7.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25605

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Це часто має велике значення з тим, що інші,

В яких домовленостях
споконвічні мікроби пов'язані між собою, і якими рухами теж
обмінюються між собою,

для цих самих атомів

Збирають небо, і море, і землі,
річки і сонця, зерна, дерева і

дихаючі речі.

мають будь-яке реальне існування.
Але все ж вони по-різному поєднуються
з різними речами, з рухами кожен свій.

—Лукрецій (55 р. До н.е.)

Вступ

У цьому розділі ми розглянемо кореляції, які існують між фізичними та хімічними властивостями елементів та їх сполук. Ці кореляції ведуть безпосередньо до фундаментальної схеми класифікації матерії, таблиці Менделєєва. Ернесту Резерфорду, який одного разу зауважив, що існує два види науки-фізики та збору марок - періодична таблиця буде кінцевим альбомом штампів. Якби це була заключна глава нашої книги, його враження підтвердилося б. Але ми організовуємо елементи Всесвіту в таблицю Менделєєва, щоб хімія могла починатися, а не закінчуватися. Після того, як ми встановили схему класифікації, ми повинні пояснити її з точки зору електронів та інших субатомних частинок, з яких побудовані атоми. Це пояснення і є завданням більш пізніх глав. Але перш ніж ми почнемо теоретизувати про світ, давайте подивимося, що це насправді.

Схеми ранньої класифікації

Дуже рано в розвитку хімії хіміки визнали, що певні елементи мають схожі властивості. У самій ранній схемі класифікації було всього два поділу, метали і неметали. Металеві елементи мають певний блискучий вигляд, вони податливі (можуть забиватися в тонкі листи) і пластичні (можуть втягуватися в дроти), вони проводять тепло і електрику, і утворюють з'єднання з киснем, які є основними (лужними). Неметалічні елементи не мають жодного характерного зовнішнього вигляду, вони взагалі не проводять тепло і електрику, а також утворюють кислі оксиди.

Тріади Деберейнера

У 1829 році німецький хімік Йоганн Доберейнер спостерігав кілька груп з трьох елементів (тріад) зі схожими хімічними властивостями. У кожному випадку атомна вага одного елемента в тріаді була майже середньою для двох інших. Наприклад, кожен елемент в тріаді хлор, бром і йод утворює кольорові пари, що містять двоатомні молекули. Кожен елемент з'єднується з металами і має комбіновану вагу, рівну його атомній вазі. Кожен елемент утворює іони з киснем, які мають єдиний негативний заряд: ClO ^-, ClO $_3^-$ $_3^-$ , BrO і IO $_3^-$ . Атомна маса брому (80) приблизно дорівнює середньому показнику хлору (35,5) та йоду (127). У таблиці 7-1 перераховані подібності елементів в цій та інших тріадах.

Окрім визнання тріад, наведених у таблиці 7-1, Деберейнер спостерігав своєрідну тріаду металів заліза, кобальту та нікелю, всі з яких мають схожі властивості і майже однакові атомні ваги. Метали використовуються в конструкційних матеріалах (сталі) і можуть бути феромагнітними, як залізо; в їх +2 і +3 станах вони утворюють складні іони, які пофарбовані.

Це відкриття сімей стихій (число 3 на сім'ю виявилося незначним) дало стимул тим, хто намагався знайти раціональний засіб класифікації елементів.

