Номер 275, страница 46 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

275. Расположите следующие частицы в порядке увеличения их радиусов:

а) $Na$, $Na^+$, $Cl$;

б) $Cl$, $Cl^+$, $Cl^-$;

в) $Al^{3+}$, $Mg^{2+}$, $Al$;

г) $Na^+$, $Mg^{2+}$, $Na$;

д) $F^-$, $Ne$, $Na$;

е) $Li^+$, $F$, $Na$.

Для определения порядка увеличения радиусов частиц будем использовать следующие общие закономерности изменения радиусов атомов и ионов:

• В пределах одного периода периодической системы радиус атомов, как правило, уменьшается слева направо с ростом заряда ядра.
• В пределах одной группы (главной подгруппы) радиус атомов увеличивается сверху вниз с ростом числа электронных слоев.
• Радиус катиона (положительного иона) всегда меньше радиуса соответствующего ему нейтрального атома. Это связано с тем, что при отдаче валентных электронов может исчезнуть целый электронный слой, а также с тем, что оставшиеся электроны сильнее притягиваются к ядру.
• Радиус аниона (отрицательного иона) всегда больше радиуса соответствующего ему нейтрального атома. Добавление электронов усиливает межэлектронное отталкивание, что приводит к расширению электронной оболочки при том же заряде ядра.
• В ряду изоэлектронных частиц (атомов и ионов с одинаковым числом электронов) радиус уменьшается с увеличением заряда ядра, так как большее число протонов в ядре сильнее притягивает то же самое число электронов.

а) Na, Na$^+$, Cl

Сравним частицы Na, Na$^+$ и Cl. 1. Атом натрия (Na) и его катион (Na$^+$). Катион Na$^+$ образуется при потере атомом Na одного электрона с внешнего третьего электронного слоя. В результате у иона Na$^+$ остается только два электронных слоя, поэтому его радиус значительно меньше радиуса атома Na: $r(\text{Na}^+) < r(\text{Na})$. 2. Атом натрия (Na) и атом хлора (Cl) находятся в одном, третьем, периоде. Натрий находится в начале периода (группа 1), а хлор — в конце (группа 17). В периоде радиусы атомов уменьшаются слева направо, следовательно, радиус хлора меньше радиуса натрия: $r(\text{Cl}) < r(\text{Na})$. 3. Сравним катион Na$^+$ и атом Cl. У катиона Na$^+$ (11 протонов, 10 электронов) электроны расположены на двух энергетических уровнях. У атома Cl (17 протонов, 17 электронов) электроны расположены на трех энергетических уровнях. Частица с большим числом электронных слоев имеет больший радиус. Следовательно, $r(\text{Na}^+) < r(\text{Cl})$. Объединяя все неравенства, получаем: $r(\text{Na}^+) < r(\text{Cl}) < r(\text{Na})$.

Ответ: Na$^+$, Cl, Na.

б) Cl, Cl$^+$, Cl$^-$

Сравниваем атом хлора (Cl), его катион (Cl$^+$) и анион (Cl$^-$). Все эти частицы имеют одинаковый заряд ядра (+17), но разное количество электронов. 1. Катион Cl$^+$ (16 электронов) образуется из атома Cl (17 электронов) при потере одного электрона. При этом притяжение оставшихся электронов к ядру усиливается, что приводит к сжатию электронной оболочки: $r(\text{Cl}^+) < r(\text{Cl})$. 2. Анион Cl$^-$ (18 электронов) образуется из атома Cl (17 электронов) при присоединении одного электрона. Дополнительный электрон усиливает межэлектронное отталкивание, что ведет к увеличению радиуса: $r(\text{Cl}) < r(\text{Cl}^-)$. Таким образом, радиусы располагаются в следующем порядке: $r(\text{Cl}^+) < r(\text{Cl}) < r(\text{Cl}^-)$.

Ответ: Cl$^+$, Cl, Cl$^-$.

