Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Строение атома и периодическая система элементов. Часть 2

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
02.01.2021
Размер:
544.36 Кб
Скачать

И. М. ЗЫРЯНОВА, Л. Н. КРУГЛОВА

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

Часть 2

ОМСК 2000

Министерство путей сообщения Российской Федерации Омский государственный университет путей сообщения

И. М. ЗЫРЯНОВА, Л. Н. КРУГЛОВА

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

Часть 2

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к программированному контролю

по химии для студентов 1-го и 2-го курсов

Омск 2000

УДК 546

Строение атома и периодическая система элементов. Часть 2: Методи-

ческие указания к программированному контролю / И.М. Зырянова, Л.Н. Круглова. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2000. 42 с.

Методические указания составлены в соответствии с программой по химии для нехимических вузов. В них рассмотрена структура периодической системы элементов, периодическая зависимость физических и химических свойств веществ от заряда их ядер, предложен ряд контрольных вопросов и заданий.

Предназначены для проведения практических аудиторных занятий и контрольных работ по теме "Строение атома и периодическая система элементов" для студентов заочного и очного обучения нехимических вузов.

Могут оказать помощь при самостоятельном изучении химии.

Библиогр.: 17 назв. Табл. 3. Черт. 22.

Рецензенты: доктор техн. наук В. Р. Ведрученко; доктор физ.-мат. наук И. И. Гончар; канд. техн. наук В. А. Мухин.

C Омский гос. университет путей сообщения, 2000

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение….................................................……………………………….…5

1.Структура периодической системы. Периодический закон……….......5

1.1.Электронная структура элементов малых периодов (I-III).………….6

1.2.Электронная структура элементов IV и V периодов .......……………9

1.3.Электронная структура элементов VI и VII периодов .....………….10

1.4.Выводы...............................................………………………………….12

2.Периодичность свойств атомов............................……………………...13

2.1.Энергия ионизации атома. Сродство к электрону...............….……..13

2.2.Электроотрицательность................................………………………...15

2.3.Атомные и ионные радиусы..............................……………………...15

2.4.Степень окисления.....................................……………………………18

2.4.1.Периодичность окислительно-восстановительных свойств...................................………………………………………..19

2.4.2.Периодичность свойств соединений………………….....................20

2.4.2.1.Оксиды...........................................………………………………...21

2.4.2.2.Гидроксиды.......................................……………………………...21

2.4.2.3.Гидриды..........................................………………………………..23

2.4.2.4.Галогениды.......................................……………………………....23

3.Контрольные задания................................………………………….......25

4.Семинарское занятие.....................................…………………………...30 Библиографический список.................................………………………....30

Приложения................................................………………………………...32

ВВЕДЕНИЕ

Общая химия представляет собой теоретические основы системы знаний о веществах и химических процессах.

Фундаментальным является учение о строении вещества и о периодичности изменения свойств элементов и их соединений, важность рассмотрения данной темы очевидна: зная строение вещества, можно судить о направлении химического процесса, его скорости и наоборот.

Предлагаемые методические указания предназначены для проведения практических и аудиторных занятий, содержат краткие теоретические сведения, контрольные вопросы и задания.

Одной из форм обучения студентов является самостоятельная работа с учебниками и учебными пособиями. Усвоение курса химии будет успешным при систематической работе.

Для подготовки к практическим занятиям рекомендуется предварительно проработать теоретический материал данных методических указаний, разобрать предложенные примеры. Из библиографического списка рекомендуемой литературы необходимо выбрать несколько учебных пособий и использовать их для более детального и глубокого изучения соответствующего вопроса.

В тексте указаний приведены ссылки на конкретную литературу. Это позволит студентам более эффективно использовать время для подготовки к занятиям.

Практическое занятие по теме "Строение атома и периодическая система элементов" предполагает выполнение конкретного задания и возможность проведения проблемного семинарского занятия для студентов очного обучения. Для подготовки к занятию рекомендуется использовать [3, 7, 9, 10], а также дополнительную научно-техническую литературу, в том числе и по физике.

