1 Задание 1 по теме: «строение атома»

1. Напишите электронно-графическую формулу атома элемента с указанным порядковым номером. Впишите в таблицу значения квантовых чисел, характеризующих электроны в основном состоянии: (в задании указаны номера электронов в порядке заполнения атомных орбиталей)

Номер электрона	Значение квантовых чисел
	n	l	ml	ms

Какие из четырех квантовых чисел определяют энергию электрона в атоме? Какие из них характеризуют форму орбитали и её расположение в пространстве?

2. а) Укажите тип элемента (s-, p-, d-, f-), он относится к металлам или неметаллам? Укажите валентные электроны атома данного элемента. Каковы его валентные возможности?

б)Если возбужденные состояния возможны для данного атома, то запишите их с помощью электронных формул. Если невозможны - объясните почему.

в) Сколько неспаренных электронов имеется в атоме в основном состоянии и сколько – в возбужденном состояниях? Сколько вакантных орбиталей имеется в атоме в основном и возбужденном состояниях?

г) Определите высшую и низшую степени окисления атома данного элемента. Какие свойства - окислительные, восстановительные или и те и другие - будет проявлять атом в высшей, низшей и других степенях окисления?

2. Какие ионы может образовать атом данного элемента? Запишите их электронные формулы. Как изменяются их ионные радиусы? Приведите примеры изоэлектронных частиц.

3. Проанализируйте характер изменения первых пяти энергий (потенциалов) ионизации на основании изменения заряда частицы и её радиуса. Запишите схемы происходящих процессов. Подтвердите, по возможности, выводы справочными значениями энергий ионизации.

4. а) Определите электронные аналоги элемента и составьте их электронные формулы.

б) Запишите общую электронную формулу валентных электронов для элементов данной подгруппы. Чем объяснить сходство в химических свойствах этих элементов?

в) Как изменяются свойства атомов элементов одной подгруппы (радиусы, энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность, окислительно-восстановительные свойства)? Подтвердите свои выводы справочными данными.

2. Как изменяются свойства (см.п.1.5) атомов данного элемента по сравнению с элементами-соседями по периоду? Свои выводы, по возможности, подтвердите справочными данными.

3. Рассчитайте эффективный заряд ядра ( Z_эфф) для внешнего электрона атома данного элемента. Произведите аналогичные расчеты для элементов-соседей по периоду и по подгруппе и сделайте соответствующие выводы о характере изменения Z_эфф в периоде и по подгруппе. Как сказывается это изменение на свойствах атомов?

Пример решения задания 1.

Вам выдано домашнее задание в виде нескольких чисел, например, 20 (2,4,6,18,19). Первая цифра означает номер элемента в Периодической системе. Следовательно, элемент №20 -кальций, химический символ "Са". Цифры в скобках указывают номера электронов в оболочке атома калъция, состояние которых надо охарактеризовать с помощью четырех квантовых чисел. Теперь переходим к выполнению задания 1 по пунктам 1 - 6.

Решение:

1.1 Запишем электронно-графическую формулу атома элемента №20, найдем и подчеркнем указанные в задании пять электронов в его оболочке (пользуясь правилом Гунда):

а) полная электронная формула: ₂₀Ca 1s² 2s² 2p⁶3s²3p⁶4s²

б) краткая электронная формула: ₂₀Ca [Ar]4s²

в) электронно-графическая формула

Определим квантовые числа для заданных электронов в атоме кальция и составим таблицу 2.

Таблица 2- Значения квантовых чисел для электронов в атоме кальция.

Номер электрона	Значения квантовых чисел
	n	l	ml	ms
2	1	0	0	-1/2
4	2	0	0	-1/2
6	2	1	0	+1/2
18	3	1	+1	-1/2
19	4	0	0	+1/2

При определении m_l исходим из предположения, что орбитали каждого подуровня заполняются в порядке увеличения m_l от наименьшего отрицательного значения к наибольшему положительному, т.е. при l=1 m_l изменяется [–1,0.1], следовательно, для p-подуровня

-1

0

1

,

p_x p_{y Pz}

для d-подуровня

-2

-1

0

1

2

При определении m_s условно принимаем направление стрелочки вверх за положительное значение спинового квантового числа, то есть m_s= + ½; вниз - за отрицательное, то есть m_s = - l/2.

1.2 Существует четыре типа элементов s-, p- ,d- f- . Валентные электроны – это электроны внешнего электронного слоя, а также неспаренных электронов предвнешнего подуровня, который заполняется в данном атоме. Таким образом, валентные электроны Са – 4s² , и следовательно, Са - s- элемент, металл. В основном состоянии кальций о-валентен, так как не имеет неспаренных электронов. Возбуждение возможно, так как на внешнем уровне есть вакантные орбитали: ₂₀Са^* 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹4p¹.

Ca*…4s 4р

В возбужденном состоянии атом кальция содержит два неспаренных электрона, поэтому в соединениях кальций двухвалентен.

