Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко

§ 43. Залежність властивостей елементів і їхніх сполук віл електронної будови атомів

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

• пригадати особливості електронної будови атомів хімічних елементів;
• визначати хімічні властивості оксидів, гідратів оксидів конкретного елемента;
• пояснювати зв’язок між електронною будовою атомів і хімічними властивостями елементів та утворених ними сполук;
• пояснити зміну властивостей елементів та їхніх сполук у межах головних підгруп (груп А) і періодів періодичної системи.

Ви знаєте, що кожний елемент у періодичній системі займає постійне, чітко визначене місце, за яким можна безпомилково дізнатися про: а) заряд ядра атома; б) кількість електронів; в) кількість енергетичних рівнів. А яка залежність існує між електронною будовою атомів і хімічними властивостями елементів та їхніх сполук?

Для отримання відповіді спершу розглянемо досліди з виявлення властивостей гідроксидів та кислот хімічних елементів одного періоду.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІДРОКСИДІВ І КИСЛОТ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ОДНОГО ПЕРІОДУ. Для проведення дослідів оберемо сполуки Натрію, Алюмінію та Сульфуру — елементів 3 періоду.

Попрацюйте групами

1. Спостерігайте за дослідами 1-3, що їх демонструє вчитель або вчителька.

2. Поясніть спостережувані зміни.

3. Складіть рівняння хімічних реакцій, що відбулися у проведених дослідах.

Дослід 1. У дві пробірки наллємо розчин натрій гідроксиду та додамо по кілька крапель розчину індикатора лужного середовища (наприклад, фенолфталеїну). В одну пробірку доллємо хлоридної кислоти, у другу помістимо небагато порошку магній гідроксиду. Завдяки спостереженню виявимо, що в першій пробірці колір індикатора змінився з малинового на безбарвний. У другій видимих змін не сталося. Про що це свідчить?

Дослід 2. Добудемо алюміній гідроксид з розчину його солі алюміній хлориду, подіявши на неї невеликою кількістю розчину натрій гідроксиду. Добутий осад розділимо на дві пробірки. У першу доллємо розчину лугу до повного зникнення осаду, а в другу — хлоридної чи іншої кислоти (теж до повного зникнення осаду).

Поясніть, чому в обох пробірках осад розчинився.

Дослід 3. Наллємо у дві пробірки розчину сульфатної кислоти та додамо в кожну по кілька крапель розчину індикатора кислого середовища, наприклад, метилового оранжевого.

В одну пробірку до сульфатної кислоти доллємо розчин лугу, у другу — розчин іншої кислоти й спостерігатимемо за змінами кольору індикатора. Після доливання малими порціями розчину лугу до кислоти спостерігається зникнення рожевого кольору. Натомість з’являється оранжевий, а якщо лугу взяли з надлишком, то жовтий. У другій пробірці видимих змін немає. Поясніть результати спостереження.

Експериментальним шляхом ми отримали підтвердження, що властивості досліджуваних речовин різні. Натрій гідроксид — типова основа з вираженими лужними властивостями, алюміній гідроксид — амфотерний гідроксид, а сульфатна кислота має всі властивості кислот.

Ви знаєте, що натрій гідроксиду відповідає основний оксид — натрій оксид, алюміній гідроксиду — амфотерний оксид алюміній оксид, а сульфатній кислоті — кислотний оксид сульфур(VІ) оксид.

Як бачимо, у межах 3 періоду зі збільшенням протонного числа властивості сполук хімічних елементів змінилися від типових основних — через амфотерні — до кислотних.

ЗВ’ЯЗОК МІЖ ХІМІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ ЕЛЕМЕНТІВ (ЇХНІХ СПОЛУК) І ЕЛЕКТРОННОЮ БУДОВОЮ АТОМА. На основі сучасної теорії будови атома вчені пояснюють, що хімічні властивості елементів та їх зміна в періодах залежать від будови електронних оболонок атомів. Пригадаємо, як змінюється будова електронних оболонок атомів хімічних елементів одного періоду.

Проаналізуємо електронні формули атомів хімічних елементів, зі сполуками яких виконували досліди.

За кількістю енергетичних рівнів атоми Натрію, Алюмінію та Сульфуру відмінностей не мають. Однак у кожного з них різна кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні, яка зі збільшенням протонного числа елемента зростає. В атома Натрію один електрон, в Алюмінію — три, у Сульфуру — шість.

Атоми металічних елементів містять менше половини від максимальної кількості електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Атоми неметалічних елементів, навпаки, мають зовнішні енергетичні рівні наполовину й більше заповнені електронами (порівняно з 8-електронним енергетичним рівнем). З позицій теорії будови атома саме в цьому варто шукати пояснення властивостей хімічних елементів та їхніх сполук.

Те, як будова електронних оболонок атомів і місце елемента в періодичній системі позначаються на властивостях хімічних елементів та їхніх сполук, ілюструє таблиця 15.

