Периодический закон в школьной химии: периодические изменения свойств переходных элементов

Mendeleev and mayer′s periodic law at russian school: about periodic dependencies of d-elements

Сикачина А.А.

10.01.2021 226

1(79)

02. Теория и методика обучения и воспитания

Цитировать:

Сикачина А.А. Периодический закон в школьной химии: периодические изменения свойств переходных элементов // Universum: психология и образование : электрон. научн. журн. 2020. 1(79). URL: https://7universum.com/ru/psy/archive/item/11147 (дата обращения: 09.05.2024).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

Выражается идея о целесообразности более подробного изучения периодических зависимостей внутри побочных подгрупп (составляющих поделочные и драгоценные металлы) Периодической системы Д.И. Менделеева в рамках профильных классов школ. Современные учебно-методические пособия предлагают к изучению таковых лишь внутри главных подгрупп, что, по мнению автора, проводит мимо сознания учащегося некоторые аспекты строения вещества и распространенности его в природе — выборочно рассмотрены достоинства некоторых пособий. Указывается на многие могущие быть интересными как для учителя химии, так и для обучающихся свойства ионов d-металлов.

ABSTRACT

The review article expresses the idea of the expediency about more detailed study of periodic dependencies within side subgroups (it is ornamental and precious metals) within the framework of specialized schools classes. Modern teaching aids offer to study those only the main subgroups, which, according to the author, ignores some aspects of the substance structure and its prevalence in nature by the pupil′s consciousness. In this article, many properties of ions that may be interesting both for the teacher and for students are indicated.

Ключевые слова: периодический закон, ионы, побочная подгруппа, неметаллы, d-металлы, поляризация, учитель химии

Keywords: periodic law and table, ions, side subgroup, metals, d-elements, polarization, chemistry teacher

Изучение Периодического закона и табличного его воплощения производится в курсе химии 8-11 классов школ различной дифференциации по различным учебным комплектам с присущими каждому комплекту достоинствами и недостатками [1]. Однако, уделяя должное внимание рассмотрению периодической зависимости внутри главных подгрупп Периодической таблицы, ни в одном учебном комплекте не рассмотрено изменение периодической зависимости внутри побочных подгрупп. Многие учебные пособия и методические комплексы довольно скупо сообщают, что в побочной подгруппе находятся только металлы, и они являются крупным «амфотерным буфером» (т. н. переходные) между типичными металлами и типичными неметаллами в составе больших периодов Периодической системы [2].

Необходимость более наглядного обучения химии подчеркивается, в частности, в [3].

Самое лучшее освещение вопроса о химии переходных металлов, как и ожидается, представлено в учебниках углубленного уровня изучения химии. Так, в [4] и [5] изучаются химические свойства хрома, марганца, меди, серебра, цинка, ртути, явления «провала» («проскока») электрона и ковалентной связи внутри иона Hg₂²⁺(в последнем также явление перехода иона из металлического в неметаллический на примере марганца, как и в [6]). В [7] отмечено, что активность металлов побочной подгруппы проявляется наоборот, чем у металлов (и неметаллов) главной. Особо автор отмечает [8]: даёт наиболее разносторонние сведения о металлах побочной подгруппы, очень доступно и интересно рассматриваются аспекты университетского уровня.

Строение валентного электронного слоя внутри атомов и ионов переходных металлов не столь разительно изменяется или схоже соответственно при движении по горизонтали и вертикали в главных подгруппах (главным образом, из-за застройки электронами предвнешнего уровня, а также «провала» электрона), и обучающемуся сложнее это понять. Такую интерпретацию описанных выше недостатков приводит автор данной статьи.

Вместе с тем там присутствует достаточно четкое периодическое изменение (пусть и не основоопределяющее) как горизонтально по рядам, так и вертикально. По мнению автора, изучение его необходимо тем паче, что оно увязано с такими изучаемыми подтемами, как «распространенность в природе» и «строение вещества», а также с образованием и устойчивостью комплексных соединений. Немаловажно и то, что упоминаемое достаточно четкое периодическое изменение оказывает влияние на химические свойства d-металлов — поделочных, драгоценных.

Данная обзорная статья призвана дать учителю химии некий инструмент для расширения кругозора учащихся, т.е. уменьшить количества формального запоминания, увеличив при этом понимание по принципу «почему именно так, а не иначе». При этом учащемуся станет понятно, почему металл способен «переходить в неметалл» (трактовка, осознаваемая учителями химии, но не применяемая и не объясняемая ими), поскольку происходит: а) образование сильных кислот (пусть и неустойчивых) б) ковалентных неполярных и кратных связей, так же, как не поясняется, почему соединение двух атомов неметалла (как в NH₄⁺) не только становится в кристаллической решетке соли на место металла, но и придает веществу пусть и некоторые, но характеристики солей калия.

