Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник задач по химии. Учебное пособие
.pdf
Пример 1. Укажите, в каком периоде, какой группе и под-
Элемент
Период
Группа
Подгруппа
атомный номер 6
C
2
IV
Главная
11
Na 3 I
Главная 30Zn 4 II
Побочная
47
Ag 5 I
Побочная
2
He 1 VIII
Главная
25
Mn 4 VII
Побочная
63
Eu 6 III
Побочная
Дано:
Элемент V группы
Mr(Э xOy) = 142
Решение
Элемент находится в V группе, поэтому его валентность равна V, валентность кислорода равна II.
Найти:
Элемент
Для определения формулы оксида
применяется правило: в молекуле бинарного соединения произведение валентности
на число атомов элемента равно произведению валентности на число атомов кислорода: Э 2O5.
группе находятся следующие элементы: углерод, натрий, цинк,
серебро, гелий, марганец, европий.
Пример 2. Найдите в периодической системе элемент V
группы, высшее кислородное соединение которого имеет относительную молекулярную массу 142.
Молекула оксида элемента Э2O5 состоит из двух атомов
элемента (валентность элемента V) и пяти атомов кислорода (валентность кислорода II). Согласно правилу: V∙2 = II∙5.
Относительная молекулярная масса оксида находится как:
Mr(Э 2O5) = 2∙Аr(Э) + 5∙Аr(O) = 142;
Аr(Э) = (142 – 5∙Аr(O)) / 2 = (142 - 5∙16) / 2 = (142 - 80) / 2= 31.
В периодической системе элементов находим элемент, у
которого относительная атомная масса равна 31. Это фосфор.
Ответ: Аr(Р) = 31. Фосфор.
31
Пример 3. Сколько электронов, протонов, нейтронов со-
Элемент
Массовое
число (Ar)
Z
N = Ar - Z
N
е-
80
Hg
201
80
121
80
57
La
139
57
82
57
21
Sc
45
21
24
21 78Pt
195
78
117
78 6C
12 6 6
6 11Na
23
11
12
11
33
As
75
33
42
33
26
Fe
56
26
30
26 63Eu
152
63
89
63
Дано:
69
Ga, A1 = 69
71
Ga, A2 = 71
Ar(Ga) = 69,7
Решение
1. Относительная атомная масса галлия в периодической системе элементов
Д.И. Менделеева – среднее арифметическое
масс атомов его изотопов:
Ar(Ga) = A1∙ ω1 + A2∙ ω2.
Найти:
ω
1
, ω
2
2. Сумма массовых долей изотопов равна 1: ω1 + ω2 = 1.
3. Выражаем ω2 = 1 – ω1.
4. Тогда Ar(Ga) = A1· ω1 + A2∙ (1 – ω1)
69,7 = 69 ∙ ω1 + 71 · (1 – ω1);
69,7 =69ω1 + 71 – 71 ω1;
держится в атомах: ртути, лантана, скандия, платины, углерода,
натрия?
Пример 4. Рассчитайте массовые доли изотопов галлия:
69
Ga и 71Ga, если Ar(Ga) = 69,7.
2ω1 = 71 – 69,7 = 1,3; ω1 = 0,65.
5. ω2 = 1 – ω1 = 1 – 0,65 = 0,35.
Ответ: ω1(69Ga) = 0,65; ω2(71Ga) = 0,35.
32
Контрольные задания
1. Укажите в каком периоде, какой группе и подгруппе
находятся следующие элементы: натрий, серебро, ртуть, свинец,
хлор, титан, лантан, йод, скандий, селен, платина, тантал, осмий,
ксенон, золото, уран, полоний, железо, радон.
2. Найдите в периодической системе элемент IV группы,
высшее кислородное соединение которого имеет относительную
молекулярную массу 60.
3. Найдите в периодической системе элемент III группы,
высшее кислородное соединение которого имеет относительную
молекулярную массу 326.
