Условие задачи

Сравните строение атомов и свойства калия и меди и поясните, в чём проявляются сходство и различия элементов IА- и IБ-групп.

Решение

Ниже приводится подробное решение задачи, основанное на знаниях по периодической системе элементов и строению атома.

─────────────────────────────
1. Общее по расположению в таблице Менделеева

• Калий (К) принадлежит к IA-группе (щёлочные металлы).
• Медь (Ме) относится к IB-группе (медные или меднопроводящие металлы, так называемые платиновые металлы первой группы переходных металлов).

Обе группы характеризуются металлическими свойствами, однако их электронное строение и химическая активность существенно различаются.

─────────────────────────────
2. Атомное строение и электронные конфигурации

○ Калий (К):
– Атомный номер Z = 19.
– Электронная конфигурация: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹.
– Это означает, что у атома калия 18 электронов в внутренних оболочках, сходных по конфигурации с благородным газом (аргоном), и один электрон в внешней (4s) оболочке. Именно этот единственный валентный электрон отвечает за высокую реакционную способность.

○ Медь (Ме):
– Атомный номер Z = 29.
– Электронная конфигурация имеет несколько необычный вид для переходных металлов: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹.
– Хотя можно было бы ожидать конфигурацию 4s² 3d⁹, энергетическая стабилизация полностью заполненного 3d-подуровня (3d¹⁰) приводит к тому, что один из электронов смещается из 4s в 3d. Таким образом, медь имеет один электрон в 4s-оболочке, но при этом заполненный d-подуровень, что влияет на её физико-химические свойства (например, на цветность соединений или каталитическую активность).

─────────────────────────────
3. Сравнение строения атомов и связи с химическими свойствами

А) Валентность и реакционная способность
– Калий, как элемент IA-группы, имеет один валентный электрон, который очень слабо связан с ядром из-за большого атомного радиуса и малого эффективного зарядового воздействия. Поэтому калий легко отдает этот электрон, переходя в состояние К⁺ с полной электронной оболочкой (конфигурация аргона). Это объясняет высокую реакционную способность щёлочных металлов, их стремление к окислению и образование сильных оснований при реакции с водой (например, образование гидроксида калия).
– Медь, хотя тоже имеет один электрон в 4s-оболочке, является переходным металлом. Здесь дополнительно играет роль заполненный d-подуровень, который не является напрямую «валентным» при обычном химическом взаимодействии, но влияет на энергию и распределение электронов внутри атома. Из-за этого медь имеет более высокую электроотрицательность, устойчивее к потере электрона в сравнении с калием, и может проявлять переменную валентность (чаще всего +Ⅰ или +Ⅱ) в соединениях.

Б) Физико-химические свойства
– Калий характеризуется:
• Малой плотностью и низкой температурой плавления.
• Высокой реакционной способностью: мгновенно реагирует с водой с образованием гидроксида калия и водорода.
• Типичной металлической блеском, но его «мягкость» связано с особенностями кристаллической решётки щёлочных металлов.
– Медь обладает:
• Высокой электрической и тепловой проводимостью, что связано с характером её металлической связи.
• Высокой плотностью и температурой плавления по сравнению с калием.
• Специфичной окраской соединений, что объясняется переходными d-переходами (d–d переходами) в электронах меди.

─────────────────────────────
4. Сходства и различия элементов IA- и IB-групп

Сходства:
– И те, и другие являются металлами, имеют металлический блеск, хорошую проводимость тепла и электричества, а также склонны образовывать металлические кристаллические решётки.
– И калий, и медь имеют по одному электрону в своей внешней s-оболочке (хотя это утверждение характерно при рассмотрении простейшей модели электронного строения).

Различия:
– Основная разница в строении атомов заключается в наличии заполненного d-подуровня у элементов IB-группы, чего не наблюдается у элементов IA-группы. У меди d-подуровень (3d¹⁰) существенно влияет на её химические свойства, такие как способность образовывать комплексные соединения, переменная валентность и характер каталитической активности.
– Ряд химических свойств также различается: щёлочные металлы (IA) очень реакционноспособны, легко отдают свой один электрон, тогда как элементы IB, в том числе медь, обладают более устойчивой электроотрицательностью, что приводит к более умеренной реакционной способности и возникновению характерных окислительно-восстановительных процессов в её соединениях.
– Физические свойства, такие как температура плавления, плотность, и механические характеристики, у элементов IB обычно заметно выше (медь – тверже, плотнее, имеет большее число структурных особенностей, чем калий).

─────────────────────────────
5. Итог

Калий – типичный представитель щёлочных металлов с предсказуемой одноэлектронной внешней оболочкой, что позволяет ему быстро отдавать этот электрон для получения стабильной конфигурации. Медь, хоть и имеет один электрон в 4s-оболочке, значительно отличается от калия наличием полностью заполненного 3d-подуровня, что влияет на её физико-химические свойства, включая пониженную реакционную способность, возможность образования соединений с переменной валентностью и более высокую проводимость.

Таким образом, сходство элементов IA и IB проявляется в принадлежности к металлам и наличии одного электрона в внешней s-оболочке, однако принципиальное различие определяется заполненными d-орбиталями у элементов IB, что приводит к отличиям в химическом поведении, физико-химических свойствах и реакционной способности.