Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая, неорганическая и аналитическая химия. Учебное пособие
.pdf
21
9. Напишите электронные формулы атома кальция и
иона Ca2+. Укажите валентность кальция в нормальном и возбужденном состояниях. Какие значения принимают кантовые
числа для внешних электронов атома кальция?
10. Напишите электронные формулы атома Te и иона
Te2-. Докажите, что валентность теллура в соединениях 2, 4, 6.
11. Напишите электронную формулу атома меди; учти-
те, что у меди происходит провал одного 4s электрона на 3d-
подуровень. Приведите электронные формулы двух последних уровней электронных аналогов меди.
12.Напишите электронные формулы атома Ba и иона
Ba2+. Какую валентность проявляет барий в нормальном и
возбужденном состояниях? Структуру какого инертного газа
имеет ион Ba2+?
13.На каком основании иттрий (Z=39) и индий (Z=49)
помещены в одну группу периодической системы элементов
Д.И. Менделеева? Почему они в разных подгруппах? Приведите валентные электроны этих элементов и их электронных
аналогов.
14. Напишите электронные формулы и электронно-
графические схемы атомов фосфора и ванадия в нормальном
и возбужденном состояниях. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?
15. Что такое изотопы? Приведите примеры изотопов
какого-либо элемента, напишите электронную формулу изотопов этого элемента. Почему изотопы элемента имеют сходные химические свойства?
22
16. Составьте электронные формулы и электронно-
графические схемы атомов элементов с порядковыми номерами 23 и 33 в нормальном и возбужденных состояниях. Приведите валентные электроны этих элементов и их электронных аналогов.
17. Структуры валентных электронных слоёв атомов
элементов выражаются формулами:
а) 5s25p4; б) 3d54s1; в) 7s2. Определите порядковые номе-
ра, приведите названия элементов, а также укажите принадлежность к электронным семействам.
18. Напишите электронные формулы атома водорода и
ионов Н+, Н-. Какие элементарные частицы входят в состав
атома водорода и ионов? Вычислите энергию связи электрона
в электрон-Вольтах (эВ) на первой и пятой стационарных орбиталях атома водорода и сравните (<, >) их величины.
19. Напишите электронные формулы атома железа,
ионов Fe2+ и Fe3+. Докажите с помощью электроннографической схемы, что максимальная валентность железа в
соединениях равна 6.
20. Какое состояние атома называется основным и какое
– возбужденным? Чем ион отличается от нейтрального атома?
Ответы на вопросы подтвердите написанием электронных
формул атома брома и бромид-иона. Изобразите электроннографические схемы атома брома в нормальном и возбужденных состояниях.
23
V.IIПериодический закон и периодическая система
химических элементов Д.И. Менделеева
Современная формулировка периодического закона:
Свойства элементов, а также формы и свойства
соединений этих элементов, находятся в периодической
зависимости от величины заряда ядра их атомов.
Существует более 400 вариантов изображения периодической системы Д.И.Менделеева. Наиболее распространены
клеточные варианты, из них: восьми (короткий) –, восемнадцати (полудлинный) – и тридцатидвухклеточный (длинный),
соответствующие электронным слоям из 8, 18, и 32 электронов.
Периодическое изменение свойств элементов при увеличении порядкового номера объясняется тем, что периодически повторяется строение внешнего электронного слоя в
атоме.
В периодической таблице можно выделить горизонтальные и вертикальные ряды – периоды и группы.
Период− это последовательность элементов, атомы ко-
торых имеют одинаковое число электронных слоев (энергетических уровней), это число равно номеру периода.
В пределах одного периода у s- и p-элементов идет заполнение внешнего слоя, у d-элементов – предвнешнего, у fэлементов – третьего снаружи. Поэтому наиболее сильно отличаются по свойствам соседние s-(p-)элементы. У d-и fэлементов отличия в свойствах проявляются незначительно.
d- и f-Элементы одного периода объединяются в семейства по
10 и 14 элементов, соответственно. Семейство 4f-элементов
называют лантаноидами, семейство 5f-элементов называют
актиноидами.
Группа – вертикальный ряд элементов, состоящий из
двух подгрупп.
24
Положение в группах s-и p-элементов определяется об-
щим числом электронов внешнего слоя. Эти элементы составляют главную подгруппу (подгруппа А).
Положение в группах d–элементов определяется общим
числом s –электронов внешнего и d – электронов предвнешнего слоев. d-Элементы образуют побочную, или подгруппу
В.
Поведение простых веществ и химических соединений в
различных реакциях зависит от размеров (радиусов) их атомов. Радиус атома – это расстояние от ядра атома до области
наибольшей электронной плотности внешнего слоя.