Таблица 3- Валентные возможности атома кальция

Показатель	Основное состояние	Возбужденное состояние
Число неспаренных	нет	2
Число вакантных орбиталей	15(4px4py4pz;4d; 4f)	14 (4py 4pz; 4d; 4f)
Высшая степень окисления	-	+2
Низшая степень окисления	0	-

1.3 Характерные степени окисления элементов, его валентности и наиболее устойчивые ионы, которые он может образовать, определяются конфигурацией валентных электронных слоев. Атом кальция может образовать только ион Са²⁺, так как на внешнем слое у него только 2 валентных электрона. Его электронная формула 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶; ионный радиус составляет 0.97А.

Изоэлектронными являются частицы, имеющие одинаковую электронную конфигурацию. Поэтому изоэлектронными по отношению к иону Са²⁺ будут следующие частицы:

19	К+	1s22s22p63s23p6
18	Аг	ls22s22p63s23p6
17	Cl-	1s22s22p63s23p6
16	S2-	ls22s22p63s23p6
21	Sс3+	1s22s22p63s23p6
22	Ti4+	1s22s22p63s23p6

При ответе на этот вопрос для d– и f- элементов, полезно просмотреть учебную литературу по химии элементов.

1.4 Запишем схемы процессов последовательного отрыва пяти электронов от атома кальция, которым соответствуют первые пять энергий (потенциалов) ионизации:

Са° - е = Са⁺ I₁ = 6.11 эВ

Са⁺ - е = Са²⁺ I₂ = 11.87 эВ

Са²⁺ - е = Са³⁺ I₃ = 51.0 эВ

Са³⁺ - е = Са⁴⁺ I₄ = нет данных

Са⁴⁺ - е = Са⁵⁺ I₅ = нет данных

С отрывом каждого последующего электрона увеличивается заряд частицы от 0 до +5 и уменьшается её радиус, так как при одном и том же заряде ядра число электронов убывает, и оставшиеся сильнее притягиваются к ядру. Поэтому каждый последующий потенциал больше, чем предыдущий. Резкое увеличение потенциала ионизации происходит при отрыве электрона с внутреннего уровня, например, сравним I₃ = 51,0эВ >> I₂ = 11,87эВ.

1.5 Электронными аналогами являются элементы, имеющие подобные конфигурации валентных электронных слоев. Они могут быть описаны общей электронной формулой и являются элементами одной подгруппы Периодической системы.

Электронные аналоги кальция: Be, Mg, Sr, Ba, Ra. Общая электронная формула валентных электронов: Э ...ns². Все элементы - металлы, относятся ко 2 группе, главной подгруппе. Радиусы атомов элементов с увеличением заряда ядра в подгруппе (в направлении сверху вниз) увеличиваются, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность в этом направлении уменьшается, восстановительная способность увеличивается (таблица 4).

Таблица 4- Изменение свойств атомов элементов одной подгруппы

Элемент	Атомные радиусы, rат. Ао	Энергия ионизации I1, эВ	Энергия сродства к е Е, эВ	Электроотрицательность (по Полингу)
Be	1,13	9,32	0,19	1.5
Mg	1,60	7,64	-0,32	1.2
Са	1,95	6,11	-	1,0
Sr	2,15	5,69	-	1,0
Ва	2.21	5,21	-	0,9
Rа	2,35	5,28	-	-

1.6 Элементами-соседями кальция по периоду являются К и Sс. Их свойства приведены в таблице 5.

Таблица 5- Изменение свойств атомов элементов одного периода

Свойства	Элементы
	К (К+)	Ca(Ca2+)	Sc(Sс3+)
Атомные радиусы, А0	2,31	1,97	1,6
Ионные радиусы, А0	1,33	0,97	0,81
Энергия ионизации I1, эВ	4,34	6,11	6,54
Энергия сродства к е-, эВ	0,82	-	-
Электроотрицательность (по Полингу)	0,80	1	1,3

увеличиваются окислительные свойства ионов

увеличиваются восстановительные свойства металлов

1.7 Z_Эфф = (Z - S), где Z - заряд ядра, S- постоянная экранирования. Существуют эмпирические правила, позволяющие оценить постоянную экранирования для любого электрона в атоме:

а) электроны на более высоких энергетических уровнях, чем рассматриваемый электрон, не дают никакого вклада в экранирование;

б) каждый электрон, находящийся на том же энергетическом уровне, что и рассматриваемый электрон, дает вклад 0,35 в постоянную экранирования;

в) каждый электрон на предшествующем внутреннем энергетическом уровне вносит в постоянную экранирования вклад 0.85; однако, если рассматриваемый электрон относится к d- или f-типу, вклады от электронов предшествующего уровня считаются равными 1,00;

г) вклады в постоянную экранирования от электронов, находящихcя на более глубоких энергетических уровнях, полагаются равными 1,00.

Пример 1. Определить Z_эфф для внешнего электрона 6s^I атома Cs.

Решение:

₅₅Cs Is²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d^I05p⁶6s^I

Z_эфф = 55 - (8*0.85) - (46 · 1,00)= +2.2

Пример 2. Определить Z_эфф для внешнего электрона атома Ca.

Решение:

₂₀Са ls²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Z_эфф = 20 - (1·0,35) - (8·0,85) - (I0· 1,00) = +2,85

Задание 2 по теме:

«КОВАЛЕНТНАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСТИЦ»