Атомное строение и периодический закон

Фильтр может разделить песок и солевой раствор, но не может разделить натрий и хлор в кристалле соли. Разница заключается в химической связи. Эта тема связывает частицы вещества с методами разделения, атомными моделями и закономерностями реакций.

Используйте предоставленную периодическую таблицу для определения элементов. Подсчитайте атомы перед уравниванием уравнения; подсчитайте протоны перед определением элемента. Ионные/полууравнения для старшего уровня и спецификация по химии переходных металлов обозначены ниже.

Атом — наименьшая часть элемента, способная существовать самостоятельно. Элемент состоит из атомов с одинаковым порядковым номером. Он может быть представлен отдельными атомами, например гелием, или молекулами, такими как O₂. Молекула O₂ содержит два атома, но относится к одному элементу.

Соединение содержит два или более элементов, химически связанных в строго определённых соотношениях. H₂O всегда имеет два атома водорода на каждый атом кислорода. Соединения обладают свойствами, отличными от свойств входящих в них элементов, и распадаются на элементы только посредством химических реакций. Химическая реакция приводит к образованию одного или нескольких новых веществ и часто сопровождается изменением энергии.

Запомните названия и правильно написанные символы: Co означает кобальт, а CO — оксид углерода (II). Используйте первые двадцать элементов, группы 1 и 7, а также другие названные элементы, изучаемые в данном курсе. Первые двадцать:

Химические формулы указывают состав: MgCl₂ — хлорид магния; Na₂O — оксид натрия. Словесное уравнение называет реагенты и продукты: магний + кислород → оксид магния. Символьное уравнение использует их формулы.

Worked method — balancing: start with Mg + O₂ → MgO. There are two oxygen atoms on the left and one on the right. Put 2 before MgO, then 2 before Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO. Check Mg: 2 = 2; O: 2 = 2. Change whole-particle coefficients, not the subscripts in a substance's formula. MgO₂ would be a different formula. Three H₂O molecules contain six H atoms and three O atoms.

Более высокий уровень — заряд и атомы: цинк образует Zn²⁺, отдавая два электрона: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Обе части имеют общий нулевой заряд. Ион меди принимает два электрона: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Суммирование полуреакций сокращает электроны: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Сульфат-ионы, присутствующие в растворе без изменений, являются ионами-наблюдателями и опускаются. После сокращения проверьте количество атомов и суммарный заряд; не сокращайте виды, которые претерпевают изменения.

Смесь содержит вещества, не связанные химически. Каждое сохраняет свои химические свойства. Физическое разделение не приводит к образованию новых веществ; выберите метод, основанный на свойствах компонентов и необходимом вам продукте.

Разбор метода — получение чистой сухой соли из смеси песка, соли и воды: размешайте, чтобы растворить оставшуюся соль. Отфильтруйте; песок останется на бумаге, а раствор соли пройдет сквозь нее. Нагревайте фильтрат осторожно, чтобы выпарить часть воды, затем охладите для образования кристаллов. Отфильтруйте кристаллы и высушите их между листами фильтровальной бумаги. Промывание песка небольшим количеством воды позволяет получить раствор соли, задержанный вместе с песком. Одна фильтрация не позволит собрать растворенную соль.

Перегонка позволяет получить жидкость путем последующей конденсации после испарения.

Разбор выбора — если нужно получить воду вместо соли: используйте простую перегонку. Нагрейте солевой раствор; водяной пар покидает флакон, охлаждается в конденсаторе и собирается в виде жидкой воды. Выпаривание без сбора пара приведет к потере целевого продукта. Фракционную перегонку выбирают для двух смешивающихся жидкостей; фильтр не способен их разделить. Для хроматографии линию карандаша следует располагать выше уровня растворителя, чтобы образец поднимался по неподвижному материалу, а не растворялся непосредственно в резервуаре с растворителем.

Научная модель — это представление, объясняющее наблюдаемые факты. Новые наблюдения могут изменить или заменить её. Ранние атомы представлялись крошечными неделимыми сферами. Открытие отрицательно заряженных электронов потребовало наличия внутренней структуры, что привело к созданию модели «пудинга с изюмом»: электроны были представлены как включенные в распределенный шар положительного заряда.

При рассеянии альфа-частиц большинство положительных альфа-частиц проходили сквозь тонкую металлическую фольгу, некоторые отклонялись, и лишь очень немногие возвращались назад. Эти наблюдения позволяют сделать следующие выводы:

Ядерная модель заменила распределенный положительный заряд крошечным положительно заряженным ядром и окружающими электронами. Бур предположил, что электроны занимают определенные расстояния/энергетические уровни, что согласуется с наблюдениями. Позднейшие исследования идентифицировали протоны как единицы положительного заряда ядра. Доказательства Чедвика подтвердили наличие нейтронов в ядре примерно через двадцать лет после принятия ядерной модели. Детальное описание экспериментального оборудования Бора и Чедвика не требуется.

