Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №10/2006

ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ

Физические свойства простых веществ
в зависимости от положения химических
элементов в периодической системе
Д.И.Менделеева

11 класс

Один из вариантов углубления и систематизации знаний по теме «Периодический закон и строение атома» – самостоятельный анализ основных закономерностей изменения свойств веществ в связи со строением их атомов. Такой подход используют ирландские коллеги в пособии (Е.Allan and J.Harris, New Higher Chemistry), изданном в Эдинбурге (Великобритания) в 2002 г. Материалы главы «Энергия веществ» из этого пособия использованы для проведения урока.

Работа на уроке строится групповым методом. Учащимся раздают таблицы, графики, задания с теоретическими вопросами, упражнениями.

ХОД УРОКА

1) Каждая группа выбирает одно из физических свойств, анализирует его.

2) Одна группа объясняет остальным закономерности изменений физической величины и их причины.

3) Все группы работают с соответствующими упражнениями на данную тему, учитель спрашивает одного из членов любой группы. При неверном ответе другие группы помогают ответить на вопрос.

4) Последовательно рассматриваются все свойства и выполняются упражнения.

5) В конце урока проводится обобщение.

Физические свойства простых веществ

1. Температуры плавления и кипения

На рис. 1 и 2 видны повторяющиеся точки, отражающие высокие и низкие температуры плавления и кипения. Высокие значения этих температур показывают, что для разрыва связей между атомами в веществах при их плавлении и испарении требуются большие энергетические затраты. Связи в веществах между атомами элементов, расположенных слева в периодической таблице Д.И.Менделеева, сильнее связей в веществах между атомами элементов, расположенных в ней справа. Температуры плавления и кипения уменьшаются в I группе периодической таблицы Д.И.Менделеева с увеличением атомного номера. Причина заключается в уменьшении сил притяжения между частицами вещества с увеличением атомного номера. В VII группе таблицы температуры кипения и плавления увеличиваются с возрастанием атомного номера благодаря увеличению сил притяжения между молекулами вещества.

Рис. 1. Зависимость температуры кипения простых веществ от атомного номера химического элемента
Рис. 1.
Зависимость температуры кипения простых веществ
от атомного номера химического элемента

 

Рис. 2. Зависимость температуры плавления простых веществ от атомного номера химического элемента
Рис. 2.
Зависимость температуры плавления простых веществ
от атомного номера химического элемента

2. Плотность

На рис. 3. приведены плотности в г/см3. В любом периоде периодической таблицы Д.И.Менделеева плотность увеличивается начиная с I группы до максимума в центре периода, а затем уменьшается по мере приближения к VII группе. В любой группе этой таблицы плотность увеличивается с возрастанием атомного номера химического элемента.

Рис. 3. Зависимость плотности простых веществ от атомного номера химического элемента
Рис. 3.
Зависимость плотности простых веществ
от атомного номера химического элемента

3. Размер атома

Мерой размера атома является ковалентный атомный радиус, определяемый как половина расстояния между двумя ядрами связанных между собой атомов. Межъядерное расстояние может быть измерено с достаточной точностью при использовании метода рентгеноструктурного анализа. Значения некоторых ковалентных атомных радиусов приведены (см. с. 28) в табл. 1 в пикометрах
(1 пм = 10–12 м) и на рис. 4, показывающем их периодическое изменение.

Рис. 4. Зависимость ковалентного атомного радиуса от атомного номера химического элемента
Рис. 4.
Зависимость ковалентного атомного радиуса
от атомного номера химического элемента

Таблица 1

Ковалентные атомные радиусы, пм

Li Ве В С N О F
123 89 80 77 74 74 72
С
Na Мg Аl Si Р S Cl Ar
157 136 125 117 110 104 99
С
К Са As Br Kr
203 174 125 122 121 117 114
С
Rb Sr In Sn Sb Те I Хе
216 191 150 140 141 137 133

1. В горизонтальном ряду (периоде) периодической таблицы ковалентный атомный радиус уменьшается, потому что все атомы одного периода имеют одинаковое число занятых энергетических уровней и происходит увеличение на один протон в их ядре при движении слева направо от элемента к элементу. Благодаря увеличению положительного ядерного заряда возрастает притяжение электронов к ядру, сопровождающееся уменьшением размера внешней орбитали, т.е. ковалентного атомного радиуса.

2. В любой вертикальной колонке (группе) этой таблицы атомы всех элементов имеют одинаковое количество внешних электронов, но постепенно возрастающее число энергетических уровней в каждом последующем (находящемся ниже) элементе. Хотя ядерный заряд также увеличивается, его эффект компенсируется намного большим возрастанием радиуса внешней орбитали, т.е. ковалентный атомный радиус увеличивается при движении в группе сверху вниз. Расстояние между двумя атомными ядрами в ковалентной или полярной химической связи приблизительно равно сумме двух соответствующих ковалентных атомных радиусов.