Атомные радиусы в подгруппах периодической системы
возрастают с увеличением порядкового номера элемента, поскольку увеличивается число электронных уровней (оболочек), а с ним и эффективный радиус атома, эта закономерность сохраняется и для d – элементов. В периодах с увеличением порядкового номера радиусы атомов, как правило,
уменьшаются. Объясняется это тем, что в пределах одного
периода число электронных уровней не изменяется, в то время как заряд ядра увеличивается, и облака внешних электронов все с возрастающей силой притягиваются к ядру.
У переходных элементов, лантаноидов и актиноидов
(т.е. у всех d- и f- элементов) радиус атома в пределах периода
изменяется мало. Объясняется это тем, что нарастание заряда
у атомов этих элементов в значительной степени компенсируется соответствующим увеличением отрицательного заряда в
предвнешнем слое электронов и внешние электроны не испытывают притяжения со стороны ядра по мере усложнения
структуры атома.
От размера атома или образованного им иона в неменьшей степени, чем от заряда ядра, зависит лёгкость, с которой
этот атом или ион теряет или приобретает электроны. Критерием этой лёгкости являются энергия (потенциал) иониза-
ции, сродство к электрону и электроотрицательность.
25
Энергией ионизации ( I ) называется количество энер-
гии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного
атома и превращения его в ион Э+:
Э0 + I = Э+ + ē
Энергия ионизации атома сильно зависит от его электронной конфигурации. Завершенные слои проявляют повышенную устойчивость. Наименьшими значениями энергий
ионизации обладают s-элементы первой группы (Li, Na, K).
Энергии ионизации в пределах главных подгрупп с увеличением порядкового номера уменьшаются, а восстановительная
способность (металличность) нейтральных атомов увеличивается. В периодах значение энергии ионизации, с возрастанием порядкового номера, увеличивается, а восстановительная способность нейтральных атомов уменьшается. Таким
образом, среди s- и p- элементов наиболее сильные восстановители находятся слева внизу (лучший из них – франций), а
наиболее слабые – справа вверху (особенно фтор, окислить
который вообще не удается). В пределах декад переходных
элементов (d- элементов), а также у лантаноидов и актиноидов (f- элементов) значение энергии ионизации с возрастанием порядкового номера постепенно увеличиваются, но незначительно, поскольку с возрастанием порядкового номера мало
изменяются радиусы атома.
Сродством к электрону (F) называется энергия, кото-
рая выделяется при присоединения электрона к нейтральному
атому Э0 с превращением его в отрицательный ион Э−
Э0 + ē = Э−+F
Чем больше сродство к электрону, тем выше окислительная способность (неметалличность) данного атома.
Наибольшим сродством к электрону обладают р-элементы VII
26
группы. Наименьшее сродство к электрону имеют атомы с
конфигурацией …s2 (Be, Mg, Zn) и …s2p6 (Ne, Ar, Kr). Это
служит доказательством повышенной устойчивости указанных электронных конфигураций.
Понятие электроотрицательности (ЭО) позволяет
оценить способность атома данного элемента к оттягиванию
на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения. Эта способность связана с энергией
ионизации и сродства к электрону. Мерой электроотрицательности является полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону (табл.3):
ЭО = ½ (I + F).
Чем выше значение ЭО для данного элемента, тем более
выражены его неметаллические свойства, тем больше способность его атомов притягивать облака связевых электронов и
приобретать отрицательный эффективный заряд.
Из вышесказанного следует, что в периоде, вследствие
увеличения заряда ядра, усиливается притяжение электронов
ядром, что приводит к (см.таблицу 2)
- уменьшению радиуса атома,
- увеличению энергии ионизации,
- увеличению сродства к электрону,
- увеличению электроотрицательности,
- уменьшению металличности,
- увеличению неметалличности.
Таблица 3
Эл-ты
3
Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne
r, нм
0,155
0,113
0,091
0,077
0,071
0,060
0,072
0,160
I,эВ
5,39
9,32
8,30
11,26
14,53
13,62
17,42
21,56
F, эВ
0,59
-0,19
0.30
1,27
-0,21
1,47
3,45
-0,57
ЭО**)
1,0
1,53
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
-
**) шкала электроотрицательности по Полингу.
27
В группе (сверху вниз) увеличение заряда ядра и увеличение количества электронных слоев приводит к увеличению
атомного радиуса и ослаблению силы притяжения ядром
электронов, что приводит к (см. таблицу 4):
- уменьшению энергии ионизации,
- уменьшению сродства к электрону,
- уменьшению электротрицательности,
- увеличению металличности,
- уменьшению неметалличности.
