Условие задачи

Учитывая закономерное изменение радиусов ионов щелочных металлов, попытайтесь схематически представить, сколько ион-атомов каждого металла поместится в произвольно выбранной вами единице объёма. Как изменения физических свойств щелочных металлов объяснить особенностями их строения? Полученные выводы оформите в виде схемы.

Решение

Ниже представлено подробное решение задачи, относящееся к области физической и неорганической химии, где используются понятия периодических законов, закономерностей изменения размеров ионов и связи структуры с физическими свойствами.

─────────────────────────────
1. Исходные данные и рассуждения

• Для щелочных металлов (Ли, На, К, Рб, Cs) наблюдается закономерное увеличение радиуса иона при движении вниз по группе, то есть
r₍Ли₎ < r₍На₎ < r₍К₎ < r₍Рб₎ < r₍Cs₎. • Если принять ионы за сферы, то объём одного иона определяется формулой: Vᵢ = (4⁄3)·π·r³. • Число ион-атомов, поместившихся в единицу объёма (Vₑ), обратно пропорционально объёму одного иона: N ∝ 1⁄r³. Таким образом, чем меньше r, тем больше ионов можно уместить в заданном объёме. ───────────────────────────── 2. Количественное соотношение ионов в единице объёма Для произвольной единицы объёма можно записать относительное число ионов каждого металла как: N ∝ 1⁄r³. Получается следующая схема (при условии, что величины r различаются существенно): – Для Ли (наименьший r): N₍Ли₎ наибольшее – Для На: N₍На₎ < N₍Ли₎ – Для К: N₍К₎ < N₍На₎ – Для Рб: N₍Рб₎ < N₍К₎ – Для Cs (наибольший r): N₍Cs₎ наименьшее То есть из одного и того же объёма можно поместить больше ионов Ли, чем ионов Cs. ───────────────────────────── 3. Объяснение изменений физических свойств через строение Изменения физических свойств щелочных металлов (таких как температура плавления, плотность, электропроводность, ударопрочность и т.д.) можно объяснить особенностями электронного строения и изменением их размерных характеристик: ➤ Уменьшение размера (как у Ли) означает: – Более сильное притяжение ядра к электронной оболочке, – Более высокую плотность положительного заряда на единицу объёма иона, – Более выраженные ковалентные (или поляризационные) вклады в химические связи в соединениях. ➤ При росте радиуса (как у Cs): – Заряд распределён более разреженно, – Электроны слабее удерживаются, что приводит к более лёгкой отдаче одного электрона, – Увеличение металлического характера, снижение температур плавления, увеличение реакционной способности. Таким образом, увеличение ионного радиуса приводит к уменьшению пространства, занимаемого одним ионом, что влияет и на межионные взаимодействия в кристаллической решётке, а значит – на общие физико-химические свойства металлов. ───────────────────────────── 4. Итоговая схема решения ═════════════════════════════════ [Изменение радиуса иона ↓] r₍Ли₎ < r₍На₎ < r₍К₎ < r₍Рб₎ < r₍Cs₎ ↓ [Объём одного иона: Vᵢ = (4⁄3)·π·r³] ↓ [Число ионов на единицу объёма: N ∝ 1⁄r³] ↓ N₍Ли₎ > N₍На₎ > N₍К₎ > N₍Рб₎ > N₍Cs₎
═════════════════════════════════

↓
[Особенности строения:
– Меньшие ионы (Ли) имеют высокую плотность заряда,
– Большие ионы (Cs) – более «разреженная» зарядовая плотность]
↓
[Отсюда изменение физических свойств:
– Ли: более высокая температура плавления, менее металлический характер,
– Cs: более низкая температура плавления, высокая реакционная способность]

─────────────────────────────
5. Вывод

Закономерное увеличение радиуса ионов щелочных металлов приводит к уменьшению их численности в заданном объёме (N ∝ 1⁄r³). Изменения размеров обуславливают различие в распределении заряда и, следовательно, влияют на силу межионных взаимодействий, что объясняет наблюдаемые изменения физических свойств данных металлов.

Это и является искомой схемой, где через структурные особенности объясняется связь между ионным размером, количеством ионов в объёме и физико-химическими свойствами щелочных металлов.