в) Al$^{3+}$, Mg$^{2+}$, Al

Сравним частицы Al$^{3+}$, Mg$^{2+}$ и Al. 1. Атом алюминия (Al) и его катион (Al$^{3+}$). Катион Al$^{3+}$ образуется при потере атомом Al трех электронов с внешнего третьего электронного слоя. В результате у иона Al$^{3+}$ остается два электронных слоя, поэтому его радиус значительно меньше радиуса атома Al: $r(\text{Al}^{3+}) < r(\text{Al})$. 2. Ионы Al$^{3+}$ и Mg$^{2+}$ являются изоэлектронными, так как оба содержат 10 электронов. Заряд ядра у Al$^{3+}$ равен +13, а у Mg$^{2+}$ — +12. Чем больше заряд ядра, тем сильнее оно притягивает электроны и тем меньше радиус иона. Следовательно, $r(\text{Al}^{3+}) < r(\text{Mg}^{2+})$. 3. Сравним ион Mg$^{2+}$ и атом Al. У иона Mg$^{2+}$ электроны расположены на двух слоях, а у атома Al — на трех. Частица с большим числом электронных слоев имеет больший радиус. Следовательно, $r(\text{Mg}^{2+}) < r(\text{Al})$. Объединяя неравенства, получаем: $r(\text{Al}^{3+}) < r(\text{Mg}^{2+}) < r(\text{Al})$.

Ответ: Al$^{3+}$, Mg$^{2+}$, Al.

г) Na$^+$, Mg$^{2+}$, Na

Сравним частицы Na$^+$, Mg$^{2+}$ и Na. 1. Атом натрия (Na) и его катион (Na$^+$). Катион Na$^+$ образуется при потере атомом Na внешнего электрона, что ведет к уменьшению радиуса и потере третьего электронного слоя: $r(\text{Na}^+) < r(\text{Na})$. 2. Ионы Na$^+$ и Mg$^{2+}$ являются изоэлектронными, оба имеют по 10 электронов. Заряд ядра у Na$^+$ равен +11, а у Mg$^{2+}$ — +12. Ион с большим зарядом ядра (Mg$^{2+}$) будет иметь меньший радиус: $r(\text{Mg}^{2+}) < r(\text{Na}^+)$. Таким образом, получаем следующий порядок увеличения радиусов: $r(\text{Mg}^{2+}) < r(\text{Na}^+) < r(\text{Na})$.

Ответ: Mg$^{2+}$, Na$^+$, Na.

д) F$^-$, Ne, Na

Сравним частицы F$^-$, Ne и Na. 1. Ион фтора F$^-$ и атом неона Ne являются изоэлектронными, оба имеют по 10 электронов и два электронных слоя. Заряд ядра у F$^-$ равен +9, а у Ne — +10. Частица с меньшим зарядом ядра (F$^-$) имеет больший радиус из-за более слабого притяжения электронов: $r(\text{Ne}) < r(\text{F}^-)$. 2. Атом натрия Na имеет 11 электронов, расположенных на трех электронных слоях. Так как у Na больше электронных слоев, чем у F$^-$ и Ne (у которых их два), его радиус будет самым большим. Следовательно, порядок увеличения радиусов: $r(\text{Ne}) < r(\text{F}^-) < r(\text{Na})$.

Ответ: Ne, F$^-$, Na.

е) Li$^+$, F, Na

Сравним частицы Li$^+$, F и Na. Основным фактором, влияющим на радиус в данном ряду, является число электронных слоев. 1. Ион лития Li$^+$ имеет 2 электрона на одном электронном слое ($n=1$). 2. Атом фтора F имеет 9 электронов на двух электронных слоях ($n=2$). 3. Атом натрия Na имеет 11 электронов на трех электронных слоях ($n=3$). Радиус частицы напрямую зависит от числа электронных слоев. Чем больше слоев, тем больше радиус. Таким образом, порядок увеличения радиусов следующий: $r(\text{Li}^+) < r(\text{F}) < r(\text{Na})$.

Ответ: Li$^+$, F, Na.