4. Первая энергия ионизации (энтальпия)

В образовании ионных связей важен один фактор – энергия, необходимая для создания положительных ионов из нейтральных атомов (предполагается, что они находятся в газообразном состоянии). Эта величина, как и все энергетические величины в химии, измеряется для 1 моль вещества и называется энергией ионизации (энтальпией) Hи. Например:

Na (г.) Na+ (г.) + e, Hи = (+)502 кДж/моль.

Для натрия 502 кДж необходимо для удаления каждого первого электрона из 1 моль атомов натрия в газообразном состоянии. Правильно это называется первой энергией ионизации натрия, поскольку можно затратить необходимое количество энергии для удаления последующих электронов из атома натрия. Например, вторая энергия ионизации:

Na+ (г.) Na2+ (г.) + e, Hи = (+)4560 кДж/моль.

Некоторые первые энергии ионизации приведены в табл. 2, а также вместе со вторыми энергиями ионизации для первых 20 элементов на рис. 5.

Рис. 5. Первая (1) и вторая (2) энергии ионизации атомов химических элементов
Рис. 5.
Первая (1) и вторая (2) энергии ионизации
атомов химических элементов

Таблица 2

Первые энергии ионизации, кДж/моль

Li Ве В С N О F Ne
526 905 807 1090 1410 1320 1690 2090
С
Мg Аl Si P S Cl Ar
502 744 584 792 1020 1010 1260 1530
С
К Са Аs Вr Кr
425 596 577 762 953 941 1150 1350
С
Rb Sr In Sn Sb Те I Хе
409 556 556 715 816 870 1020 1170

Необязательно объяснять все незначительные детали, но из табл. 2 можно сделать несколько важных выводов. Так, в каждой группе (колонке) элементов первая энергия ионизации убывает к концу группы. Это объясняется тем, что электрон удаляется с внешней орбитали, которая располагается все дальше от ядра и, следовательно, требуется все меньше энергии для его удаления.

В каждом периоде таблицы Д.И.Менделеева картина не так проста, но есть общая закономерность. Удаляемый электрон расположен на одном и том же энергетическом уровне в атоме любого элемента в данном периоде, например Li–Ne или Na–Ar. Как уже было сказано, ядерный заряд увеличивается в каждом периоде при движении слева направо, влияя на конечный размер (сжатие) электронных орбиталей. Следовательно, внешние электроны все сильнее удерживаются в атомах, и количество энергии для их удаления (ионизации) возрастает к концу каждого периода.

Дальнейшее осложнение возникает в связи с экранирующим эффектом электронов на внутренних орбиталях. Эти внутренние электроны уменьшают притяжение внешних электронов к ядру, тем самым снижая энергию ионизации.

Самые очевидные результаты этого видны в периодах К–Kr и Rb–Xe. Так, в III группе энергия ионизации должна была бы так же сильно спадать при переходе от Al к Ga или от Ga к In, как она спадает при переходе от B к Al. Тем не менее значения энергий ионизации для Al, Ga и In почти одинаковые.

Между Ca и Ga находятся десять переходных элементов. В ядрах их атомов имеются дополнительные протоны, которые должны были бы увеличить энергию ионизации галлия, но вмешивающиеся добавочные внутренние электроны экранируют внешние электроны от ядра, и его энергия ионизации оказывается почти такой же, как у алюминия.

Подобный эффект наблюдается и для индия, поскольку между Sr и In находятся десять переходных элементов с добавочными электронами во внутреннем слое, дополнительно экранирующими атомное ядро.

Следует отметить, что в пределах каждого периода благородный газ имеет наибольшее значение первой энергии ионизации. Это как-то объясняет высокую стабильность заполненных электронных оболочек и стойкость благородных газов к образованию веществ (атомы не притягиваются друг к другу с силой, достаточной для образования жидкостей или твердых тел). Тем не менее следует иметь в виду, что электроны могут быть удалены из атомов благородных газов. Если какое-либо взаимодействие сможет компенсировать требуемые для этого энергетические затраты, то произойдет ионное слияние с участием ионизированных атомов благородных газов.

5. Электроотрицательность

В ковалентной связи, образованной электронной парой между двумя атомами, сила притяжения этих атомов зависит от типа химических элементов. Относительная сила притяжения атомом электронов в ковалентной связи называется электроотрицательностью. Значения относительной электроотрицательности могут быть определены количественно, и для некоторых элементов они приведены в табл. 3.