Закон Ньюленда про октави

Між 1850 і 1865 роками було відкрито багато нових елементів, і хіміки досягли значного прогресу у визначенні атомних ваг. Таким чином, для старих елементів були доступні більш точні атомні ваги, а для нових елементів були представлені досить точні значення. У 1865 році англійський хімік Джон Ньюлендс (1839—1898) досліджував проблему періодичного повторення подібної поведінки елементів. Він розташував найлегший з відомих елементів в порядку збільшення атомної маси наступним чином:


Ч	Лі	Бути	Б	C	П	O
F	Na	Мг	Аль	СІ	Р	S
Cl	К	Ca	Cr	Ti	Мн	Fe

Ньюлендс помітив, що восьмий елемент (фтор, F) нагадував перший (водень, Н), дев'ятий нагадував другий і так далі. Його спостереження за тим, що кожен восьмий елемент мав подібні властивості, змусило його порівняти свої хімічні октави з музичними октавами, а сам він називав це своїм законом октав. Періодичність по октавах в хімії підказала йому фундаментальну гармонію, подібну до тієї, що в музиці. Порівняння, хоча і привабливе, є недійсним. Якби Ньюлендс відомий про благородні гази, його періодичність властивостей була б на дев'ятки, а не на вісім. Він ніколи б не використав свою музичну аналогію, і він, можливо, був позбавлений деяких глузувань і байдужості, які він зазнав. (Дивіться Postscript для отримання додаткової інформації про Newlands.)

Файл:Хімічні принципи Таблиця 7.1.png

Зусилля Ньюленда, безумовно, були кроком у правильному напрямку. Однак на його класифікаційну схему можуть бути спрямовані три серйозні зауваження:

1. У його таблиці не було місць для нових елементів, які швидко відкривалися. Більш того, в більш пізніх частинок столу було кілька місць, де два елементи були змушені в одне і те ж положення. (Див. Постскрипт.)

2. Не проводилося наукової оцінки роботи над атомними вагами та вибору ймовірних найкращих значень.

3. Певні елементи, схоже, не належать там, де вони були розміщені в схемі. Наприклад, хром (Cr) недостатньо схожий на алюміній (AI), не є марганцем (Mn), металом, фосфором (P), неметалом. Залізо (Fe), метал і сірка (S), неметал, також не нагадують один одного.

Основи періодичної класифікації

Розвиток таблиці Менделєєва, як ми зараз знаємо, приписують в основному російському хіміку Дмитру Менделєєву (1834—1907), хоча німецький хімік Лотар Мейер розробляв по суті одну і ту ж систему самостійно і майже одночасно. Наскільки нам відомо, жодна людина не знала про роботу Ньюленда. Менделєєва таблиця Менделєєва (рис. 7-1), представлена в 1869 році, слідувала плану Ньюлендса по розташуванню елементів в порядку збільшення атомної маси, але з наступними істотними поліпшеннями:

1. Тривалі періоди були введені для елементів, тепер відомих як перехід.

метали. Ці тривалі періоди показані складеними навпіл у його вихідній таблиці, причому кожен повний період займає два рядки. Це нововведення усунуло необхідність розміщення таких металів, як ванадій (V), хром та марганець під неметалами, такими як фосфор, сірка та хлор.

2. Якщо властивості елемента припускали, що він не вписується в

розташування відповідно до атомної ваги, пробіл залишився в таблиці. Наприклад, не існувало жодного елемента, який би помістився в простір нижче кремнію (Si). Таким чином, залишився простір для нового елемента, який отримав назву ekasilicon.

3. Проведено наукову оцінку даних атомної ваги. Наприклад,

В результаті цієї роботи комбінаційна здатність хрому в його найвищому оксиді була змінена з 5 на правильне значення 6. Сукупна маса хрому, як відомо, становила 8,66 м Отже, замість 43,3 (5 $\ раз$ 8,66) переглянута атомна маса хрому стала 52,0 (6 $\ раз$ 8,66).

Файл: Хімічні принципи Рис 7.1.png

Індію (In), з комбінованою вагою 38,5, було призначено комбіновану здатність 2 і, отже, атомну вагу 77, і був поміщений між миш'яком (As) та селеном (Se). Оскільки їх властивості відповідали розміщенню нижче фосфору і сірки, які знаходилися поруч один з одним, миш'як і селен також повинні були бути поруч в схемі Менделєєва. Переоцінка показала, що індій мав атомну вагу 114,8 і об'єднану ємність 3, що узгоджується з його положенням нижче алюмінію і галію (Ga) в цій таблиці.