Элементы побочных подгрупп (как известно и как указано выше, все они металлы) имеют склонность к проявлению «побочной» валентности, реализуемой двумя путями: а) отдача электронов с предвнешнего уровня (Cr⁶⁺в K₂Cr₂O₇) или б) использование незанятых орбиталей как акцепторов (внутри [Cu(NH₃)₄]²⁺). Подобное явление возникает и у немногих элементов-металлов главных подгрупп, но таким многообразием и устойчивостью оно не отличается.

Ниже приводится список периодических изменений внутри конкретного ряда и по рядам, которые могут быть использованы в объяснительном аппарате учителя химии.

Таблица 1 характеризует периодические изменения слева направо:

Таблица 1.

Периодическое внутрирядовое свойство иона и необходимость изучения

Явление, изменяющееся слева направо по конкретному ряду	Какие темы и разделы дополняет, что конкретизирует учащимся
Усиливается склонность металла к благородству.	Позволит учащемуся увидеть периодизацию также и в ценности металла, зная, что платиновые металлы наиболее дороги.
Если металл начала 3d-ряда, в природе он встречается в виде оксида или соли с оксоанионом. Металлы правее железа в природе встречаются в виде сульфида или арсенида.	Позволит учащемуся в подтеме «нахождение в природе» применить явление периодичности.
Сульфиды металлов начала 3d-блока являются слоистыми, имея катенированные ионы серы, конца 3d-блока имеют дискретные ионы S₂^2-	Поясняет учащимся существование пирита, поскольку с позиций валентности его формулу невозможно объяснить, а только запомнить.
Сульфиды металлов 4d и 5d –блоков есть полисульфиды, которые построены из чередующихся слоев ионов S^2- и металла.	Расширяет для учащихся трактовку понятия «кристаллическая решетка». Знакомит с аналогами пирита (PtS₂, МоS₂). Помогает учащимся сравнить устойчивость ионов О₂^2-и S₂^2-.
Устойчивость степени окисления иона +2 (в частности, в оксидах и галогенидах).	Позволяет учащимся видеть усиление окислительных свойств ионов, знакомит со стерическим эффектом (существует Mn₂O₇, но не MnF₇).
В низких степенях окисления левая часть d-блока имеет ковалентные связи «металл-металл» или даже «металл≡лиганд», если есть π-донорные лиганды (учитель предварительно поясняет, какие), ковалентные связи «металл-металл» дают 4d и 5d-металлы, а 3d дают комплексы «металл²⁺» с σ-донорными лигандами.	Сведения расширяют кругозор ученика; даже не изучив тему «комплексные соединения», он понимает, что ковалентные неполярные связи – не прерогатива неметаллов; также формируется понимание, что наличие ковалентных неполярных связей в составе кристаллических решеток металлов d-блока и придаёт им поделочные свойства: большая прочность, твердость, высокие температуры плавления, кипения, возгонки, высокая теплота сублимации.
Устойчивость ионов [металл(H₂O)₆]²⁺к окислению водой и воздухом увеличивается.	Не только изучение (повторение), но и периодизация гидратационного процесса, чаще всего не считаемого химической реакцией.

Таблица 2 характеризует периодические изменения сверху вниз сквозь ряды, их меньше.

Таблица 2.

Периодическое межрядовое свойство иона и необходимость изучения

Явление, изменяющееся сверху вниз по рядам	Какие темы и разделы дополняет, что конкретизирует учащимся
Устойчивость иона в высшей степени окисления растет (для титана состояние Ti³⁺яаляется стабильным, для циркония и гафния стабильно Zr⁴⁺и Hf⁴⁺ т. к. у них крупный объем атома и иона).	Не только изучение, но и периодизация непосредственных химических свойств. Учащиеся вспоминают, что радиус атома сверху вниз возрастает, и осваивают понятие «вторичная периодичность».
Большее координационное число в комплексных соединениях и оксоанионах.	Учащиеся обращают внимание на общность с органической химией, где высокие индексы внутри формул являются обычным положением.
5- и 6- координационные оксоанионы (характерные для 4d- и 5d-металлов) объединяются как вершинами, так и ребрами через ковалентные связи, что объясняет многообразие веществ.	Учащиеся обращают внимание на общность с органической химией, соединения которой также многообразны. Дополняет раздел «строение вещества».
Растет прочность ковалентной связи «металл-металл».	Учащиеся узнают, что именно влечет за собой понижение электропроводности, как в вольфрамовом волоске ламп накаливания.

Не менее интересным и полезным для учащихся может стать периодическая зависимость цвета соединений от положения иона в Периодической системе и его заряда. Это означает возможность к прогнозированию наличия либо отсутствия цвета и, может быть, даже оттенка такового. Литературный источник [9] связывает это явление с поляризующим эффектом катиона d-металла. Цвет практически исключительно характерен для соединений металлов побочных подгрупп.