Таблица 3

Относительные электроотрицательности
некоторых химических элементов

Н
2,1
С
Li Be B C N O F
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
С
Мg Аl Si Р S Cl
0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0
С
К Са Аs Вr
0,8 1,0 1,6 1,8 2,0 2,4 2,8
С
Rb Sr In Sn Sb Те I
0,8 1,0 1,7 1,8 1,9 2,1 2,5
С
Сs Ва
0,7 0,9

В целом электроотрицательность увеличивается слева направо вдоль периода таблицы, т.к. ядерный заряд возрастает в том же направлении. Однако она уменьшается сверху вниз в группе периодической таблицы, т.к. размер атома увеличивается с возрастанием атомного номера.

Разница в значениях электроотрицательности соединенных атомов показывает относительную степень полярности ковалентных связей.

Вопросы к материалу

1. Объясните, почему:

1) атом калия больше атома натрия;

2) атом хлора меньше атома натрия.

2. Можете ли вы предположить причину большой разницы между первой и второй энергиями ионизации для каждого элемента I группы периодической таблицы Д.И.Менделеева?

3. Пользуясь справочником, рассчитайте необходимое количество энергии для следующих изменений:

1) Ca (г.) Ca2+ (г.) + 2e;

2) Al (г.) Al3+ (г.) + 3e.

4.

1) График 1 показывает температуры кипения для элементов VII группы периодической таблицы Д.И.Менделеева.

Почему температуры кипения увеличиваются при переходе от фтора к йоду?

2) График 2 показывает температуры плавления для элементов от лития до неона. Объясните высокие температуры плавления бора и углерода.

3) График 3 показывает значения первых энергий ионизации для элементов I группы. Объясните, почему при переходе от лития к цезию первая энергия ионизации уменьшается.

4) График 4 показывает значения первых энергий ионизации для химических элементов, идущих друг за другом и упорядоченных по возрастанию атомного номера. Элементы А, В и С принадлежат к одной группе периодической таблицы. Назовите ее.

5. Значения энергий ионизации могут быть найдены путем воздействия возрастающего электрического тока на тестовые образцы газов до их ионизации. Результаты, приведенные в табл. 4, были получены экспериментально.

Таблица 4

Энергия ионизации, эВ

Элемент Первая энергия ионизации Вторая энергия ионизации
Водород 13,6
Гелий 24,6 54,5

1) Почему для гелия два результата, а для водорода – один?

2) Напишите уравнение, отражающее значение первой энергии ионизации для гелия.

3) Почему значение первой энергии ионизации у гелия выше, чем у водорода?

6. Вы найдете значения первой энергии ионизации для химических элементов в справочнике.

1) Какую связь значений первой энергии ионизации вы наблюдаете в пределах группы галогенов?

2) Обозначив атом галогена за X, напишите уравнение, показывающее, что происходит при его первой ионизации.

3) Предложите объяснение с точки зрения атомной структуры для наблюдаемого направления изменения первой энергии ионизации.

4) Предложите причину недостатка данных по энергиям ионизации для астата (At, атомный номер 85).

7. График 5 (см. с. 32) связывает ионные радиусы атомов некоторых элементов с их атомными номерами.

1) На графике 5 покажите ионные радиусы, которые вы считаете правильными для элементов № 13 и № 15. Можете обратиться к периодической таблице в справочнике за помощью.

2) Значение, относящееся к водороду, приведено для иона H. Почему не приведено значение для Н+? Почему ион Н больше иона Li+?

3) Почему такое большое увеличение размера иона при переходе от бора к азоту?

Основные особенности
методики изучения материала

1) Не требуется непосредственное знание предыдущей темы, материал можно рассматривать автономно, прямо на уроке вспоминая теорию.

2) Тема наглядно представлена с помощью рисунков, таблиц и графиков.

3) При работе с материалом не требуется знание значений тех или иных физических величин, разрешается и рекомендуется использовать справочные материалы и таблицы.

4) Вопросы и задания требуют умения анализировать таблицы и графики, делать выводы, рассуждать.

5) Делается упор на понимание тенденций: «больше–меньше», «возрастает–убывает».

6) Различная сложность изучаемого материала позволяет разбить учащихся на разные по силе группы, чтобы работал каждый. Обычно на уроке такого типа работают только сильные учащиеся, с уже сформированными навыками логического мышления, анализа. Более слабые ученики конспектируют их ответы. В данном случае работать и думать могут все. Урок действительно делает возможными реальный разноуровневый подход к изучению материала, творческую, мыслительную работу всех учащихся класса.

М.Г.Жихарева,
учитель химии
Центра образования «Москва-98» № 1953 (Москва)