Студенты заочной формы обучения выполняют рефераты по соответствующей теме.

1. СТРУКТУРА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

Литература: [4, § 32; 7, § 23; 8, § 8]

Физической основой структуры периодической системы является определенная последовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере увеличения заряда ядра (в соответствии с правилом В. Клечковского).

Данная последовательность, которая лежит в основе структуры периодической системы элементов, может быть представлена следующим образом:

n

1

2

3

4

5

 

1s2

2s22p6

3s23p6

4s23d104p6

5s24d105p6

 

 

6

 

7

 

 

 

6s24f145d106p6 7s25f146d10...,

(1)

Итак, зная распределение электронов, можно определить строение внешнего электронного уровня, который будет задавать физические и химические свойства веществ, построенных из данного вида атомов.

1.1. Электронная структура элементов малых периодов (I-III)

П е р в ы й п е р и о д (n = 1) состоит из двух элементов: водорода Н (1s1) и гелия Не (1s2) (рис. 1), спин-валентности которых соответственно равны Н(I) и He(0).

W

Z

W

Z

 

 

 

 

Y

 

 

 

Y

 

 

 

 

X

 

X

 

 

1s1

1s1

 

 

1s2

1s2

 

 

 

 

 

 

 

 

1Н

 

2He

 

 

 

 

 

а

 

 

б

 

 

 

Рис. 1. Энергетические диаграммы водорода и гелия

 

В т о р о й

и т р е т и й

п е р и о д ы

содержат по восемь элементов. У

элементов второго периода заполняется второй уровень (n = 2). Рассмотрим эле-

менты Li, B, O, Ne.

У атома лития 3Li 1s22s1 на внешнем электронном слое находится один элек-трон, спин-валентность Li (I). Элемент проявляет восстановительные свойства (рис. 2).

W

Z

 

 

2s2

Y

 

 

X

 

 

 

 

 

1s1

1s22s2

 

 

3Li

 

Рис. 2. Электронная диаграмма атома лития

Атом бора в возбужденном состоянии проявляет валентность, равную (III) (рис. 3).

W

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p1

hν

 

 

 

 

 

2p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2s2

2s1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1s2

 

 

 

1s2

 

 

B*

5B

 

 

 

 

 

B(III)

Рис. 3. Энергетическая диаграмма нормального и возбужденного состояния атома бора

Атом кислорода имеет электронную формулу 8О 1s22s22p4, (рис. 4). Поскольку отсутствуют свободные орбитали в пределах второго слоя, электроны останутся на своих орбиталях. Элемент проявляет постоянную валентность, рав-

ную (II).

W

2p4

2s2

1s2

8О

Рис. 4. Энергетическая диаграмма атома кислорода

Атом Ne имеет завершенный электронный уровень 10Ne 1s22s22p6. У элементов третьего периода (n = 3) заполняется третий слой, состоящий из подуровней 3s, 3p, 3d. Рассмотрим элементы Na, Al, S.

Атом натрия имеет конфигурацию 11Na [1s22s22p6]3s1 или 11Na[Ne]3s1 и проявляет постоянную валентность, равную (I). Является типичным восстановителем: Na0 1e = Na+ (рис. 5).

W

 

 

 

3s1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2s2

 

 

 

 

 

 

 

 

1s2

 

 

 

 

11Na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B(I)

Рис. 5. Энергетическая диаграмма атома натрия

Атом алюминия имеет конфигурацию 13Al1s22s22p63s23p1 13Al[Ne]3s23p1. В возбужденном состоянии проявляет спин-валентность Является восстановителем Al0 3e = Al3+ (рис. 6).

W

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3p1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3s2

 

 

 

 

 

 

 

3s1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p6

hν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p6

 

 

 

 

2s2

 

 

 

 

 

 

2s2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1s2

 

 

 

 

 

 

1s2

 

 

 

 

 

13Al*

 

 

 

 

 

13Al

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B(III)

Рис. 6. Энергетическая диаграмма нормального и возбужденного состояния атома алюминия

или

(III).