Разбор объяснения: утверждение «некоторые частицы отскочили, значит весь атом сплошной» противоречит наблюдению, что большинство частиц прошли сквозь него. Совокупность данных требует наличия маленького плотного ядра внутри преимущественно пустого атома. Модель должна учитывать полную картину, а не отдельное выбранное наблюдение.

Атомный номер Z — это число протонов, определяющее элемент. Все атомы данного элемента имеют одинаковый Z. Массовое число A равно числу протонов и нейтронов. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов, поэтому заряды компенсируются. Ион образуется при изменении числа электронов; изменение числа протонов привело бы к изменению элемента.

Разбор подсчёта частиц: атом хлора-37 имеет Z = 17. Протоны = 17; нейтроны = 37 − 17 = 20; электроны = 17. Cl⁻ принял один электрон, получив 18 электронов, в то время как протоны/нейтроны остаются 17/20. Для кальция-40: Z = 20; Ca²⁺ имеет 20 протонов, 20 нейтронов и 18 электронов.

Изотопы — это атомы одного элемента с разным числом нейтронов. Хлор-35 и хлор-37 имеют оба по 17 протонов, но соответственно 18 и 20 нейтронов. Они остаются хлором; различное массовое число не означает другой элемент.

Типичный радиус атома составляет около 0.1 нм = 1 × 10⁻¹⁰ м; 1 нм = 10⁻⁹ м. Радиус ядра менее одной десяти тысячной радиуса атома, порядка 10⁻¹⁴ м. Почти вся масса сосредоточена в ядре. Это приблизительные масштабы, а не точные размеры каждого атома.

Worked scale: if an atom's radius were enlarged to 1 m, a nucleus one ten-thousandth as large would have radius 1/10 000 m = 0.0001 m = 0.1 mm. The actual specified nucleus is smaller than that ratio. Compare radius with radius; an atom's diameter is twice its radius. Atoms of diameter about 2 × 10⁻¹⁰ m would number about 5 × 10⁶ along a 1 mm line, ignoring gaps: (1 × 10⁻³)/(2 × 10⁻¹⁰).

Относительная атомная масса Aᵣ — средневзвешенное значение по распространённости, без размерности. Она не обязательно является целым числом. Используйте процентные распространённости, а не простую среднюю величину:

Разбор среднего значения: 75% хлора-35 и 25% хлора-37 дают (35 × 75 + 37 × 25)/100 = (2625 + 925)/100 = 35.5. Это ближе к 35, потому что этот изотоп более распространён; оно находится между 35 и 37. Ни один отдельный атом не имеет «35.5 нейтронов» или массового числа 35.5.

Валентный электрон находится на высшей занятой оболочке атома и определяет его химические реакции.

Electrons occupy the lowest available energy levels first. For the first twenty neutral atoms, use the GCSE shell model: first shell up to 2, second up to 8, then 8 before the fourth begins. This is the required limited model, not a universal rule for all elements.

Разбор распределения: у кальция Z = 20, следовательно, 20 электронов. Расположите 2 в первой оболочке, 8 во второй, 8 в третьей и 2 в четвёртой: 2,8,8,2. Схема должна показывать эти четыре оболочки и то же общее количество электронов. Хлор — 2,8,7, имеет три занятые оболочки и семь валентных электронов.

Современная периодическая таблица упорядочивает элементы по числу протонов. Период — это строка; число занятых оболочек определяет период. Группа — это столбец, содержащий элементы со схожими химическими свойствами. Для главных групп 1–7 номер группы указывает число валентных электронов. Группа 0 имеет заполненную внешнюю оболочку: гелий имеет два электрона, тогда как другие благородные газы в этой модели имеют восемь. Это исключение предотвращает рассмотрение каждого члена группы как имеющего одинаковое число электронов.

Разбор предсказания: неизвестный элемент из первых двадцати имеет 2,8,1. У него 11 электронов/протонов, значит это натрий, расположен в Периоде 3 и Группе 1. Его единственный валентный электрон помогает предсказать образование иона +1 и реакции, аналогичные литию/калию. Элемент с 2,8,7 скорее примет один электрон в ионных реакциях. Положение поддерживает предсказания, но не заменяет доказательства реакций.

Ранние таблицы использовали возрастающий атомный вес до открытия субатомных частиц. Они были неполными, а строгий порядок по массе ставил некоторые элементы рядом с несходными соседями. Менделеев оставлял пробелы для открытий и иногда менял порядок массы, чтобы сохранить схожие свойства вместе. Он предсказывал свойства отсутствующих элементов; последующие открытия, соответствующие этим предсказаниям, подтвердили его расположение. Знание об изотопах объяснило, почему средний порядок атомного веса не всегда совпадал с идентичностью элемента. Современный порядок основан на числе протонов.

Разбор оценки доказательств: обнаружение элемента с предсказанными свойствами в пробеле поддерживает таблицу сильнее, чем просто открытие любого нового элемента. Неудачное предсказание побудило бы пересмотреть расположение. Оставление пробелов было проверяемым предположением, а не доказательством само по себе.