Таблица 4
Эл-ты r, нм
I, эВ
F, эВ
ЭО
3
Li
0,155
5,39
0,59
1,0
11
Na
0,189
5,14
0,34
0,91
19
K
0,236
4,34
0,50
0,81
37
Rb
0,248
4,18
0,60
0,80
55
Cs
0,268
3,89
0,39
0,72
87
Fr
0,280
3,98
-
-
Примеры решения задач
Пример 1. Какой элемент 4 периода – марганец или
бром проявляет металлические свойства?
Решение. Полные электронные формулы элементов:
25
Mn – 1s22s22p6 3s23p63d54s2
35
Br – 1s22s22p6 3s23p6 3d10 4s24p5
28
Марганец является d-элементом VIIB подгруппы, а бром
– p-элемент VIIA подгруппы. На внешнем энергетическом
уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома –
семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием
небольшого числа электронов на внешнем энергетическом
уровне, а, следовательно, способны терять электроны. Они
обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.
Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом
уровне содержат более трех электронов, обладают в основном
сродством к электрону, а, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют элементарные отрицательные ионы.
Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает
только восстановительными свойствами, тогда как для брома
более свойственна окислительная функция. Общей закономерностью для всех групп, относящихся к d-электронному
семейству, является преобладание металлических свойств.
Следовательно, металлические свойства проявляет марганец.
Пример 2. Как зависят кислотно-основные свойства ок-
сидов и гидроксидов от степени окисления образующих из
атомов? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?
Решение. Если элемент проявляет переменную степень
окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с
увеличением степени окисления свойства их изменяются от
основных к амфотерным и кислотным. Например: оксиды и
гидроксиды хрома, марганца, ванадия и др. Это объясняется
характером электролитической диссоциации (ионизации)
гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной
прочности и полярности связей Э-О и О-Н может протекать
по двум направлениям:
29
основному - ЭОН Э+ + ОН- или
кислотному - ЭОН ЭО - + Н+
Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей и эффективными зарядами
атомов. Приводим пример диссоциации амфотерных гидроксидов (амфолитов):
Э
n+
+ nОН- Э(ОН)n ; НnЭОnnН+ + ЭОn основной тип кислотный тип
диссоциации диссоциации
В кислой среде амфолит проявляет основной, а в ще-
лочной среде – кислотный характер.
Рассмотрим амфотерные свойства оксидов и гидрокси-
дов хрома.
Приводим сокращенную электронную формулу атомов
хрома: 24Cr - … 3d54s1.
Хром образует оксиды: Cr+2O, Cr
2
+3
O3, Cr+6O3, которым
соответствуют следующие гидроксиды:
Cr
+2
(OH)2, Cr
+3
(OH)3, H2Cr+6 O4и H2Cr
+6
2 O7
.
Для CrO и Cr(OH)2 характерны основные свойства, для
Сr2O3 и Cr(OH)3 – амфотерные свойства, для CrO3, H2CrO4 и
H2Cr2O7 – кислотные свойства.
Докажем амфотерные свойства тригидроксида хрома:
Cr(OH)3 + 3NaOH = Na3[Cr(OH)6];
Cr(OH)3 + 3OH- = [Cr(OH)6]3-.
В данной реакции Cr(OH)3 проявляет кислотные свойства.
Cr(OH)3 + 3HCl = CrCl3 + 3H2О,
Cr(OH)3 + 3H+ = Cr3+ + 3H2O.
В данной реакции Cr(OH)3 проявляет основные свойства.
30
Контрольные задания
21. Исходя из положения серы, фосфора и хлора в пери-
одической системе, определите, как изменяются окислительные свойства кислот: H2SO4, H3PO4, HClO4?
22. Приведите современную формулировку периодиче-
ского закона. Объясните, почему в периодической системе
элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя
имеют бóльшую атомную массу. Как называются пары таких
элементов?
23.Какую высшую и низшую степени окисления прояв-
ляют молибден, йод и цирконий? Почему? Составьте формулы соединений, отвечающих этим степеням окисления и
изобразите их структурные формулы.
24. Как изменяются металлические свойства в VВ под-
группе периодической системы? Ответ мотивируйте, исходя
из строения атомов элементов и величин важнейших их характеристик: радиусов атомов и энергий ионизации.
25. Исходя из положения хрома, селена, углерода и серы
в периодической системе, определите, какая из кислот является более сильным окислителем: а) H2CrO4 или H2SeO4, б)
H2CO3 или H2SO3.
26. Как изменяются неметаллические свойства в VIА
подгруппе периодической системы? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов элементов и величин важнейших их
характеристик: радиусов атомов и электроотрицательностей.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]