4. Найдите в периодической системе элемент VI группы,
высшее кислородное соединение которого имеет относительную
молекулярную массу 127.
5. Найдите в периодической системе элемент VII группы,
высшее кислородное соединение которого имеет относительную
молекулярную массу 183.
6. Какой элемент II группы образует высшее кислородное
соединение, в котором массовая доля кислорода составляет 0,27?
7. Какой элемент III группы образует высшее кислородное
соединение, в котором массовая доля кислорода составляет 0,47?
8. Какой элемент IV группы образует высшее кислородное
соединение, в котором массовая доля кислорода составляет 0,21?
9. Какой элемент V группы образует высшее кислородное
соединение, в котором массовая доля кислорода составляет 0,56?
10. Какой элемент VI группы образует высшее кислородное
соединение, в котором массовая доля элемента составляет 0,40?
11. Какой элемент VII группы образует высшее кислородное
соединение, в котором массовая доля элемента составляет 0,38?
12. Сколько электронов, протонов, нейтронов содержится в
атомах: лития, магния, скандия, германия, ниобия, ртути, европия, тантала, осмия, ксенона, лантана, йода, скандия, селена, платины, углерода, натрия, цинка, серебра, гелия, золота, урана, полония, железа, радона?
13. Рассчитайте массовые доли изотопов брома: 79Br и 81Br,
если Ar(Br) = 79,9.
33
14. Рассчитайте массовые доли изотопов неона: 20Ne и 22Ne,
At
210
85
Sb
123
51
если Ar(Ne) =20,18.
15. Рассчитайте массовые доли изотопов брома: 79Br и 81Br,
если Ar(Br) =79,90.
16. Определите относительную атомную массу природного
магния, содержащего три изотопа: 24Mg (массовая доля 0,786),
25
Mg (массовая доля 0,101) и 26Mg (массовая доля 0,113).
17. Определите относительную атомную массу природного
кремния, содержащего три изотопа: 28Si (массовая доля 0,923),
29
Si (массовая доля 0,047) и 30Si (массовая доля 0,030).
18. Определите относительную атомную массу природного
бора, содержащего два изотопа: 10B (массовая доля 0,196) и 11B
(массовая доля 0,804).
19. Определите относительную атомную массу природного
индия, содержащего два изотопа:
115
In (массовая доля 0,957).
113
In (массовая доля 0,043) и
20. Определите относительную атомную массу природного
европия, содержащего два изотопа:
153
Eu (массовая доля 0,522).
151
Eu (массовая доля 0,478) и
21. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назовите элемент, изотопом которого является данный атом.
22. Массовое число атома некоторого элемента равно 181,
в электронной оболочке этого атома содержится 73 электрона.
Определите число протонов и нейтронов в ядре атома, укажите
название этого элемента.
23. Рассчитайте число протонов и нейтронов в изотопах
атома магния:
24
Mg; 25Mg; 26Mg.
24. Рассчитайте число протонов и нейтронов в изотопах
атома кремния:
28
Si; 29Si; 30Mg.
25. В результате α-распада ядро некоторого элемента пре-
вратилось в ядро астата
. Что это был за элемент?
26. В ядро какого элемента превращается ядро сурьмы
после двух β-распадов?
34
2.2. Строение электронной оболочки атома.
Электронные формулы атомов
Совокупность электронов в атоме называют его электронной оболочкой. Пространство вокруг ядра, в котором нахождение
электрона наиболее вероятно (≈ 90 %), называют орбиталью.
Электроны, которые движутся на орбиталях близкого размера, образуют энергетические уровни (электронные слои).
Электронные слои нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и
обозначают соответственно буквами: K, L, M, N, O, P, Q.
Состояние электрона в атоме описывают четырьмя квантовыми числами:
1. Главное квантовое число (n) характеризует величину
энергии электрона; n может принимать значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
(только целые числа). Электроны с n = 1 образуют ближайший к
ядру атома энергетический уровень. Электроны с n = 2 образуют
второй от ядра атома энергетический уровень и т. д.