Вважалося, що атомна вага платини (Pt) більша, ніж у золота (Au). Менделєєв думав інакше, через хімію двох металів і місць, які вони повинні займати в своїй таблиці. Нові визначення, натхненні Менделєєвим, показали 198 для платини і 199 для золота, тим самим поставивши платину попереду золота і під паладій (Pd), який з усіх інших елементів найбільше нагадує платину.

4. На основі відомої періодичної поведінки узагальнено в

таблиці, були зроблені прогнози властивостей нерозкритих елементів. Ці прогнози пізніше виявилися надзвичайно точними, як можна побачити, порівнюючи прогнозовані властивості екасилікону та властивості, повідомлені для елемента під назвою германій (Ge), який зараз займає екасиліконовий простір. Це порівняння наведено в таблиці 7 -2.

Файл:Хімічні принципи Таблиця 7.2.png

З таблиці видно, як Менделєєв зміг точно передбачити фізико-хімічні властивості відсутнього елемента. Його положення в таблиці Менделєєва було нижче кремнію і вище олова (Sn). Фізичні властивості германію приблизно середні між тими, що спостерігаються для кремнію та олова. Для прогнозування хімічних властивостей екакремнію Менделєєв також використовував інформацію з відомих відносних властивостей фосфору, миш'яку та сурми (Sb) в графі праворуч у таблиці Менделєєва.

Такі кореляції керували пошуком нових елементів та сполук та стимулювали дослідження, коли відомі дані не відповідали іншим кореляціям. Одним з наслідків цього дослідження було те, що ми отримали поліпшені значення атомних ваг і щільності.

Періодичний закон

Менделєєв резюмував свої відкриття в періодичному законі: Властивості хімічних елементів не є довільними, а систематично змінюються залежно від атомної ваги.

Після того, як більшість елементів були виявлені і їх атомні ваги ретельно визначені, кілька розбіжностей зберігалися. Наприклад, порядок збільшення атомної маси в межах VIII групи Менделєєва (рис. 7-1) був виявлений як Fe, Co, Ni, Cu в четвертому періоді (рядок 4), Ru, Rh, Pd, Ag в п'ятому (ряд 6), а Os, Ir, Pt, Au в шостому (ряд 10). Vet Ni нагадує Pd і Pt більше, ніж Co. Знову ж таки, Te має більш високу атомну вагу, ніж I, але я явно належить до Br і CI, а Te нагадує Se і S за хімічними властивостями. Коли були виявлені благородні гази, було виявлено, що Ar мав більшу атомну вагу, ніж K, тоді як всі інші благородні гази мали меншу атомну вагу, ніж сусідні лужні метали. У цих трьох випадках збільшення атомної ваги явно не є прийнятним як засіб розміщення елементів у періодичній таблиці. Тому елементам були присвоєні атомні номери від 1 до 92 (зараз 105). (Атомні номери елементів приблизно збільшуються з їх атомними вагами.) Коли елементи розташовані відповідно до зростаючого атомного номера, хімічно подібні елементи лежать у вертикальних стовпцях (сімействах або групах) таблиці Менделєєва.