Валентность атома серы в нормальном состоянии равна (II), в возбуж-

денном состоянии максимальная валентность (VI). Сера может отдавать электроны (S0 6e = S6+) и принимать их (S0 + 2e = S2-). Атом серы имеет конфи-

гурацию 16S 1s22s22p63s23p4 или 16S [Ne] 3s23p4 (рис. 7).

W W

3d2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4s0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3p4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3p3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3s2

 

 

 

 

 

 

 

3s1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p6

hν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2s2

 

 

 

 

 

 

2s2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1s2

 

 

 

 

 

 

1s2

 

 

 

 

 

16S*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В(II)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B(III)

Рис. 7. Энергетическая диаграмма нормального и возбужденного состояния атома серы

Упоследнего элемента третьего периода Ar (как и у Ne) завершается заполнение s- и p-орбиталей.

Уэлементов третьего периода в отличие от второго во внешнем слое свободными остаются 3d-орбитали, так как согласно правилу Клечковского сначала должны заполняться 4s-орбитали, что равнозначно переходу в четвертый период.

Во втором и третьем периодах наружный слой заполняется до восьми

электронов конфигурация ns2np6.

1.2. Электронная структура элементов IV и V периодов

Ч е т в е р т ы й п е р и о д содержит восемнадцать элементов.

Первые

два элемента К, Са относятся к s-семейству.

 

 

Рассмотрим электронную формулу калия:

 

 

19K[1s22s22p63s23p6]4s1 или

19K[Ar]4s1.

(2)

Ar

 

 

Спин-валентность калия равна (I), элемент проявляет восстановительные свойства.

В нормальном состоянии электронная формула кальция может быть пред-

ставлена следующим образом:

 

20Ca[1s22s22p63s23p6]4s2 или 20Ca[Ar]4s2.

(3)

Ar

 

В возбужденном состоянии кальций проявляет валентность, равную (II):

20Ca*[Ar]4s13d04p0. (4)

Уэлементов ScZn идет заполнение 3d-подуровня, эти элементы относятся

кd-семейству. После того, как 3d-орбиталь полностью заселена, начинается за-

полнение p-орбиталей наружного слоя, это происходит у элементов GaKr, они относятся к p-семейству.

Хотя в четвертом периоде количество элементов на десять больше, чем во втором и третьем, наружный слой в завершенном состоянии содержит восемь электронов (s2- и р6-электронов).

В периоде имеется два "проскока" электронов (4s 3d) у атомов хрома и

меди.

У элементов V периода наблюдается та же последовательность заполнения, что и в IV периоде: у двух первых s-элементов (Rb, Sr) и шести последних p-элементов (InXe) заполняется внешний слой. Между s- и p-элементами располагаются десять d-элементов (YCd), у которых заполняются d-орбитали предвнешнего слоя.

Например,

40Zr [Kr]4d25s2.

(5)

Есливчетвертомпериоденаблюдаетсязаполнениеподуровней 4s2 3d10 4p6, то в пятом периоде заполнение подуровней электронами осуществляется так: 5s2 4d10 5p6.

Электронные "проскоки" свойственны ниобию, молибдену, рутению, серебру и палладию (двойной проскок).

1.3. Электронная структура элементов VI и VII периодов

Шестой период начинается металлами Cs (6s1) и Ba (6s2), спинвалентность которых в нормальном и возбужденном состоянии (I) и (II) соответственно. У элемента 57La (см. f d переход) очередной электрон находится на 5d-подуровне. Однако последующие элементы (58Ce57Lu) очередные электроны направляют в глубинный 4f-подуровень.

От элементов 72Hf80Hg продолжается заполнение 5d-подуровня. Элементы 81Tl86Rn очередные электроны направляют в 6p-подуровень. Период заканчивается инертным газом (6s26p6).

Седьмой период не окончен и должен быть аналогичен предыдущему, начинается он s-элементами:

87Fr[Rn]7s1 и 88Ra[Rn]7s2.

(6)