§15. Общая характеристика элементов подгруппы кислорода и их простых веществ.

Подробное решение §15 для учащихся 9 класса, Учебник по химии, авторы: Н.Е. Кузнецова, И.М. Титова, издательский центр «Вентана-Граф».

? Что называют группой элементов? По каким признакам элементы объединяются в группу?

Группой элементов в Периодической системе химических элементов называют вертикальный столбец элементов, обладающих однотипным электронным строением. Это последовательность атомов по возрастанию заряда ядра.

Признаки объединения

Одинаковое число валентных электронов (электронов на внешнем энергетическом уровне). Номер группы определяется количеством электронов на внешней оболочке атома и, как правило, соответствует высшей валентности атома.
Сходное электронное строение. Атомы элементов, расположенных в одной группе, имеют сходное строение внешнего электронного уровня. Например, у элементов VI группы валентными являются 6 электронов внешнего электронного уровня — два s- и четыре p-электрона.
Высшая степень окисления, проявляемая элементом. Это также может быть признаком объединения элементов в группу. Например, водород одновременно входит и в I, и в VII группы Периодической системы Д. И. Менделеева, так как может проявлять степени окисления +1 и -7.

Виды

В короткопериодном варианте периодической системы группы подразделяются на подгруппы:

Главные (или подгруппы A) — начинаются с элементов первого и второго периодов.
Побочные (подгруппы В) — содержат d-элементы.

Подгруппы также имеют названия по элементу с наименьшим зарядом ядра (как правило, по элементу второго периода для главных подгрупп и элементу четвёртого периода для побочных подгрупп).

Свойства

Элементы, объединённые в одну группу, обладают сходными химическими свойствами. Некоторые закономерности:

С возрастанием заряда ядра у элементов одной группы из-за увеличения числа электронных оболочек увеличиваются атомные радиусы.
Происходит снижение электроотрицательности.
Усиливаются металлические и ослабляются неметаллические свойства элементов.
Усиляются восстановительные и ослабляются окислительные свойства образуемых ими веществ.

Однако есть и исключения из этих закономерностей — например, в группе 11 по направлению сверху вниз электроотрицательность возрастает, а не убывает.

Выделите известные вам закономерности в изменении свойств элементов главной подгруппы.

В главных подгруппах (А-группах) Периодической таблицы химических элементов с возрастанием порядкового номера элемента (сверху вниз) изменяются свойства элементов. Эти закономерности касаются металлических и неметаллических свойств, электроотрицательности и химической активности.

Периодичность изменения свойств объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней атомов.

Металлические свойства

В группе A возрастают:

способность атомов отдавать электроны (восстановительные свойства);
металлические свойства элементов и образованных ими простых веществ.

Это связано с тем, что с увеличением заряда ядра атома увеличивается число электронных слоёв в электронной оболочке, и внешние электроны всё слабее притягиваются к ядру, что возрастает способность атома отдавать электроны.

Неметаллические свойства

В группе A ослабевают:

неметаллические свойства элементов и образованных ими простых веществ;
кислотные свойства высших оксидов и соответствующих им гидроксидов.

Это объясняется тем, что с увеличением заряда ядра атомов радиусы атомов увеличиваются, и чем меньше радиус, тем сильнее электроны внешнего уровня связаны с ядром, и тем слабее выражены металлические и сильнее неметаллические свойства элемента.

Электроотрицательность

В группе A с увеличением заряда ядра атома относительная электроотрицательность химического элемента уменьшается. Это связано с тем, что чем меньше радиус атома, тем сильнее внешние электроны притягиваются к ядру, а значит, больше значение электроотрицательности.

Например, в VIIА-группе (галогены: F, Cl, Br, I, At) с увеличением заряда ядра атома радиус атома увеличивается, а значение относительной электроотрицательности уменьшается.

Химическая активность

В группе A не изменяются:

высшие степени окисления (для большинства элементов численно равны номеру группы);
низшие степени окисления (для неметаллов равны вычитанию 8 из номера группы).

Это объясняется тем, что элементы одной группы имеют сходные электронные конфигурации внешнего слоя, число электронов на котором равно номеру группы.

По каким общим признакам элементы объединяются в подгруппы?

Элементы в Периодической системе химических элементов объединяются в подгруппы по разным признакам, которые зависят от типа подгруппы — главной или побочной. Деление групп на подгруппы основано на различии в заполнении электронами энергетических уровней.

Главные подгруппы

В главную подгруппу входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешних ns- и np-подуровнях. Некоторые особенности:

Атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних (последних) уровнях число электронов, равное номеру группы (валентные электроны).
Сверху вниз по подгруппе наблюдается усиление металлических (и ослабление неметаллических) свойств.
Элементы главных подгрупп характеризуются также валентностью по водороду: летучие водородные соединения образуют элементы IV, V, VI и VII групп.

Примеры:

Элементы главной подгруппы 1-й группы — щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr).
Элементы главной подгруппы 2-й группы — щёлочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba, Ra).
Элементы главной подгруппы 7-й группы — галогены (F, Cl, Br, J, At).