Таблиця 15

Елементи третього періоду та деякі їхні характеристики

ОЗНАКИ ПОРІВНЯННЯ	ЕЛЕМЕНТИ ТРЕТЬОГО ПЕРІОДУ
	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
протонне число	11	12	13	14	15	16	17	18
формула простої речовини	Na	Mg	Al	Si	P	s	Cl2	Ar
	метали			неметали
формула вищого оксиду	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	SO3	Cl2O7	—
формула гідроксиду чи кислоти	NaOH	Mg(OH)2	Al(OH)3	H2SiO3	H3PO4	H2SO4	HClO4	—
валентність елемента в обох сполуках	1	2	3	4	5	6	7	—
хімічні властивості сполук елемента	основні		амфотерні	кислотні
спільне в будові атома	Електронна оболонка має три енергетичні рівні
кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні	1	2	3	4	5	6	7	8

У періодах зі збільшенням протонного числа (порядкового номера) послаблюються металічні й посилюються неметалічні властивості елементів та їхніх сполук. Причиною цього є збільшення кількості електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атома.

Така залежність між розміщенням елемента в періоді та властивостями утворених ним речовин є загальною для всіх періодів, з тією лише різницею, що в малих періодах ці зміни настають швидше, ніж у великих.

Якщо в короткій формі періодичної системи хімічних елементів провести уявну лінію через елементи Берилій, Алюміній, Германій, Станум, Стибій, Плюмбум, Полоній, то у верхній правій частині міститимуться неметалічні елементи, а в нижній лівій — металічні. Елементи, розташовані на лінії поділу, — це металічні елементи з амфотерними властивостями оксидів та гідроксидів.

Залежно від того, в якій частині періодичної системи розміщено елемент, його сполуки виявляють або основні, або кислотні, або амфотерні хімічні властивості.

Відновіть у пам’яті розглянуті раніше властивості груп лужних елементів (див. § 4), галогенів та інертних елементів (див. § 5). Пригадайте, як активно реагують з водою літій, натрій, калій, а галогени з металами. Ви переконались у тому, що металічні властивості лужних елементів зі збільшенням протонного числа посилюються, неметалічні властивості галогенів — послаблюються.

Найактивніші лужні металічні елементи розміщено в групі під номером І(ІА), тобто на початку періодів, а найактивніші неметалічні елементи галогени — у групі під номером VII(VIIA), тобто — в кінці періодів. Інертним елементом VIII(VIIIA) групи закінчується кожний період.

Елементи однієї підгрупи (чи лужні, чи галогени, чи інших родин) мають спільні властивості завдяки однаковій будові зовнішнього енергетичного рівня.

Розглянуті залежності ще раз підтверджують універсальний характер періодичного закону й доводять, що він є фундаментальним законом природи. Завдяки закону стали зрозумілими причини та наслідки взаємодії різних речовин.

Стисло про основне

• Зміна властивостей хімічних елементів у періодах є наслідком зміни кількості електронів на зовнішньому енергетичному рівні атома.

• У періодах зі збільшенням протонного числа металічні властивості елементів та їхніх сполук послаблюються, а неметалічні — посилюються. Що ближче до початку періоду розміщений хімічний елемент, то сильніше в нього виражені металічні властивості.

• Подібність хімічних властивостей елементів однієї підгрупи (групи А) — результат однакової будови зовнішніх енергетичних рівнів їхніх атомів. Що більше протонне число металічного елемента, то він хімічно активніший за інші металічні елементи однієї з ним підгрупи (групи А).

• Періодична повторюваність властивостей елементів у періодах є наслідком періодичного повторення будови електронних оболонок атомів.

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення періоду періодичної системи, наведіть приклади.

2. Які енергетичні підрівні наявні в межах 2 та 3 енергетичних рівнів?

3. За місцем у періодичній системі хімічних елементів, протонні числа яких 52 і 56, спрогнозуйте хімічні властивості їхніх оксидів.

4. Натрій чи Магній має сильніше виражені металічні властивості?

5. Яка кислота — карбонатна чи нітратна — має сильніше виражені кислотні властивості? Відповідь обґрунтуйте.

6. Поясніть, як змінюються металічні властивості хімічних елементів одного періоду зі збільшенням протонного числа.

7. Як змінюються неметалічні властивості елементів однієї підгрупи (групи А) зі збільшенням протонного числа?

Застосовуємо

164. Для елементів другого періоду розгляньте, порівняйте та запишіть:

• а) формули оксидів, гідроксидів чи кислот, що їм відповідають, валентності елементів у них;
• б) металічні та неметалічні властивості простих, кислотні й основні властивості складних речовин.

165. Чи відповідають результати вашого порівняння (завдання 164) висновку про те, що в межах одного періоду відбувається поступовий перехід від металічних властивостей хімічних елементів та їхніх простих речовин до неметалічних?

166. Спрогнозуйте хімічні властивості оксидів елементів другого періоду з протонними числами 3 і 6. На підтвердження вашого передбачення напишіть рівняння хімічних реакцій.

167. Розмістіть хімічні елементи за ПОСИЛЕННЯМ неметалічних властивостей.

А Оксиген

Б Карбон

В Флуор

Г Нітроген

168*. Чи може оксид хімічного елемента, електронна формула якого має закінчення ...3s²3p⁵, виявляти основні властивості? Відповідь обґрунтуйте.