Слева направо наблюдается рост поляризующего действия: усиление цвета в ряду: Sc₂O_3,TiO_2,V₂O_5,CrO_3,Mn₂O₇(цвета имеют соответственно: бесцветный, бесцветный, оранжевый, красный, зеленый) из-за возрастания поляризующего действия катиона в связи с ростом его степени окисления и снижением радиуса. Сверху вниз наблюдается падение поляризующего действия: для изозарядных рядов (возрастание радиуса) Ta⁵⁺- V⁵⁺, W⁶⁺- Cr⁶⁺, Re⁷⁺- Mn⁷⁺наблюдается а) увеличение силы кислот, окислительной активности, цвета и б) уменьшение их устойчивости. Приводится в пример последний ряд: частицы MnO₄^—и HMnO₄(цвета имеют соответственно: фиолетовый, фиолетовый), TcO₄^—и HTcO₄(цвета имеют соответственно: бесцветный, темно-красный), ReO₄^—и HReO₄(цвета имеют соответственно: бесцветный, бесцветный).

Также существует некая «ионная» периодичность: низковалентные ионы окрашены интенсивно, высоковалентные – бесцветны: усиление цвета в ряду: TiCl_4,TiCl_3,TiCl_2,(цвета имеют соответственно: бесцветный, фиолетовый, черный), VF_5,VF_3,VF₂(цвета имеют соответственно: бесцветный, черный, желтый), ZrCl_4,ZrCl_3,ZrCl₂(цвета имеют соответственно: бесцветный, коричневый, черный).

Вывод: приведенные в статье факты, хотя и являются достаточно фрагментарными, все же несут значительную характеристику иона. Применив освещенные факты в своей деятельности, учитель химии может показать, помимо вышеизложенного, что свойства ионов побочной подгруппы как сходны со свойствами ионов главной подгруппы, например, в ряду: Tl₂O_,PbO_,Bi₂O₃(цвета имеют соответственно: бесцветный, желтый, оранжевый), так и зачастую противоположны, чем аналогичные свойства ионов главной подгруппы. Так, если взять аналоги V⁵⁺, Cr⁶⁺, Mn⁷⁺, т. е. P⁵⁺, S⁶⁺, Cl⁷⁺ , то в изменении свойств их кислот есть резкое различие: хотя сила кислот и растет, но также увеличивается их устойчивость, поэтому все прочие свойства проявляются наоборот. С другой стороны, при образовании катиона NH₄⁺связи N-H получают большую ионную составляющую и уменьшение размера по сравнению с NH₃ из-за сильнейшей поляризации последнего H⁺. Поэтому NH₄⁺по радиусу близок К⁺, дает соли ионного характера (аналогично происходит и в катионе РH₄⁺(химические связи практически неполярны), но 3s² – пара фосфора малоактивна для донорно-акцепторного взаимодействия, а если и образуется катион фосфония, то в основном за счет поляризации H⁺) [9].

Список литературы:

Каримов М.Ф. Состояние и задачи совершенствования химического и естественно-математического образования молодежи // Башкирский химический журнал. – 2009. – Т. 16. - № 1. - С. 26 – 29.
Габриелян О.С. Химия: 11 класс: учеб для общеобраз. учреждений/О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова – 3-е изд. М.: Дрофа, 2003 стр. 190-202.
Shabanova, Irina & Kovaleva, Svetlana & Poleshchuk, Oleg & Fateyev, Aleksandr. (2020). Сomputer modeling as one of the components of external chemistry activities at high school. Pedagogical Review. DOI: 10.23951/2307-6127-2020-2-150-160.
Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкнн А. Н. Химия: Учебник для учащихся 11 кл общеобразовательных учреждений (профильный уровень): в 2 ч. Ч. 2 / Под ред. проф. Н.Е. Кузнецовой.- М. : Вентана-Граф, 2008.- стр 140-162.
Химия: Учеб. для учащихся 9 кл. общеобр учреждений – 2-е изд., испр / Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н. – М.: Вентана-Граф, 2006, стр. 234.
Кузнецова, Н.Е. Химия. Учебник для учащихся 8 кл. общеобразовательных учреждений (для естественнонаучных классов)/ Н.Е. Кузнецова, И.М. Титова, Н.Н. Гара., 2-е изд., переработ - М.: Вентана-Граф, 2004, стр 152-164.
Химия. 10 класс. Учебник для общеобр учеб. Заведений / Гузей Л.С., Суровцева Р.П., 6-е изд., испр: М.: Дрофа, 2002 – стр. 113-117.
Кузнецова Л.М. Химия: 10 класс, учебник для общеобр учреждений. М: Мнемозина, 2006, стр 145-196.
Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. В 2 т., т. 1 / пер. с англ. А.И. Жирова, Д. О. Чаркина, М. Г. Розовой. – М.: Мир, 2004, 486 с. (Лучший зарубежный учебник).

Информация об авторах