Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
Характер соединений элементов малых периодов
V VI VII VIII
7 N
n=1 n=2
+7 ) )
2 5
1s2 2s22p
V
N2O
кислотный оксид
5
V
HNO
3
кислота
8 O
n=1 n=2
+8 ) )
2 6
3
1s2 2s22p
9 F
n=1 n=2
+9 ) )
2 7
4
1s2 2s22p
5
___
___
Таблица 9
2 Не
n=1
)
+2
2
2
1s
10 Ne
n=1 n=2
+10 ) )
2 8
1s2 2s22p
6
III
NH
3
15 P
n=1 n=2 n=3
) ) )
+15
2 8 5
1s2 2s22p6 3s23p
V
P2O
кислотный оксид
5
V
H
3PO4
кислота
III
PH
3
II
H2O
летучая жидкость
16 S
n=1 n=2 n=3
+16 ) ) )
2 8 6
3
1s2 2s22p6 3s23p
VI
SO
кислотный оксид
3
VI
H2SO
4
кислота
II
H2S
I
HF
жидкость
17 Cl
n=1 n=2 n=3
+17 ) ) )
2 8 7
4
1s2 2s22p6 3s23p
VII
Cl2O
кислотный оксид
7
VII
HClO
4
кислота
I
HCl
_
18 Ar
n=1 n=2 n=3
+18 ) ) )
2 8 8
5
1s2 2s22p6 3s23p
_
_
_
6
91
— Инертные газы имеют завершённые наружные слои
атомов (2 электрона у гелия и 8 электронов у всех остальных
инертных газов).
§ 40. Состояние электронов в атоме
В основе современной теории строения атома лежит представление о том, что электрон имеет двойственную природу:
он может быть частицей и волной. Оказывается электроны
могут вести себя как материальные частицы (катодные лучи)
и как волны (подобно рентгеновским лучам и световым лучам).
В связи с наличием у электронов волновых свойств его
нельзя рассматривать как движущуюся частицу, положение
которой в пространстве точно известно в любой момент времени. Поскольку электрон может быть волной, то нельзя ука-
зать точное положение электрона в атоме, а можно лишь
указать некоторую область пространства, объём, в котором
нахождение электрона наиболее вероятно и где электрону
энергетически выгодно находиться. Следовательно, более
правильно говорить об электроне как об электронном облаке,
занимающем некоторую область атомного пространства —
орбиталь.
Орбиталь — область атомного пространства, в которой
нахождение электрона наиболее вероятно и энергетически
выгодно.
Мы используем слово «энергетически», так как электрон,
как движущаяся частица, обладает определённым запасом
энергии и в зависимости от энергии электрона форма и раз-
мер орбитали или форма и размер электронного облака бывают разными.
Есть s-электроны, они имеют форму электронного облака
в виде шара, есть р-электроны, которые имеют форму электронного облака в виде объёмной восьмёрки, есть d- и
f-электроны, которые имеют характерную для них более
сложную форму электронного облака.
Условные схемы строения атомов — это своеобразная
классификация электронов на основании запаса энергии
электронов. Электроны, обладающие определённым запасом
энергии, составляют энергетический уровень. Каждый энергетический уровень, как указывалось выше, имеет свой номер (n).
92
z
y
x
Форма орбитали
s-электрона
Форма орбитали
р-электрона
Форма орбитали
d-электрона
Вращение
электрона вокруг
собственной оси
Номер энергетического уровня (n) — это важная ха-
рактеристика электрона, которая показывает удалён-
ность электрона от ядра, а также отражает запас энергии
электрона; так, чем больше номер энергетического уровня,
тем больше запас энергии электрона. Энергетический уровень
характеризуется пределом запаса энергии электронов. Энер-
гетический уровень подразделяется на подуровни, так как
электроны одного уровня имеют разный запас энергии и разную форму электронного облака.
Форма электронного облака — это ещё одна характе-
ристика электрона.
Для каждого подуровня характерна определённая форма
орбитали (электронного облака): s-электроны составляют
s-подуровень, р-электроны составляют р-подуровень,
d-электроны составляют d-подуровень и т.д. В пределах энергетического уровня s-электроны имеют наименьший запас
энергии, р-электроны имеют больший запас энергии, чем
s-электроны, d-электроны имеют больший запас энергии, чем
р-электроны и т. д.