Побочные подгруппы

В побочную подгруппу входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешнем ns-подуровне и внутреннем (n — 1) d-подуровне (или (n — 2) f-подуровне). Некоторые особенности:

Элементы побочных подгрупп (d-элементы) называют переходными элементами или переходными металлами (все d-элементы — металлы).
В короткой форме периодической таблицы символы d-элементов располагают не под символами других элементов данной группы, а выделяют в отдельную побочную подгруппу.

Примеры:

d-элементы титан (Ti), цирконий (Zr), гафний (Hf) и резерфордий (Rf) — элементы побочной подгруппы IV-й группы.
Элементы побочной подгруппы IV-й группы: углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb) — элементы главной подгруппы той же IV-й группы.

? Сколько электронов во внешнем электронном слое у элементов VIA-группы?

6 электронов — количество электронов на внешнем электронном слое атомов элементов VIA-группы (халькогенов) в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Конфигурация внешнего энергетического уровня — ns²np⁴.

Свойства

Строение внешнего электронного слоя элементов VIA-группы влияет на их свойства, например:

В невозбуждённом состоянии атомы халькогенов содержат на внешнем энергетическом уровне два неспаренных электрона, поэтому имеют валентность II.
В возбуждённом состоянии у атомов халькогенов происходит «распаривание» валентных электронов и увеличение валентности: ns²np³nd¹ — валентность IV, ns¹np³nd² — валентность VI.
Присоединяя два электрона, атомы халькогенов в соединениях с водородом и металлами проявляют низшую степень окисления — –2. Высшая степень окисления халькогенов, кроме кислорода, — +6.

Установите сходство и различия в электронных структурах атомов кислорода и серы.

Сходство в электронных структурах атомов кислорода и серы:

Оба элемента относятся к VI группе периодической системы
На внешнем энергетическом уровне у обоих элементов находится 6 валентных электронов
Электронная конфигурация внешнего уровня заканчивается на p⁴

Различия в электронных структурах:

Кислород имеет 2 энергетических уровня, а сера — 3
У кислорода электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁴
У серы электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴
Сера имеет d-подуровень в третьем энергетическом уровне, которого нет у кислорода
Из-за большего радиуса атома у серы электроны на внешнем уровне слабее связаны с ядром

Эти различия в электронных структурах приводят к тому, что сера проявляет более металлические свойства, чем кислород, и способна к образованию дополнительных связей за счёт d-орбиталей.

Вопросы и задания

1. Какие элементы относят к VIA-группе, какие из них халькогены и почему их так называют?

Ответ:

В VIA-группу входят: кислород O, сера S, селен Se, теллур Te, полоний Po. Все элементы VIA-группы принято называть халькогенами. Слово «халькогены» в переводе с греческого означает «руды рождающие», как правило в состав руд входит 1 или более элементов VIA-группы, поэтому их так называют.

2. Дайте сравнительную характеристику халькогенов и галогенов и укажите на закономерности изменения их свойств в подгруппе.

Ответ:

Халькогены располагаются в VIА-группе, а галогены VIIА-группе. У халькогенов на внешнем энергетическом уровне 6 электронов, а у галогенов 7 электронов. В подгруппах халькогенов и галогенов сверху вниз увеличивается радиусы атомов, уменьшается электроотрицательность атомов, ослабевают неметаллические и усиливаются металлические свойства. Халькогены образуют высшие оксиды состава RO3, а галогены R2O7. С водородом халькогены образуют летучие водородные соединения состава H2R, а галогены HR.

3. В ряду H₂O ⟶ H₂S ⟶ H₂Se ⟶ H₂Te кислотные свойства

1) усиливаются

2) ослабевают

3) не изменяются

4) сначала ослабевают, затем усиливаются.

Ответ:

В данном ряду кислотные свойства усиливаются, так как уменьшается полярность связи между атомом водорода и атомом халькогена, в следствии этого уменьшается и прочность связи H–Халькоген.

4. В ряду SO₃ ⟶ SeO₃ ⟶ TeO₃ кислотные свойства

1) усиливаются

2) ослабевают

3) не изменяются

4) сначала усиливаются, затем ослабевают

Ответ:

2) ослабевают

5. Составьте уравнения реакций серы, селена и теллура с кислородом и цинком. Дайте названия полученным веществам.

Ответ:

S + O₂= SO₂ оксид серы (IV)

S + Zn = ZnS сульфид цинка

Se + O₂ = SeO₂ оксид селена (IV)

Se + Zn = ZnSe селенид цинка

Te + O₂ = TeO₂ оксид теллура (IV)

Te + Zn = ZnTe теллурид цинка

6. Используя знания о проводниках, полупроводниках и диэлектриках, объясните, почему электропроводность полупроводников селена и теллура увеличивается при их нагревании и освещении.

Ответ:

С ростом температуры в полупроводнике увеличивается число свободных электронов, чем больше свободных электронов, тем больше электропроводность.

Содержание