики елементів учені почали пов’язувати між собою, щоби пояснити причини відмінностей у властивостях різних елементів та їхніх сполук?

*6. У якому з оксидів лужних елементів масова частка Оксигену найбільша? Відносні атомні маси лужних елементів наведено в періодичній системі хімічних елементів. Спробуйте дати відповідь, не виконуючи обчислення.

Зміст