Число подуровней определяется номером энергетическо-
го уровня. Так номер энергетического уровня, ближайшего к
ядру, равен единице, т.е. n
= 1, а это значит, что первый энер-
гетический уровень имеет всего один s-подуровень. Второй
энергетический уровень, у которого n
= 2, имеет два подуров-
ня : s-подуровень и р-подуровень. Третий от ядра энергетический уровень, у которого n
= 3, имеет три подуровня:
s-подуровень, р-подуровень, d-подуровень и т.д.
В каждом энергетическом уровне содержится определённое число электронов. В зависимости от числа электронов, находящихся на энергетическом уровне, энергетические уров-
93
ни считают завершёнными (внутренними и наружными) и незавершёнными (внутренними и наружными). (См. выше.)
Номер энергетического уровня позволяет найти число ор-
биталей в уровне; число орбиталей в энергетическом уровне
определяется по формуле n
уровне число орбиталей равно 1, так как 1
2
; так в первом энергетическом
2
=1; во втором энер-
гетическом уровне число орбиталей равно 4, в третьем энергетическом уровне число орбиталей равно 9 и т. д.
Третьей характеристикой электрона является его
ориентация в атомном пространстве, т. е. направление
оси электрона. Считают, что ориентация s-электрона — однозначна, так как шар всегда имеет одно и то же положение
по отношению к ядру; ориентация р-электронов — по математическим осям координат. Ориентация d-электронов не изучается в школьном курсе.
Ориентация
s-электрона —
однозначна
Ориентация р-электронов (рх, ру, рz) — по математическим
осям координат
Четвёртой характеристикой электрона является
спин — направление вращения электрона вокруг собствен-
ной оси (упрощённо). Есть электроны, которые вращаются вокруг собственной оси по часовой стрелке, и есть другие электроны, которые вращаются вокруг собственной оси против
часовой стрелке.
В 1925 году швейцарский учёный Паули сформулировал очень важный принцип, который в упрощённом виде
можно представить так: в атоме нет даже двух электро-
нов, у которых все четыре характеристики были бы одинаковы.
94
Рассмотрим, например, два электрона со второго энергетиче-
ского уровня с точки зрения уже известных нам характеристик:
1) номер энергетического
уровня: n
=2 n = 2
2) форма орбитали: р р — объёмные
восьмёрки
3) ориентация в пространстве: р
4) спин:
рх — по оси х
х
— противополож ное вращение
вокруг собст венной оси
Даны характеристики двух электронов, у которых три ха-
рактеристики совпадают, но четвёртой они должны отличаться
друг от друга (по принципу Паули) — они и отличаются спином. Исходя из указанных выше характеристик, мы понимаем, что эти электроны занимают одну и ту же орбиталь; такие
электроны называют спаренными электронами.
Спаренные электроны — электроны, которые занимают
одну и ту же орбиталь; это электроны, которые имеют три характеристики одинаковые, но отличаются только спином.
§ 41. Электронная формула элемента
Мысль о строении атомов элемента может быть выражена
словесно (речью), может быть представлена в виде условной
схемы строения атома данного элемента, а также может выражена с помощью электронной формулы. Электронная форму-
ла элемента — это один из способов выражения мысли о
строении атомов данного элемента. Рассмотрим составление
электронной формулы элемента, используя условную схему
строения атома в качестве вспомогательного пособия. К примеру нам необходимо составить электронную формулу кальция. Сначала составим условную схему строения атома кальция, исходя из положения элемента в периодической системе
химических элементов Д.И. Менделеева: порядковый номер
кальция — 20; это значит, что заряд ядра атома кальция +20
и 20 электронов размещаются вокруг ядра на четырёх энергетических уровнях (кальций находится в 4-м периоде, а номер
периода показывает число энергетических уровней); на внешнем уровне атома кальция — 2 электрона (кальций находится в главной подгруппе второй группы — номер группы показывает число электронов на внешнем слое атома элемента
95
главной подгруппы); на внутренних слоях атома, кроме предпоследнего слоя, число электронов определяется по формуле
2
2n
, а на предпоследнем слое так: от общего числа электронов
(20) отнимаем число электронов, находящихся на 1-м, 2-м и
на последнем, 4-м слоях, т. е. 12, следовательно, на третьем
уровне — 8 электронов.