У 1912 році Генрі Джей Мозлі (1887—1915) зауважив, що частоти рентгенівських променів, випромінюваних елементами, можуть краще корелювати з атомними номерами, ніж з атомними вагами. Зв'язок між атомним номером елемента та частотою (або енергією) рентгенівських променів, випромінюваних елементом, є наслідком атомної структури. Як ми побачимо в главі 8, електрони в атомі розташовані в енергетичних рівнях. Коли елемент бомбардується потужним пучком електронів, з атомів можуть викидатися електрони з найпотаємніших рівнів або оболонок (найближчих до ядра). Коли зовнішні електрони падають в ці оболонки для заповнення вакансій, енергія випромінюється у вигляді x випромінювання. Рентгенівський спектр елемента (колекція частот випромінюваних рентгенівських променів) містить інформацію про електронні енергетичні рівні атома. Важливим моментом для нашого теперішнього призначення є те, що енергія рівня змінюється з зарядом на ядрі атома. Чим більше ядерний заряд, тим щільніше пов'язані самі потаємні електрони. Для збивання одного з цих електронів потрібно більше енергії; отже, з'являється більше енергії, що виділяється, коли електрон падає назад у вакансію в оболонках. Мозлі виявив, що частота випромінюваних рентгенівських променів (позначена грецькою літерою P, nul змінюється з атомним номером, Z, відповідно до

\ стиль тексту v = c (Z - b) ^2

в якому c і b характерні для даної рентгенівської лінії і однакові для всіх елементів.

Файл: Хімічні принципи Рис 7.2.png

У квітні 1914 року Мозлі опублікував результати своєї роботи над 39 елементами від ₁₃ Al до ₇₉ Au. (Нагадаємо, що атомний номер позначається індексом зліва від символу елемента.) Частина його даних [s] нанесена на рисунок 7 -2. Мозлі написав наступне:

«Спектри елементів розташовані на горизонтальних лініях, розташованих на рівних відстанях. Порядок, обраний для елементів, - це порядок атомних ваг, за винятком випадків Ar, Co і Te, де це стикається з порядком хімічних властивостей. Вільні рядки були залишені для елемента між Mo і Ru, елементом між Nd і Sm, і елементом між W і Os, жоден з яких ще не відомий. Це еквівалентно присвоєнню послідовним елементам серії послідовних характерних цілих чисел... Тепер, якби або елементи не характеризувалися цими цілими числами, або була допущена якась помилка в обраному порядку або в кількості місць, залишених для невідомих елементів, ці закономірності (прямі) відразу б зникли. Тому ми можемо зробити висновок з доказів рентгенівських спектрів поодинці, не використовуючи жодної теорії атомної структури, що ці цілі числа дійсно характерні для елементів... Тепер Резерфорд довів, що найважливішою складовою атома є його центральне позитивно заряджене ядро, і ван ден Брук висунув думку, що заряд, який несе це ядро, є у всіх випадках цілісним кратним заряду на водневому ядрі. Є всі підстави припускати, що ціле число, яке контролює рентгенівський спектр, таке ж, як і кількість електричних одиниць в ядрі, і тому ці експерименти дають найсильнішу підтримку гіпотезі ван ден Брука. «*

Три невідкриті елементи, згадані Мозлі, пізніше були виявлені як елементи 43 (технецій, Tc), 61 (прометий, Pm) та 75 (реній, Re). Заплутаний «подвійний елемент» був прояснений в 1923 році, коли Д.Костер і Г.Хевесі показали, що одна з незайнятих горизонтальних ліній графіка Мозлі належала новому елементу гафній (Hf, 72). Робота Мозлі була, мабуть, самим фундаментальним єдиним кроком у розвитку таблиці Менделєєва. Доведено, що атомний номер (або заряд на ядрі), а не атомна маса, був істотною властивістю в поясненні хімічної поведінки.

Сучасна періодична таблиця

Найпростіший спосіб зрозуміти таблицю Менделєєва - побудувати її. Хоча це може здатися складним завданням, дивно мало знань хімії потрібно, щоб зрозуміти, що форма на внутрішній передній обкладинці цієї книги неминуча. Якщо розташувати елементи за атомним номером, як це робив Мозлі, то певні хімічні властивості повторюються через певні проміжки часу (рис. 7-3, зверху). Хімічно інертні гази (принаймні вважалися інертними до 1962 року, коли хіміки виробляли сполуки, що містять ксенон, пов'язаний з фтором та киснем), He, Ne, Ar, Kr, Xe та Rn, мають атомні номери 2, 10, 18, 36, 54 та 86, або числові інтервали 2, 8, 8, 18 та 32. Кожен з цих газів передує надзвичайно реактивному м'якому металу, який має тенденцію утворювати іон + 1: лужні метали Li, Na, K, Rb, Cs та Fr. І кожному газу передує реактивний елемент, який може отримати електрон, утворюючи іон 1: водень і галогени F, CI, Br, I і At. Ці ключові елементи зображені кольором в рядку вгорі малюнка 7-3.

