Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неорганическая химия сборник упражнений. Для студентов-иностранцев. Учебное пособие
.pdf
41
Валентный электрон находится на 3s-орбитали. Эта орбиталь
находится на третьем энергетическом уровне, поэтому главное
квантовое число n = 3. Для s-орбитали любого энергетического
уровня побочное квантовое число l = 0, магнитное число ml= 0.
Спин электрона ms может принимать два значения +1/2 или -1/2.
Ответ: n = 3, l = 0, ml=0,ms= +1/2 или -1/2.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: электронная оболочка –; орби-
таль –; квантовое число: главное –; побочное –; магнитное –;
спин электрона –.
2. Сколько энергетических подуровней находится на элек-
тронных слоях: K; L; M; N?
3. Какой слой образуют электроны с n = 3 и n = 5?
4. Напишите возможные значения четырех квантовых чисел
для валентного p-электрона атома алюминия и d-электрона атома
скандия.
5. Рассчитайте максимальное число электронов на каждом
энергетическом уровне.
2.4. Электронные формулы атомов
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
конфигурация configuration configuration(f) ﺐﯿﺗﺮﺘﻟا
завершенный completed fini, accomplir ﻲﺋﺎﮭﻨﻟا
запас reserve réserve(f) طﺎﯿﺘﺣا
возрастание increase augmentation(f) ةدﺎﯾز ، ﻮﻤﻧ
порядок order ordre(m) ﻞﯿﻜﺸﺗ ، ﺐﯿﺗﺮﺗ ، مﺎﻈﻧ
заполнение filling remplissage(m) ءﻼﻣأ ،ﻮﺸﺣ
проскок jumping accroissement(m) ﻞﻠﺴﺗ،ﺰﻔﻗ
внешний outer extérieur ﻲﺟرﺎﺧ
Расположение электронов по энергетическим уровням и ор-
биталям изображают в виде электронных формул (конфигураций).
В этих формулах энергетические уровни обозначаются цифрами
42
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, а подуровни (орбитали) – буквами s, p, d, f. Число
электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается справа вверху от буквы, показывающей подуровень. Цифра,
которая записывается слева снизу от символа элемента, показывает число электронов в атоме.
Последовательность заполнения электронных слоев опреде-
ляется правилом наименьшего запаса энергии. Орбитали
заполняются электронами в порядке возрастания их энергии,
которая характеризуется суммой n + l. При этом если сумма n + l
двух разных орбиталей одинакова, то раньше заполняется та
орбиталь, у которой n меньше (табл. 4).
Таблица 4
Порядок заполнения орбиталей по сумме n + l
n l n + l Орбиталь Порядок
заполнения
1 0 1 + 0 = 1 1s 1
2 0
1
3 0
1
2
4 0
1
2
3
5 0
1
2
3
6 0
1
2
3
7 0
1
2 + 0 = 2
2 + 1 = 3
3 + 0 = 3
3 + 1 = 4
3 + 2 = 5
4 + 0 = 4
4 + 1 = 5
4 + 2 = 6
4 + 3 = 7
5 + 0 = 5
5 + 1 = 6
5 + 2 = 7
5 + 3 = 8
6 + 0 = 6
6 + 1 = 7
6 + 2 = 8
6 + 3 = 9
7 + 0 = 7
7 + 1 = 8
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
5p
5d
5f
6s
6p
6d
6f
7s
7p
2
3
4
5
7
6
8
10
13
9
11
14
17
12
15
18
20
16
19
Порядок заполнения электронных орбиталей энергии сле-
дующий (рис. 3):
1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d10…
43
Например, электронная формула атома водорода (порядко-
Энергия орбиталей
вый номер 1) записывается так:1H 1s1. Электронная формула
атома гелия (порядковый номер 2) имеет вид2He 1s2.
Электронные формулы некоторых элементов второго пе-
риода имеют вид3Li 1s22s1;4Be 1s22s2;5B 1s22s22p1; …10He
1s22s22p6.
В атомах элементов третьего периода формируется третий
энергетический уровень. Вначале заполняется s-подуровень,
потом – p-подуровень, заполнение d-подуровня не происходит:
Na 1s22s22p63s1 …13Al 1s22s22p63s23p1 …18Ar 1s22s22p63s23p6.