2. Орбитальное (побочное) квантовое число (l) характе-
ризует форму электронной орбитали (энергетические подуровни);
при данном значении главного квантового числа l может принимать значения целых чисел от 0 до (n – 1). Орбитали с разными
значениями l обозначаются буквами s, p, d, f:
значение l ………………0 1 2 3
орбитали ………………. s p d f.
Состояния электрона, которые характеризуются различны-
ми значениями l, называют энергетическими подуровнями.
s-Орбитали имеют сферическую форму, p-орбитали – фор-
му гантели, d- и f-орбитали – более сложные формы.
Число энергетических подуровней каждого энергетического уровня равно номеру уровня, т. е. значению главного квантового числа (табл. 2). Так, первому энергетическому уровню
(n = 1) соответствует один подуровень s; второму энергетическому уровню (n = 2) соответствуют два подуровня: s и p; третьему
энергетическому уровню (n = 3) соответствуют три подуровня:
s, p и d; четвертому энергетическому уровню (n = 4) соответствуют четыре подуровня: s, p, d и f.
35
Квантовое
число
Электронный слой
K L M N n 1 2 3 4
l
0 0 1 0 1 2 0 1 2
3
ml
0
0
-1
0
+1
0
-1
0
+1
-2
-1
0
+1
+2
0
-1
0
+1
-2
-1
0
+1
+2
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
Число
орбиталей
1 1 3 1 3 5 1 3 5
7
Обозначение
орбиталей
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
Число
электронов
2 2 6 2 6
10 2 6 10 14
Число
электронов
на уровне
2
8
18
32
Таблица 2
Квантовые числа и характеристики электронных орбиталей
Энергия электрона в атоме зависит не только от значения
главного квантового числа, но и от значения орбитального квантового числа, поэтому энергия электрона определяется суммой
значений главного и орбитального квантовых чисел n + l. Электроны с одинаковыми значениями n, но разными значениями l
отличаются запасом энергии.
3. Магнитное квантовое число (ml) определяет ориента-
цию орбиталей в пространстве и может принимать значения целых чисел от –l до +l, в том числе значение 0. Магнитное квантовое число определяет число орбиталей на подуровне.
4. Четвертое квантовое число (ms) – спин может иметь
только два значения +1/2 и -1/2. Согласно принципу Паули: в
атоме не может быть двух электронов с одинаковым значением
всех четырех квантовых числе. На одной орбитали может нахо-
36
диться не более двух электронов, и эти электроны имеют противоположные (антипараллельные) спины. Принцип Паули определяет максимальное число электронов на энергетических уровнях
(N) по формуле
N = 2n2,
где n – главное квантовое число.
Орбиталь с двумя электронами, спины которых антипарал-
лельны (квантовая ячейка), схематически изображают так: ↑↓.
Расположение электронов по энергетическим уровням и
орбиталям изображают в виде электронных формул (конфигураций). В этих формулах энергетические уровни обозначаются
цифрами 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 (или его порядковый номер). Электронная формула атома водорода записывается так: 1H 1s1. Первый энергетический уровень содержит только
один подуровень. Так как одна орбиталь может содержать не более двух электронов, то первый энергетический слой в атоме гелия является завершенным.
У элементов второго периода электроны заполняют сначала
s-, потом p-подуровень второго энергетического уровня, на котором может находиться не более восьми электронов. На внешнем
энергетическом уровне атома не может находиться более восьми
электронов, поэтому второй электронный слой атома неона является завершенным.
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
Последовательность заполнения электронных слоев определяется 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. 3).