Ці хімічні подібності найкраще представити поділом списку з 105 елементів на сім рядків або періодів (рис. 7-3). Однак перший період має лише 2 елементи, наступні два мають 8, наступні два, 18, а шостий і, ймовірно, сьомий періоди мають 32. Як ми можемо вирівняти 8 записів над 18, а 18 над 32?

Файл: Хімічні принципи Рис 7.3.png

* На той час, коли ці рядки були опубліковані, Мозлі був у британській армії, а менш ніж через рік він був мертвий, у віці 27 років, на схилі пагорба на Галліполі.

Лужноземельні метали Be, Mg, Ca, Sr та Ba настільки схожі за хімічними властивостями, що нам потрібно мало уяви, щоб розмістити їх, як показано. Неметали знаходяться в правому кінці кожного періоду, а O, S, Se і Te складають ряд елементів з об'єднаною ємністю 2 і збільшенням металевої поведінки від O до Te: O є неметалом, а Te існує в неспецифічній проміжній зоні, відомій як напівметали або металоїди . Елементи N, P, As, Sb і Bi складають групу, характеристиками якої є здатність отримувати три електрони в певних сполуках і градація від неметалевих N і P, до напівметалевих As, до металевих Sb і Bi. Елементи C, Si, Ge, Sn та Pb мають об'єднану здатність 4. Для цих елементів прикордонна зона між металами і неметалами розташована в більш ранньому періоді; С - неметал, Si і Ge - напівметали, а Sn і Pb - мета ls. Нарешті, серії B, Al, Ga, In і Tl утворюють іони +3; B - напівметалічні, а інші металеві. Властивості Al і Ga більше схожі, ніж у Al і Sc. Щоб привести Al вище Ga, необхідно зрушити періоди S-елемента в крайній правий край вище 18-елементного періоду нижче.

«Зайві» елементи в періодах 4 і 5 c,. Sc до 30Zn та 39 Y до «Cd) складають серію металів, всі з яких демонструють велику різноманітність іонних станів, стани + 2 і + 3 здаються найбільш поширеними. Їх властивості не змінюються від одного елемента до іншого майже стільки, скільки змінюються властивості в рядах B, C, N, 0 і F. Ми називаємо ці «зайвими» елементами перехідні метали. (Відкладаємо питання про те, що переходить до глав 9 і 10.) Коли ми шукаємо хімічні паралелі між п'ятим і шостим періодами, ми виявляємо, що ₄₀ Zr і ₇₂ Hf практично ідентичні за поведінкою. Знову ж таки, наша бажана домовленість полягає в тому, щоб розмістити елементи в період 5 за ₃₈ Sr, наскільки це можливо праворуч на вершині періодів 6 і 7. Додаткові елементи в періоді 6, ₅₇ La до ₇₀ Yb, практично ідентичні за хімічною поведінкою. Ці елементи називаються рідкісноземельними, або лантаноїдами. Їх партнери в сьомому періоді (₈₉ Ac до ₁₀₂ No) відомі як актиніди. Оскільки лантаноїди настільки схожі за хімічними властивостями, вони зустрічаються разом в природі і їх вкрай важко розділити.