11
7p
6d
5f
7s
6p 6
5d
6s 4f
5p
4d
5s
4p
3d
4s
3p
3s
2p
2s
1s
Рис. 3. Энергетическая диаграмма атомных орбиталей
44
У первых двух элементов четвертого периода после запол-
нения 3p-орбитали заполняется 4s-орбиталь, а не 3d-орбиталь:
K 1s22s22p63s23p64s1 ;20Ca 1s22s22p63s23p64s2.
19
Начиная с элемента № 21 – скандия, происходит заполнение
электронами d-подуровня третьего энергетического уровня.
На этом подуровне может быть 10 электронов, поэтому в
атомах десяти элементов (Sc – Zn), начиная со скандия, заполняется только 3d-подуровень:
Sc 1s22s22p63s23p64s23d1 или 1s22s22p63s23p63d14s2.
21
Электронные формулы записываются по порядку номеров
уровней энергии электронов:
Mn 1s22s22p63s23p63d54s2 …30Zn 1s22s22p63s23p63d104s2.
25
Достройка третьего энергетического уровня завершается у
атома цинка. В атомах последующих элементов продолжает
заполняться четвертый уровень:
Ga 1s22s22p63s23p63d104s24p1 …36Kr 1s22s22p63s23p63d104s24p6.
31
Заполнение энергетических уровней и подуровней атомов
элементов 5-го периода происходит аналогично заполнению
атомов элементов 4-го периода. Начиная с элемента № 39 –
иттрия, у десяти элементов (Y – Cd) происходит заполнение
электронами 4d-подуровня:39Y 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2;
Cd 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2.
48
Далее49In 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p1.
В атомах элементов 6-го и 7-го периодов, начиная соответственно с церия Ce (№ 58) и протактиния Pa (№ 91), появляются
электроны на f-подуровнях:
Ce 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f25s25p66s2;
58
Pa 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f26s26p66d17s2.
91
При написании электронных формул атомов некоторых элементов следует учитывать так называемый «проскок» («провал»)
электрона с внешнего энергетического уровня на предпоследний
уровень. «Проскок» электрона обеспечивает атомам некоторых
элементов меньшую энергию по сравнению с заполнением электронных оболочек по правилу наименьшего запаса энергии.
Так, электронная формула хрома должна иметь вид:
1s22s22p63s23p63d44s2. Однако на внешнем уровне в атоме хрома не
два электрона, а один, т. к. второй электрон «проскочил» на
45
d-подуровень второго снаружи уровня. В таком случае расположение электронов в атоме хрома следующее: 1 s22s22p63s23p63d54s1.
В атоме палладия на пятом энергетическом уровне вообще
отсутствуют электроны – они «проскочили» на соседний уровень:
Pd 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s0.
46
В электронных формулах атомов часто полностью завершенные энергетические уровни обозначаются символами электронных слоев, например,33As KLM4s24p3 или33As [Ar] 3d104s24p3,
где [ Ar] обозначает электронную оболочку атома аргона.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: электронная формула –; правило
наименьшего запаса энергии –; энергетический уровень –;
энергетический подуровень –; «проскок» электрона –.
2. Укажите элемент, у которого: а) заканчивается заполнение электронами 3d-орбиталей; б) начинается заполнение электронами 4p-орбитали?
3. Напишите электронные формулы атомов элементов с зарядом ядра: а) +8, б) +13, в) +23, г) +53, д) +63, е) +83.
4. Среди приведенных ниже электронных формул укажите
невозможные и объясните причину невозможности их реализации: а) 1p3, б) 3p6, в) 3s2, г) 2d5, д) 5d2, е) 3f12, ж) 4p7.
2.5. Графические электронные формулы
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
графический graphic graphique ، ﻲﻄﺧ ، ﻲﻄﯿﻄﺨﺗ ...ﻢﺳر
основной basic, ground fondamental ةﺪﻋﺎﻗ ، ﻲﺳﺎﺳأ
возбужденный excitation excité ﺞﯿﮭﻣ)رﺎﺜﻣ(
состояние state état(m) ﺔﻟﺎﺣ
стабильный stable stable ﺮﻘﺘﺴﻣ
свободный free libre ﺮﺣ
переход transition passage(m) رﻮﺒﻋ ،ﻞﻘﻧ
предел limit limite(f) ﻞﺻﺎﻓ،ﺪﺣ
46
Графические электронные формулы показывают распреде-
↑↓↑↓↑↓
↑↓↑↓↑↓
ление электронов не только по уровням и подуровням, но и по
орбиталям. Для этого используются приведенные ранее обозначения орбитали и электронов (квантовая ячейка ).