Металлы, преимущественно расположенные слева/внизу таблицы, образуют положительные ионы в реакциях за счёт потери электронов. Неметаллы, преимущественно расположенные справа/вверху, не образуют положительных ионов; они могут принимать электроны или разделять их в ковалентных связях. Большинство элементов являются металлами. Металлы обычно проводят тепло/электричество, имеют блеск и могут быть деформированы или отлиты; твёрдые неметаллы часто хрупкие и являются плохими проводниками. Это характерные закономерности с исключениями, например, проводящий графит, а не определения без исключений.

Благородные газы инертны и не образуют молекул, так как их атомы имеют стабильные заполненные внешние оболочки. Они одноатомны. Точки кипения растут вниз по группе 0 по мере увеличения относительной атомной массы. Используйте предоставленные данные о тенденции для прогнозирования промежуточного значения или того, что более поздний член группы имеет более высокую точку кипения; не утверждайте точные значения без данных.

Щелочные металлы в группе 1 имеют один внешний электрон и образуют ионы +1. Литий, натрий и калий реагируют с кислородом, образуя оксиды, с хлором — хлориды, и с водой — гидроксид металла и водород. В школьной модели: 4Li + O₂ → 2Li₂O; 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂. Не предполагайте, что каждый продукт реакции с кислородом при любых условиях имеет одинаковую формулу; используйте предоставленные формулы при уравнивании.

С водой литий шипит и медленно перемещается; натрий реагирует быстрее и часто расплавляется в движущийся шарик; калий реагирует ещё интенсивнее и может воспламениться с лиловой пламенем. Это наблюдения над демонстрационными опытами под присмотром. Реакционная способность возрастает вниз по группе: большее количество занятых оболочек размещает внешний электрон дальше от ядра с большим экранированием, поэтому он легче теряется, несмотря на больший заряд ядра.

Галогены в группе 7 имеют семь внешних электронов и образуют двухатомные молекулы: Cl₂, Br₂ и I₂. При комнатной температуре хлор — бледно-зелёный газ, бром — красно-коричневая жидкость, йод — серо-чёрное твёрдое вещество. Относительная молекулярная масса, температура плавления и температура кипения растут вниз по группе. Реакционная способность снижается: внешняя область находится дальше от ядра и лучше экранирована, поэтому притяжение входящего электрона слабее.

Галогены образуют ионные галогениды с металлами, такие как NaCl, и ковалентные соединения с неметаллами, такие как HCl. Не говорите, что все соединения галогенов содержат ионные связи. Вытеснение происходит, когда более активный галоген замещает менее активный в водном растворе галогенида.

Разобранный пример вытеснения: хлор, добавленный к бромиду калия, образует бром, давая оранжево-коричневый раствор: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Хлор принимает электроны от ионов бромида. Бром не вытесняет хлорид-ионы, так как он менее активен. Следовательно, результат «нет реакции» может помочь установить ряд активности. Для продвинутого уровня (Higher Tier): Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻; 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻; суммарная реакция: Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂. Атомы и заряд сохраняются.

Используйте хром, марганец, железо, кобальт, никель и медь в качестве примеров переходных металлов. По сравнению с металлами группы 1, они обычно имеют более высокие температуры плавления и плотности, большую прочность/твёрдость и меньшую реакционную способность с кислородом, водой и галогенами. Медь не реагирует с холодной водой, как натрий. Сравнивайте конкретные примеры и условия, а не предполагайте, что все металлы ведут себя одинаково.

Многие переходные элементы образуют ионы с разными зарядами и окрашенные соединения, а также действуют как катализаторы. Железо образует Fe²⁺ и Fe³⁺; водные соли железа(II) могут быть бледно-зелёными, а соли железа(III) — жёлтыми/коричневыми. Водные соли меди(II) часто синие. Цвет зависит от соединения/условий: не каждое соединение элемента имеет один фиксированный цвет. Железо является катализатором процесса Габера; никель катализирует гидрирование. Эти примеры иллюстрируют типичные свойства, а не свойства каждого возможного переходного соединения.

Разобранная связь формул: сульфат — это SO₄²⁻. Fe²⁺ даёт FeSO₄; Fe³⁺ требует два иона железа и три иона сульфата, давая Fe₂(SO₄)₃. Заряды балансируются до нуля в обоих соединениях. Различные пропорции/заряды железа означают разные соединения, несмотря на одни и те же три названия элементов.

• Выберите метод разделения на основе свойств компонентов и требуемого продукта; объясните, что происходит на каждом этапе.
• Сопоставьте наблюдения альфа-рассеяния с ядерной моделью, а не просто запоминайте хронологию.
• Подсчитайте частицы в атомах и ионах; рассчитайте средневзвешенное значение; различайте радиус, диаметр и масштаб.
• Представьте электронную конфигурацию первых двадцати элементов как числа и схемы оболочек, затем определите периодическое положение.
• Используйте доказательства для объяснения групповых трендов и вытеснения; сравните свойства конкретных переходных металлов с группой 1.