Підсумовуючи, елементи можна класифікувати на три групи (рис. 7-3): репрезентативні елементи з різноманітними властивостями; перехідні метали, більш схожі, але чітко помітні; і внутрішні перехідні метали (лантаніди та актиніди), з дуже аналогічні властивості. Представницькі елементи називаються репрезентативними, оскільки вони показують більш широкий спектр властивостей, ніж зустрічаються в інших елементах, і тому, що вони є елементами, з якими ми найбільш знайомі.

(Радіоактивність та ядерна нестабільність актинідів, особливо урану, надали їм історичне значення, яке їх хімічні властивості, можливо, не виправдали б. Стародавній хімік - це людина, яка до сих пір вважає уран незрозумілим важким елементом, який використовується в жовтих керамічних глазурі і вітражах. Іронічно, що ядерна війна велася б із сировиною вітражів.)

Існує більш компактна форма таблиці Менделєєва, яка більш чітко вказує на відносну мінливість властивостей сусідніх елементів (рис. 7-4). Тенденції хімічної поведінки часто легше зрозуміти, якщо досліджувати лише репрезентативні елементи, при цьому перехідні метали встановлюються в одну сторону як особливий випадок, а внутрішні перехідні метали практично ігноруються. У цій таблиці вертикальні стовпці називаються групами, а ті з представницьких елементів нумеруються IA через VIIA і O. групи елементів переходу нумеруються таким чином, щоб нагадати вам, що вони повинні бути вставлені в таблицю представницьких елементів. Нумерація включає групи IIIB до VIIB, потім три стовпці всі позначені сукупно групою VIIIB, потім групи IB і LiB. Група HIB слідує Групі IIIA у репрезентативних елементах, а Group LiB передує Групі ILIA. Цей вид нумерації більш чіткий в стандартному, «довгому вигляді» таблиці Менделєєва на внутрішній передній кришці. Ми бачимо, що стандартна форма - це компроміс між компактністю малюнка 7-4 і повнотою малюнка 7-3. Лантаноїди та актиніди мали настільки незначне відносне значення, що їм не дали номери груп.

Файл: Хімічні принципи Рис 7.4.png

Періодичність хімічних властивостей на ілюстрації бінарних гідридів та оксидів

У цьому розділі ми побачимо, як таблиця Менделєєва дозволяє нам прогнозувати молекулярні формули та хімічні властивості сполук металів і неметалів з воднем і киснем.

Бінарні гідриди

Кількість атомів водню, які з'єднуються з одним атомом даного репрезентативного елемента, в перші три періоди періодичної таблиці змінюється (як показано на малюнку 7-5) від 1 до 4 і назад до 1 знову протягом кожного періоду. Це число дорівнює або номеру групи, або 8 мінус номер групи, залежно від того, що менше. Одне лише це обличчя пропонує підказку до того, як H пов'язаний у кожній водневій сполуці.

Файл: Хімічні принципи Рис 7.5.png Файл: Хімічні принципи Рис 7.6.png

Сполуки металів з воднем, звані гідридами -в основному іонні. У лужних гідридах, таких як KH або NAh, відбувається перенесення негативного заряду на кожен атом водню. Лужні гідриди мають кристалічну структуру NaCl (глава 1), але BeH ₂ MgH ₂ і AlH ₃, проявляють нове явище, «перемикає» водень. У такому розташуванні кожен атом Н у кристалі рівновіддалений між двома атомами металу і, здається, утворює водневий міст між ними. Всякий раз, коли H має чистий негативний заряд, цей додатковий заряд, мабуть, може бути використаний для створення другого зв'язку з іншим атомом, якщо в іншому атомі є достатня потенційна здатність зв'язку. Негативно заряджений Н присутній в NAh, але не ємність для декількох зв'язків. Однак Be, Mg, і Al задовольняють і вимоги, і формуються мостові конструкції. Бор- воднева сполука B ₂ H ₆ (рис. 7-6) є прикладом водневого з'єднання всередині молекули, а інші відомі гідриди бору (такі як B ₄ H ₁₀, B ₅ H ₉, B ₅ H ₁₁, B ₆ H ₁₀, і B ₁₀ H ₁₄) все широко використовують такі водневі мости.