Электронная формула атома хлора:17Cl 1s22s22p63s23p5 в
графическом виде имеет вид
n = 3
n = 2
n = 1
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
↑
d
p
s;
или
n = 3
n = 2
n = 1
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
↑
p
s.
Если p-, d- или f-подуровни не заполнены, то электроны зани-
мают максимальное число орбиталей согласно правилу Гунда
(наибольшего суммарного спинового числа): суммарное спиновое
число электронов данного подуровня должно быть максимальным.
Например, при заполнении электронами 2p-подуровня
атома углерода возможны два варианта:
1)
n = 2
n = 1
↑↓ ↑ ↑
↑↓
p
s;
2)
n = 2
n = 1
↑↓ ↑↓
↑↓
p
s.
Так как суммарный спин двух p-электронов в варианте 1
(ms = +1/2 +1/2 = 1) больше, чем в варианте 2 (ms = +1/2 –1/2 = 0), то
заполнение орбиталей происходит по первому варианту.
Атомы могут находиться в основном или возбужденном со-
стоянии. Атомы в основном состоянии обладают наименьшим
количеством энергии. При получении извне дополнительной
47
энергии атомы переходят в возбужденное состояние, которое
сопровождается переходом электронов на свободную орбиталь
более высокого энергетического уровня или подуровня. Энергия,
необходимая для перехода атома в возбужденное состояние,
называется энергией возбуждения.
Например, атом гелия в основном состоянии имеет элек-
тронную формулу:2He 1s2. Возбуждение атома гелия сопровождается переходом электрона с первого энергетического уровня на
второй, и электронная формула принимает вид:2He* 1s12s1. При
возбуждении атома бериллия (4Be 1s22s2) переход электрона
осуществляется с 2s-орбитали на 2p-орбиталь в пределах одного
энергетического уровня (4Be* 1s22s12p1), поэтому энергия возбуждения для бериллия меньше, чем для гелия.
Так, графическая формула атома углерода в возбужденном
состоянии (электрон с 2s-орбитали переходит на 2p-орбиталь)
имеет вид
n = 2
n = 1
↑ ↑ ↑ ↑
↑↓
p
s.
Как видно, атом углерода в возбужденном состоянии имеет
четыре валентных электрона (в основном состоянии – два). В
основном состоянии углерод имеет валентность два, в возбужденном состоянии – четыре.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: графическая электронная форму-
ла –; основное состояние атома –; возбужденное состояние
атома –; квантовая ячейка –; энергия возбуждения –.
2. Изобразите графические электронные формулы атомов
магния, хрома, ниобия.
3. Сколько свободных 3d-орбиталей имеют возбужденные
атомы хлора, ванадия, марганца?
4. Сколько валентных электронов содержат невозбужденные атомы бора, серы, мышьяка, ртути, европия?
5. Изобразите графические электронные формулы возбужденных атомов алюминия, магния, хлора.
48
2.6. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
и электронная теория строения атома
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
положение position position(f) ﻊﺿو ،ﺔﻟﺎﺣ ، ﻊﻗﻮﻣ
закономерность conformity to
natural laws
предпоследний last but one avant-dernier ﺮﯿﺧﻻا ﻞﺒﻗ
сonformité(f) à la
loi
،ﺔﯿﻋﺮﺷ ، ﺔﯿﻧﻮﻧﺎﻗ
ﺔﯿﻌﯿﺒط
Между положением химического элемента в периодической
системе короткопериодной формы и строением атома, и его
свойствами существуют определения.
1. Число энергетических уровней в атоме любого элемента
равно номеру периода, в котором он находится. Например, атомы
элементов водорода и гелия имеют только один энергетический
уровень – они находятся в первом периоде, атомы восьми элементов от Li до Ne имеют два энергетических уровня – они находятся
во втором периоде.
2. Число электронов во внешнем слое атомов всех элементов не
больше восьми. Периодическая система состоит из восьми групп.
3. Число электронов во внешнем слое атомов элементов
главных подгрупп (кроме He) равно номеру группы, в которой
находится элемент. У элементов побочных подгрупп III – VII
групп, а также у четырех элементов побочной подгруппы VIII
группы (Fe, Ru, Os, Hs) общее число электронов на s-орбитали
внешнего энергетического уровня и d-орбитали предпоследнего
уровня равно номеру группы. Например, электронная формула
валентных электронов в атоме рения имеет вид75Re … 5d56s2.
