66

М.А.Молявко, А.М.Сыркин

СТРОЕНИЕ АТОМА. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Уфа 2009

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

М.А.Молявко, А.М.Сыркин

СТРОЕНИЕ АТОМА. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Учебное пособие

Уфа 2009

УДК 544.112

ББК 22.36

М 75

Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия

Рецензенты:

Заведующий кафедрой «Общая химия» Башкирского государственного медицинского университета, доктор химических наук, профессор Е.В.Пастушенко

Заведующий кафедрой «Общая химия» Уфимской государственной академии сервиса, кандидат химических наук, доцент И.П.Журкина

Молявко М.А., Сыркин А.М.

М75 Строение атома. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева. Химическая связь: учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009.-68с.

ISBN 978-5-7831-0849-5

Данное учебное пособие используется при выполнении практических занятий, контрольных и самостоятельных работ по изучению раздела химии «Строение атома. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева. Химическая связь».

Учебное пособие включает 4 раздела, каждому из которых предпослано краткое теоретическое описание, включающее необходимые формулы, приведены разбор решения типовых задач, контрольные задачи и варианты домашних заданий.

Предназначено для студентов нехимических специальностей.

УДК 544.112

ББК 22.36

ISBN 978-5-7831-0849-5 © Уфимский государственный нефтяной

технический университет, 2009

© Молявко М.А., Сыркин А.М., 2009

СОДЕРЖАНИЕ 1. Волновые свойства электрона и атомные спектры 4 1.1. Лучистая энергия, квантовая теория, линейчатые спектры 4 1.2. Примеры решения задач 6 2. Квантовые числа. Принцип Паули. Принцип наименьшей энергии. Электронные формулы. правило Хунда 10 2.1 Квантовые числа и принцип Паули 10 2.2. 2.2. Распределение электронов в многоэлектронном атоме (правила Клечковского) 13 2.3. Изображение электронных формул атомов. Правило Хунда 13 2.4. Примеры решения задач 14 3. Периодическая система. Периодический закон Д.И.Менделеева. Периодичность изменения свойств элементов 19 3.1. Примеры решения задач 21 4. Химическая связь 30 4.1. Ковалентная связь 31 4.2. Свойства ковалентной связи 34 4.3. Гибридизация связи атомных орбиталей 36 4.4. Неполярная и полярная ковалентная связь 38 4.5. Ионная связь и ее свойства 39 4.6. Структура ионных соединений 40 4.7. Металлическая связь 41 4.8. Водородная связь 42 4.9. Межмолекулярное взаимодействие 42 5. Примеры решения задач 43 6. Требования к знаниям и рекомендации 53 7. Задачи для самостоятельного контрольного решения 54 7.1. Варианты заданий 65 ПРИЛОЖЕНИЯ 66 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 67

I. Волновые свойства электрона и атомные спектры

1.1.Лучистая энергия, квантовая теория, линейчатые спектры

Лучистая энергия всех типов называется также электромаг­нитным излучением, распространяется в вакууме со скоростью 3∙10⁸ м/с, называемой "скоростью света". Любая лучистая энер­гия обладает волновыми свойствами, подобно волнам, распрост­раняющимся по поверхности воды. Всякий процесс распростране­ния волн характеризуется длиной волны (обозначается гречес­кой буквой "лямбда", λ), амплитудой и частотой (обозначается греческой буквой "ню", ν), равной числу колебаний движущей­ся волны, которые проходят через какую-либо фиксированную точ­ку за единицу времени. Скорость, распространения волн с пос­тоянная для всех видов электромагнитного излучения, равна произведению частоты ν на длину волны λ и измеряется в Гц. Отношение 1/ λ называется волновым числом . Волновое число измеряется в обратных сантиметрах, см^-1. Коли­чественное соотношение между частотой и энергией излучения установлено квантовой теорией М.Планка, согласно которой количество энергии, приобретаемое или теряемое, на атомном уров­не при поглощении или испускании излучения, должно быть цело­численным кратным от частоты лучистой энергии. Если обозначить изменение энергии как ∆Е, то по теории Планка E=hν, 2hν, 3hν и т.д., мельчайшая порция энергии заданной частоты ν равна hν и называется квантом энергии, где h - постоянная Планка и имеет значение 6,62∙10^-34 Дж.с.

Все атомы и молекулы поглощают свет с определенными ха­рактеристическими частотами. Распределение частот поглощения называется спектром поглощения и служит опознавательным приз­наком атомов или молекул. Атом, обладающий избыточной энергией, испускает свет, спектр которого носит название спектра испус­кания. Излучение с одной длиной волны называется монохромати­ческим. Если излучение от такого источника разложить на моно­хроматические компоненты, получится спектр. Гамма цветов, со­держащая свет всех длин волн, называется непрерывным спектром (радуга).

Энергия электрона в атоме водорода зависит от занимаемой им орбиты и выражается соотношением

для лю­бого другого атома в преобразованном виде (1)

где R_H -постоянная Ридберга, равная 2,18 ∙10^-18Дж, 109,678 см^-1, или 13,6 эВ

(I эВ= 1,60219 ∙10^-19Дж).

Из уравнения (1) следует, что когда электрон находится на ближайшей к ядру орбите с_n = 1, его энергия равна -2,18∙10^-18 Дж, когда электрон находится на второй орбите с n= 2, его энергия равна E₂=(-1,18∙10^-18Дж) 1/(2²)= -5,45∙10^-18Дж. Отрицательный знак энергии электрона в правой части уравнения (1) означает его устойчивость по отношению к некоторому услов­ному состоянию: чем более отрицательна энергия системы, тем система более устойчива.

Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, име­ющую больший радиус, происходит поглощение лучистой энергии, т.к. для перемещения электрона на большее расстояние от ядра требуется энергия. И наоборот, при переходе электрона с боль­шей орбиты на другую, имеющую меньший радиус, происходит ис­пускание энергии. Изменение энергии ∆Е определяется разностью между конечным состоянием электрона с энергией E_f и исходным состоянием электрона c энергией

E_i ∆E=E_f-E_i (2)

Подставив в уравнение (2) выражение (1) для энергии электрона, получим ∆E=(-Eн/n²_f)- (-Rн/n²_i)= Rн(1/n_i²-I/n²_f) a, так как ∆E =hν, то

hν = Rн((1/n_i² -1/n²_f) (3)

где n_i и n_f- квантовые числа ис­ходного и конечного состояний соответственно.

Когда электрон находится на какой-либо более высокой по энергии - орбите, например, с n=2, и больше, то считают, что атом находится в электронно-возбужденном состоянии. Изменение энер­гии ∆Е определяется разностью между конечным состоянием электрона с энергией Еf и исходным состоянием электрона с энер­гией E_i:∆E= Е_f – E_i. Согласно волновой механике электрон обладает двойственной природой. Луи де Бройль предположил, что длина волны, характерная для электрона или любой другой частицы, зависит от их массы m и скорости v следующим обра­зом: λ=h/mv, где h - постоянная Планка. Произведение m∙v для любого тела называется его импульсом.