Сполуки водню з елементами в правій половині періодів - це невеликі молекулярні сполуки, в яких кількість атомів водню в молекулі диктується кількістю ковалентних зв'язків, які може утворити інший атом. Молекули таких сполук утримуються в кристалах тільки слабкими силами між молекулами; при цьому температура їх плавлення і кипіння дуже низькі (рис. 7 -6).

Іонні гідриди вступають в реакцію з водою для отримання основних розчинів:

Na ⁺ Н ^- + Н ₂ → Н ₂ + ОН ^- + Na ⁺

І навпаки, галогенні сполуки кислотні:

НСл + Н ₂ О → Н ₃ О ⁺ Сл ^-

**Приклад 1**
Які формули гідридів цезію (Cs) і селену (Se)? Який гідрид має вищу температуру плавлення? Напишіть збалансоване рівняння для реакції гідриду цезію з водою.
Рішення Цезій входить до групи IA. Тому формула його гідриду - CSH. Селен знаходиться в групі VIA, а його гідридом є H ₂ Se. Гідрид цезію - іонний гідрид з набагато більшою температурою плавлення, ніж у H ₂ Se, який є молекулярною речовиною з низькою температурою плавлення (і температурою кипіння). Реакція СШ з Н ₂ О дає H ₂, Cs ⁺, а ОН ^-: СШ (и) + Н ₂ О (л) → Н ₂ (г) ^+С+ОН ^-

Бінарні оксиди

Представницькі елементи утворюють оксиди з формулами, очікуваними від позицій елементів у таблиці Менделєєва; в третьому періоді цими оксидами є Na ₂ O. MgO, Al ₂ O ₃, SiO ₂, P ₂ O ₅, SO ₃ і Cl ₂ O. ₇. Оксиди елементів в нижньому лівому куті столу є міцними підставами. Вони мають великий негативний заряд на атомі О, і є іонними. Температура плавлення цих іонних оксидів зазвичай становить близько 2000° C, і багато хто розкладається перед плавленням. Вони вступають в реакцію з водою, щоб зробити основні рішення:

На ₂ О + Н ₂ О → 2На ⁺ 2ОН ^-

На іншій крайності оксиди елементів у верхньому правому куті таблиці - це сильні кислоти:

Сл ₂ О ₇ + 3Н ₂ О → 2Н ₃ О ⁺ 2КЛО

_4^-

(соляна кислота)

SO ₃ + 3H ₂ O → 2H ₃ O ⁺ SO

_4^ {2-}

(сірчана кислота)

Cl ₂ O ₇ вибухонебезпечно нестабільний, а SO ₃ енергійно реагує з водою з отриманням кислих розчинів. Кислоти були представлені тут як повністю іонізовані або дисоційовані, але це може бути настільки ж оманливим, як написання їх у їх нероз'єднаних формах: HClO ₄ і H ₂ SO ₄. Як ми бачили в главі 5, H ₂ SO ₄ лише частково дисоціюється у воді.

Між кислотними і основними оксидами лежить діагональна смуга оксидів, які є амфотерними: BeO, Al ₂ O ₃ і Ga ₂ O ₃; Geo ₂ через PBO ₂; і Sb ₂ O ₅ і Bi ₂ O ₅. (Амфотерні оксиди проявляють як кислотну, так і основну поведінку.) Вони практично не розчиняються у воді, але можуть розчинятися або кислотами, або підставами:

БеО + 2Н ₃ О ⁺ → Бе ²⁺ 3Н ₂ О

БеО + 2ОН ^- → Н ₂ + бути (ОН)

_4^ {2-}

Позначення в першому рівнянні умовні, але суперечливі. Гідратація протона позначається символом Н ₃ О ⁺. Однак катіон ^{Be 2+} також дуже сильно зволожений, особливо через його невеликі розміри. Він повинен бути записаний як Be (H ₂ O) $_n^ {2+}$ , або принаймні Be ²⁺ (aq). Але поки розуміється гідратація катіонів, її не потрібно прописати кожен раз.