37
Таблица 3
n l n + l
Орбиталь
Порядок
заполнения
1
0
1 + 0 = 1
1s
1
2
0 1 2 + 0 = 2
2 + 1 = 3
2s
2p 2 3
3
0
1
2
3 + 0 = 3
3 + 1 = 4
3 + 2 = 5
3s
3p
3d
4
5
7
4
0
1
2
3
4 + 0 = 4
4 + 1 = 5
4 + 2 = 6
4 + 3 = 7
4s
4p
4d
4f
6
8
10
13
5
0
1
2
3
5 + 0 = 5
5 + 1 = 6
5 + 2 = 7
5 + 3 = 8
5s
5p
5d
5f
9
11
14
17
6
0
1
2
3
6 + 0 = 6
6 + 1 = 7
6 + 2 = 8
6 + 3 = 9
6s
6p
6d
6f
12
15
18
20
7
0 1 7 + 0 = 7
7 + 1 = 8
7s
7p
16
19
Порядок заполнения орбиталей по сумме n + l
Порядок заполнения электронных орбиталей следующий:
1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d10…
Поэтому у первых двух элементов четвертого периода после заполнения 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
Обе электронные формулы скандия тождественны.
В дальнейшем электронные формулы записываются по порядку номеров уровней энергии электронов:
38
Mn 1s22s22p63s23p63d54s2 … 30Zn 1s22s22p63s23p63d104s2.
25
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.
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 1s22s22p63s23p63d104s24p64d
58
Pa 1s22s22p63s23p63d104s24p64d
91
10 4f145s25p65d105f26s26p66d17s2
10 4f25s25p66s2
;
.
При написании электронных формул атомов некоторых
элементов следует учитывать так называемый «проскок» электрона с внешнего энергетического уровня на предпоследний. Так,
электронная формула хрома должна быть: 1s22s22p63s23p63d44s2,
однако на внешнем уровне в атоме хрома не два электрона, а
один – второй электрон «проскочил» на d-подуровень второго
снаружи уровня. В этом случае расположение электронов в атоме
хрома такое: 1s22s22p63s23p63d54s1. Это объясняется тем, что энергетически более выгодно, когда в атоме имеется наполовину или
полностью заполненный подуровень (р3; р6; d5; d10; f7; f14). Поэтому в атомах элементов, у которых строение электронной оболочки близко к вышеуказанному положению, может наблюдаться
преждевременное заполнение d-подуровня за счёт проскока электрона с внешнего s- подуровня на нижележащий d- подуровень.
«Проскок» электрона имеет место в атомах меди, ниобия,
молибдена и других элементов. 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 KLM 4s24p3 или 33As [Ar] 3d104s24p3,
где [Ar] обозначает электронную оболочку атома аргона.
Электронные формулы часто изображают графически, используя приведенные ранее обозначения орбитали и электронов
39
(квантовая ячейка). Графические электронные формулы показы-
n = 3
↑↓
↑↓
↑↓
↑
n = 2
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
d
n = 1
↑↓ p
s;
n = 3
↑↓
↑↓
↑↓
↑
n = 2
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
n = 1
↑↓ p
s.
вают распределение электронов не только по уровням и подуровням, но и по орбиталям.
Электронная формула атома хлора: 17Cl 1s22s22p63s23p5 в
графическом виде имеет вид
или
В последней графической формуле не указан d-подуровень, на
котором нет электронов.
Если p-, d- или f-подуровни не заполнены, то электроны занимают максимальное число орбиталей согласно правилу Гунда
(наибольшего суммарного спинового числа): суммарное спиновое
число электронов данного подуровня должно быть максимальным.
Атомы могут находиться в основном или возбужденном состоянии. Атомы в основном состоянии обладают наименьшим
количеством энергии. При получении извне дополнительной
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. При этом энергия возбуждения при переходе электрона с одного энергетического уровня на
другой больше, чем при переходе электрона с одного подуровня
на другой в пределах одного энергетического уровня.
Например, атом гелия в основном состоянии имеет электронную формулу: 2He 1s2. Так, электронная формула атома гелия
в возбужденном состоянии (электрон с 1s-орбитали переходит на
2s-орбиталь) принимает вид 2He* 1s12s1. При возбуждении атома
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]