Основные положения теории строения атома квантово-механическая модель атома

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Изучение темы «Строение атома» имеет важное значение для последующего изучения темы «Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система элементов», так как с возникновением квантово-механической модели строения атома были найдены закономерности, позволившие объяснить структуру периодической системы элементов, раскрыть физ0ический смысл периодичности.

Все особенности физической формы материи обусловлены корпускулярно-волновой природой микрочастиц и, в частности, валентных элементов, от которых зависит характер и свойства образуемой между ними химической связи. Поэтому знание строения атомов химических элементов необходимо для изучения темы «Химическая связь».

Все свойства химических элементов зависят от их электронной структуры. Валентность, степень окисления, характер химических связей в соединениях, химические свойства обусловлены электронной структурой атома. Поэтому изучение данной темы необходимо также для изучения химии элементов.

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

ЦЕЛЬ ОБЩАЯ:

Уметь трактовать основные положения квантово-механической теории строения атома.

КОНКРЕТНЫЕ ЦЕЛИ:

УМЕТЬ:

1. Интерпретировать основные положения теории строения атома.

2. Интерпретировать корпускулярно-волновые свойства частиц и принцип неопределенности Гейзенберга.

3. Трактовать квантовые числа как характеристики энергетического состояния электрона в атоме.

4. Трактовать принцип заполнения в атомных орбиталей: принцип наименьших энергий, принцип Паули, правило Клечковского.

СОДЕРЖАНИЕ ОБУЧЕНИЯ:

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ.

1. Планетарная модель атома. Спектры поглощения простых веществ, постулаты Бора.

2. Современная квантово-механическая теория строения атома:

   1. корпускулярно-волновая двойственность электрона;

   2. уравнение Луи де Бойля;

   3. принцип неопределенности Гейзенберга;

   4. уравнение Шредингера;

3. Квантовые числа и их характеристика. Понятия про атомные орбитали.

4. Правила заполнения электронами атомных орбиталей:

1. правило наименьших энергий;

2. принцип Паули;

3. правило Хунда;

4. правило Клечковского.

1. Электронные и электронно-графические формулы атомов элементов и их ионов.

2. Граф логической структуры темы

3. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

Основная литература:

1. Левітін Є.Я., Бризицька А.М., Клюєва Р.Г. Загальна та неорганічна хімія. Вінниця: Нова книга, 2003. – С. 15-34.

2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2001. – С. 16-21.

Дополнительная литература:

3. Михайличенко Н.И. Общетеоретические основы химии. К.: Высшая школа, 1979. – С. 52-84.

4. Григор’єва та ін. Загальна хімія. Підручник. К.: Вища шк., 1991. – С. 21-45.

ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ ОСНОВА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Инструкция к практическому занятию.

РЕШЕНИЕ ОБУЧАЮЩИХ ЗАДАЧ

Задача 1.

Исходя из основных положений современной квантово-механической теории строения атома, опишите строение атома элемента и приведите массовые характеристики элементарных частиц.

Задача 2.

Сформулируйте принцип неопределенности Гейзенберга и обоснуйте невозможность применения законов классической механики к описанию микрочастиц.

Задача 3.

Укажите форму и символы орбиталей, которые характеризуются квантовыми числами: n=3; 1=1, m=-1,0,+1.

Эталон решения: три атомные орбитали, которые описываются указанным набором квантовых чисел, находятся на третьем энергетическом уровне (n=3). Р-подуровни (1=1) имеют гантелеобразную форму. Символы орбиталей 3р_x, 3р_y, 3р_z.

Задача 4.

Укажите элементы электронная формула которого в степени окисления «-2» 1S²2S²2p⁶3S²3p⁶. Определите его положение в ПСЭ.

Эталон решения:

Отрицательная степень окисления «-2» свидетельствует о том, что атом присоединил 2е. поэтому в нулевой степени окисления электронная формула этого элемента имеет вид: 1S²2S²2p⁶3S²3p⁴ .

Валентные электроны находятся на 3-ем энергетическом уровне (n=3), всего 6 валентных электронов, поэтому он находится в шестой группе ПСЭ в главной подгруппе, т.к. валентные электроны находятся на внешнем уровне. Общее число е равно 16, значит порядковый номер элемента 16. данный элемент–сера.

Задача 5.

Укажите число свободных орбиталей атома хлора в хлорной кислоте.

Эталон решения:

Степень окисления хлора в хлорной кислоте HClO₄ равна +7 записываем электронную формулу хлора в «О» степени окисления 3S²3p⁵3d⁰ Графическая формула соответственно:

3s² 3p⁵ 3d⁰

В невозбужденном состоянии атом хлора имеет один неспаренный электроню для образования хлорной кислоты атому хлора надо иметь семь неспаренных электронов.

Это возможно в результате возбуждения атома и перехода электронов с S- и р-орбиталей на свободные d-орбитали. Электронная формула хлора в возбужденном состоянии: Cl٭ 3S¹3p³3d³

3s¹ 3p³ 3d³

Свободными остаются 2 d – орбитали. Таким образом, хлор в хлорной кислоте имеет 2 свободные d-орбитали.

Задача 6.

Укажите последовательность заполнения атомных орбиталей 4d, 5s, 6s,5p.

Эталон решения:

Порядок заполнения атомных орбиталей определяют правило наименьших энергий и правило Клечковского. Согласно этим правилам атомные орбитали заполняются в порядке возрастания главного квантового числа, при одинаковом значении главного квантового числа в порядке возрастания суммы n+1

При 4d орбитали n = 4 1=2 Σ n+1=6

5s орбитали n = 5 1=0 Σ n+1=5

6s орбитали n = 6 1=0 Σ n+1=6

5p орбитали n = 5 1=1 Σ n+1=6

Значит, орбитали должны заполнятся в таком порядке: 5s, 4d, 5p, 6s.

Задача 7.

Напишите электронные формулы атомов фосфора и меди. Укажите, к какому электронному семейству относятся каждый из элементов и определите число протонов и нейронов в ядре их атомов.

Эталон решения:

Порядковый номер элемента фосфора равен 15, а меди – 29. Порядковый номер показывает число е в атоме и заряд ядра. Число протонов в атоме равно Z = 15, а число нейтронов: А – Z, т.е. 31-15=16. (А – атомная масса элемента.) в атоме меди число протонов Z= 29, а число нейтронов 64-29 = 35. Электронные формулы соответственно:

¹⁵Р 1s²2s²2p⁶3s²3p³

²⁹Cu 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁹

но в атоме меди наблюдается проскок е с внешнего уровня на предпоследний, поэтому формула 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d¹⁰, так как у фосфора заполняется электронами р-подуровень последнего уровня, это р-элемент, а у меди заполняется уровень предпоследнего уровня, это d-элемент.

Задача 8.

Пользуясь правилом Клечковского, определите порядок заполнения электронами 3d, 4S, 4p, 4d, 5S, 5p- атомных орбиталей.

Задача 9.

Напишите электронную формулу атома фосфора в ортофосфорной кислоте.

Задачка 10.

Напишите электронные формулы атомов железа и ионов Fe⁺², Fe⁺³, Pb⁰, Pb⁺⁴,анионов S^-2 Cl^-.

Задача 11.

Укажите значения главного и орбитального квантовых чисел для 2S-, 2p-, 3d-, 4f-состояний электрона.