Общее число электронов на s- и d-орбиталях семь. Поэтому рений
находится в VII группе побочной подгруппе.
4. У элементов главных подгрупп заполняются s- и p-орбитали последнего слоя: соответственно это s- и p-элементы
(табл. 5). Во внешнем электронном слое атомов побочных подгрупп обычно находятся один или два s-электрона. Поэтому у
этих элементов заполняются d-орбитали второго снаружи слоя
49
(это d-элементы, расположенные в больших периодах: № 21 – 30;
№ 39 – 48: № 57, 72 – 80, № 89, 104 – 112) или f-орбитали третьего
снаружи слоя (это f-элементы, расположенные в 6 и 7 периодах:
соответственно лантаноиды и актиноиды).
Таблица 5
Электронные формулы элементов второго периода
Элементы Электронный
слой.
Орбиталь
Элементы главных подгрупп
s-элементы последний
s-орбиталь
p -элементы последний
p -орбиталь
Элементы побочных подгрупп
d -элементы предпоследний
(второй с наружи)
d -орбиталь
f-элементы пред предпоследний
(второй с наружи)
f-орбиталь
Электронная
формула
2
ns
6
ns2np
(n ≥ 2)
(n-1) d10 ns
(n ≥ 4)
(n-2) f14(n-1)5s
(n-1) p6n-s
2
(n ≥ 6)
Нахождение
в периодической
системе
элементы
подгрупп IA и IIA
элементы
подгрупп IIIA – VIIIA
2
2
элементы
подгрупп IБ – VIIIБ
лантаноиды
(№ 58 – 71)
актиноиды
(№ 90 – 103)
В современном варианте периодической системы элементов
также каждый период начинается с двух s-элементов (элементы
1 и 2 групп), а также водород и гелий и заканчивается (кроме
первого периода) шестью p-элементами (элементы 13 – 18 групп).
В 4 – 7 периодах между s- и p-элементами расположено по 10 d-элементов (элементы 3 – 12 групп). В шестом и седьмом периодах
расположено по четырнадцать f-элементов – это соответственно
лантаноиды и актиноиды, которые, как и раньше, находятся в
3 группе. Современная форма таблицы лишена несоответствий и
недостатков, присущих ее короткой форме, например различие
свойств элементов находящихся в одной группе. Так, например, в
I группе короткой формы находятся металлы Cu, Ag, Au, Rg
(подгруппа IВ) и противоположные по активности щелочные
металлы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (подгруппа IА). В современной
форме таблицы щелочные металлы остались в 1 группе, а металлы
Cu, Ag, Au, Rg переведены в 11 группу.
50
Пример. Определите элемент, его местонахождение в пе-
риодической системе, если его электронная формула имеет
следующий вид: …5s25p5.
Решение.
Определяют элемент и находят его местоположение в периодической системе двумя способами.
1. Составляют полную электронную формулу атома элемента и определяют число электронов в атоме, которое указывает
на порядковый номер элемента. Электронная формула этого
элемента будет иметь вид: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p5.
Число электронов равно 5 3, следовательно, порядковой но-
мер элемента в периодической системе равен 53.
Ответ: йод.
2. Сокращенная электронная формула …5s25p5 показывает,
что число энергетических уровней в атоме элемента рано пяти,
значит этот элемент находится в 5 периоде. Элемент, в атоме
которого заполняются p-орбитали внешнего слоя, находится в
главной подгруппе. Число электронов во внешнем слое атома
элемента равно семи (2 е- на 5s-орбитали + 5е- на 5p-орбитали),
поэтому элемент находится в VII группе.
Ответ: йод (5-й период, VII группа, главная подгруппа).
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: электронный слой –; s-, p-, d-, f-
элементы –; квантовая ячейка –; энергия возбуждения –.
2. Сколько электронных слоев имеют атомы элементов:
алюминия, галлия, ниобия, гафния, свинца?
3. Сколько электронов содержится на внешнем энергетическом уровне атомов: натрия, титана хрома, брома, родия, серебра,
кадмия, лантана?
4. Определите положение элементов в периодической системе (период, группа, подгруппа), если известны их электронные
формулы: а) 1s22s22p63s23p3; б) 1s22s22p63s23p63d54s2; в) …5d56s2;
г) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f25s25p66s2; д) … 5s25p3.
5. Сколько электронов находится на 4d-подуровне в атомах
циркония, молибдена, серебра и гафния?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]