Са n
=1 n=2 n=3 n=4
+20 ) ) ) )
2 8 8 2
А теперь попытаемся составить электронную формулу
элемента. Номер энергетического уровня обозначаем цифрами
соответственно, если n
=1, то цифрой 1, если n=2, то цифрой 2
и т. д. За цифрой записываем обозначение подуровней (в первом энергетическом уровне только один подуровень s — число
подуровней определяем по номеру энергетического уровня) и
в виде показателя степени число электронов, находящихся
на данном подуровне. Так, второй энергетический уровень
имеет два подуровня s и р, третий энергетический уровень
имеет три подуровня s, р и d, четвёртый энергетичес кий
уровень имеет четыре подуровня s, р, d и f и т. д. На первом
энергетическом уровне 2 электрона, занимающих одну
s-орбиталь и составляющих s-подуровень, а поэтому рядом с
буквенным обозначением подуровня записываем цифру 2 в
виде показателя степени. На втором энергетическом уровне
8 электронов (2 электрона на s-подуровне и 6 электронов на
р-подуровне). На р-подуровне 6 электронов, так как
р-подуровень имеет три орбитали, оси которых проходят по
математическим осям координат, а на каждой орбитали по
два электрона (по принципу Паули). На третьем энергетическом уровне есть три подуровня: s, p, d и всего 8 электронов,
занимающих s- и р-подуровни, а орбитали d-подуровня —
свободны. Четвёртый энергетический уровень в атоме кальция — внешний. На внешнем уровне заполняются только s- и
р-подуровни. Заполнен только s-подуровень, а орбитали
р-подуровня — свободны. Обращаем внимание на порядок
заполнения подуровней: первым заполняется s-подуровень
как подуровень, в котором энергия электронов — наименьшая, затем заполняется р-подуровень и т.д. Каждый последующий электрон занимает ту орбиталь, в которой его положение наиболее энергетически выгодно (по принципу наименьшей энергии).
2 2s22p6
1s
3s23p63d0 4s24p0 — электронная формула эле-
мента кальция.
96
Электронная формула показывает, что атом кальция имеет
4 энергетических уровня — это мы видим из цифр, записанных
в формуле перед буквенными обозначениями подуровней. Электронная формула показывает, что в атоме кальция четвёртый —
внешний энергетический уровень — незавершённый (нет 8
электронов); незавершённым является и третий внутренний
слой, так как его d-орбитали — свободны, а общее число электронов в уровне всего — 8, а по формуле 2n
2
их должно быть 18.
Приведённая ниже табл. 10 даёт возможность помочь в составлении электронных формул химических элементов ещё
на одном примере — составление электронной формулы рубидия.
Таблица 10
Строение электронных оболочек атомов
внутренние слои внешний слой
n
= 1 n = 2 n =3 n =4 n = 5
Rb + 37 ) ) ) ) )
2 8 18 8 1
незавершённые
Номер энергетического
уровня, n
Число подуровней, n 1 2 3 4
Буквенное обозначение
подуровней
Число орбиталей в энерге-
тическом уровне — n
Максимально возможное
число электронов на внутреннем уровне — 2n
Электронная формула
элемента
рубидия
123 4 5
s s p s p d s p d f s p
1 (одна s ) 4 (одна s,
2
2 8 18 32 8
2
2
1s
три р-орбитали)
2s22p
9 (одна s,
три р,
пять d)
6
3s23p63d104s24p64d04f05s
16 (одна s,
три р, пять d,
семь f)
s p
1
§ 42. Заполнение электронных оболочек в атомах
элементов малых и больших периодов
(цветовая гамма
периодической системы химических элементов)
Если вы посмотрите на современный вариант периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, то вы
увидите, что клетки, в которых записаны химические знаки
элементов, имеют разный цвет, указывающий на то, какой
97
подуровень заполняется в атомах того или иного элемента.
Так первые два элемента как больших, так и малых периодов
имеют клетки одинакового цвета — это говорит о том, что в
их атомах идёт заполнение одного и того же подуровня —
s-подуровня; этих элементов — два, так как s-подуровень состоит из одной s-орбитали, а на одной орбитали может быть
только два электрона. Во втором и третьем малых периодах
вслед за указанными двумя элементами имеется по шесть элементов, так как в атомах этих элементов идёт заполнение
р-подуровня, а в нём три орбитали, а на каждой орбитали по
два электрона; цвет клеток, в которых расположены
р-элементы, одинаков.
Если же посмотрим на большие периоды, в частности, на
четвёртый период, то увидим,что клетки элементов, следующих за кальцием, имеют свою, отличную от других элементов, окраску; это — d-элементы, у которых идёт заполнение
d-подуровня. Вернёмся к атому кальция (см. схему строения
атома кальция выше). В атоме кальция 4-й (внешний слой) и
3-й (внутренний слой) — незавершённые, но электрон по
принципу наименьшей энергии идёт не на внешний 4-й слой,
а на 3-й внутренний слой для заполнения d-подуровня предпоследнего внутреннего уровня — так энергетически более
выгодно для всей электронной системы атома. Следовательно, скандий на 3-м энергетическом уровне имеет 9 электронов, а затем у последующих за скандием элементов идёт постепенное заполнение d-подуровня до 10 электронов, а в целом на 3-м энергетическом уровне число электронов
становится равным 18 — слой становится завершённым, т. е.