Амфотерні та основні оксиди - тверді речовини з високими температурами плавлення. Наприклад, Al ₂ 0 ₃ - це абразив, відомий як корунд, або наждак; SiO ₂ - кварц. Тільки оксиди C, N, S і галогени в нормі є рідинами або газами. Контраст між C і Si в вуглекислому газу і кварцу аналогічний контрасту між C і N в алмазі і газі азоту. Різниця між C і Si виникає тому, що C може створювати подвійні зв'язки до O і, отже, утворювати молекулярну сполуку обмеженого розміру. Однак Si повинен складати одиночні зв'язки з чотирма різними атомами O; отже, він повинен припускати тривимірну мережеву структуру, в якій чотиригранно розташовані атоми Si з'єднані мостовими атомами O.

У всіх розглянутих до цих пір оксидах хімічну формулу можна передбачити з номера групи. Але є й інші оксиди, формули яких неможливо передбачити з номерів груп. Наприклад, С може утворювати СО, а також СО ₂. З'єднання N ₂ O ₅ не є єдиним оксидом азоту: NO ₂, N ₂ O ₃, NO - інші. Сірка може утворювати SO ₂_{, S 2} O ₃, S ₂ O, і S ₂ O ₇, а також SO ₃. Але в цих сполуках елемент не використовує в повній мірі свій потенціал об'єднувальної здатності. Таким чином, загальні тенденції властивостей найкраще ілюструються оксидами, які ми досліджували.

**Приклад 2**
Напишіть збалансоване рівняння реакції оксиду кальцію з водою.
Рішення Кальцій (Ca) входить до групи IIA. Тому його оксидом є СаО. Реакція така СаО (и) + Н ₂ О (л) → Са ²⁺ 2ОН ^- Рівняння показує, що СаО є сильною основою, так як його реакція з водою дає ОН ^- іони.

Резюме

Фізико-хімічні властивості елементів - це періодичні функції, не атомної ваги, а атомного номера. Мозлі припустив, і пізніше було перевірено, що атомний номер - це сумарний позитивний заряд на ядрі, рівний загальній кількості електронів навколо ядра в нейтральному атомі.

Особливо стійкі, інертні елементи зустрічаються з інтервалами 2, 8, 8, 18, 18 і 32 за атомним номером. Ці інтервали, і тільки самі базові знання подібності між елементами, привели до формулювання періодичної таблиці, в якій подібні елементи знаходяться у вертикальних колонках або групах, і в яких хімічні властивості впорядковано змінюються вздовж горизонтальних рядів або періодів. Повна розширена таблиця Менделєєва може бути складена в компактну форму, яка ілюструє поділ елементів на три категорії: чим диверсифіковані репрезентативні елементи, тим більше схожі перехідні метали і практично ідентичні внутрішні перехідні метали.

Співвідношення між об'єднаною ємністю та груповим номером у таблиці Менделєєва можна проілюструвати гідридами та оксидами представницьких елементів. Елементи в лівій нижній частині таблиці Менделєєва - метали. Їх гідриди і оксиди є іонними, а водні розчини цих сполук є основними. Елементи в правому верхньому куті таблиці є неметалами. Їх водневі сполуки та оксиди - це невеликі молекули з ковалентними зв'язками; вони є газами або рідинами, і кислі. Між двома крайностями у верхньому правому та нижньому лівому куті в таблиці є градація властивостей. Оскільки елементи переходять від неметалів через напівметали до металів, їх водневі сполуки переходять від кислих, до нейтральних або інертних, до основних (хоча існує багато ускладнень для цієї загальної тенденції), а оксиди протікають більш регулярним чином від кислого, до амфотерного, до основного.