число электронов соответствует формуле 2n
2
, где n = 3.
Существует ещё одна классификация элементов на
основании их электронного строения. По этой классификации
все известные химические элементы подразделяются на s-, p-,
d- и f-элементы в зависимости от того, какая орбиталь у атома
заполняется последней.
§ 43. Значение периодического закона
Используя периодический закон, Д.И. Менделеев предсказал существование в природе таких элементов, как
например, скандий, галлий, германий (для этих элементов в
первоначальных вариантах таблицы были оставлены пустые
клетки. (См. § 36.) Он описал их свойства и ещё при жизни
98
Д.И. Менделеева его предсказания оправдались: эти элементы
были открыты и свойства, предсказанные Д.И. Менделеевым,
подтвердились с удивительной точностью. Руководствуясь
периодическим законом Д.И. Менделеев исправил атомные
массы и валентность многих химических элементов, которые
были определены до него неправильно. Примером может
служить Ве, атомная масса которого была принята равной
13,5, а валентность считали равной трём. Д.И. Менделеев
подсчитал на основании своего закона, что масса бериллия
должна быть равна 9, а валентность должна быть равна двум.
Периодическая система — это система химических
элементов, а из них состоит вся живая и неживая природа.
Следовательно, периодический закон — это не только
основной химический закон, но и основной закон природы.
В периодическом законе и в периодической системе
химических элементов ярко проявляются общие законы
развития природы:
1) закон перехода количественных изменений в каче-
ственные
Изменения в свойствах элементов происходят скачкообразно. Различают малый скачок и большой скачок. В периоде при увеличении заряда ядра на 1 единицу происходит постепенное изменение свойств от типичных металлов к типичным неметаллам (малые скачки), а при переходе от одного
периода к другому происходит большой скачок и переход совершенно к новому качеству — от инертного газа к типичному металлу;
2) закон отрицания отрицания
Если проследить изменение свойств от начала периода, где
находятся элементы-металлы, к концу периода, где расположены элементы-неметаллы, а затем к началу следующего периода, где опять находятся элементы-металлы, то можно убедиться в правильности закона отрицания отрицания (отрицание металлических свойств неметаллическими и снова
отрицание неметаллических свойств металлическими);
3) закон единства и борьбы противоположностей
В едином атоме заключены противоположные по зарядам
частицы (электрон и протон). Любой элемент имеет как свойства металла, так и свойства неметалла. Ярче всего этот закон
проявляется в переходных элементах.
99
Вопросы и материалы к главе 6
Вопросы и задания
по теме «Строение атома»:
1. Дайте краткую характеристику частиц, входящих в состав атома.
2. Какие частицы определяют заряд атомного ядра?
3. Какие частицы определяют атомную массу?
4. Что такое химический элемент?
5. Что такое изотопы?
6. Что показывает порядковый номер элемента?
7. Почему атом — электрически нейтральная частица?
8. Дайте современную формулировку периодического закона
Д.И. Менделеева.
9. Что показывает номер периода?
10. Что общего находят в строении атомов элементов одного и того
же периода?
11. По какой формуле определяют максимально возможное число
электронов на внутренней оболочке атома?
12. Какой внутренний слой считается завершённым?
13. Какой наружный слой считается завершённым?
14. Что показывает номер группы?
15. Как можно объяснить постепенный переход металлических
свойств в неметаллические у элементов одного периода с точки
зрения строения атома?
16. Как с точки зрения строения атома можно объяснить причину резкого изменения свойств у элементов при переходе от одного
периода к другому?
17. Как с точки зрения строения атома можно объяснить наличие
сходных свойств у элементов одного и того же семейства?
18. Как можно объяснить периодичность изменения свойств химических элементов при рассмотрении их в порядке возрастания
заряда атомного ядра?
19. Какую особенность строения атомов можно отметить у
элементов-металлов?
20. Какую особенность строения атомов можно отметить у
элементов-неметаллов?
21. Какую особенность строения атомов можно отметить у инертных газов?
22. От чего зависит проявление тех или иных свойств у элементов?
23. Каково представление об электроне в современной теории
строения атома?
24. Можно ли указать точное положение электрона в атоме в любой момент времени?
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]