Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник задач по химии. Учебное пособие
.pdf
бериллия (4Be 1s22s2) переход электрона осуществляется с
n = 2
↑ ↑ ↑
↑
n = 1
↑↓
p
s.
Дано:
натрий (Na)
Решение
Натрий – первый элемент 3-го периода –
имеет электронную формулу: 1s22s22p63s1.
Графическая электронная формула имеет вид
Найти:
n, l, m
l, ms
n = 3
↑
n = 2
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
n = 1
↑↓
p
s.
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
Как видно, атом углерода в возбужденном состоянии имеет
четыре одиночных (валентных) электрона (в основном состоянии
– два). В основном состоянии углерод имеет валентность два, в
возбужденном состоянии – четыре.
Иногда для краткости записывают только электронные
формулы валентных электронов, которые определяют химические свойства элемента, например: 19 K … 4s1, 26Fe … 3d64s2.
Пример 1. Определите значения квантовых чисел, характеризующих валентный электрон в атоме натрия.
Валентный электрон находится на 3s-орбитали. Эта орби-
таль находится на третьем энергетическом уровне, поэтому главное квантовое число n = 3. Для s-орбитали любого энергетическо-
го 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.
41
Контрольные задания
1. Сколько энергетических подуровней находится на элек-
тронных слоях: K; L; M; N?
2. Определите число электронных орбиталей на каждом
энергетическом уровне.
3. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого а) l = 2, б) l = 3?
4. Какое максимальное число электронов может содержать
атом в электронном слое с главным квантовым числом n = 4?
5. Напишите электронные формулы атомов элементов с
зарядом ядра: +10; +17; +20; +25; +35; +40; +45; +53; +63; +73.
6. Укажите элемент, у которого: а) заканчивается заполнение электронами 3d-орбиталей; б) начинается заполнение
4p-орбитали; в) заканчивается заполнение электронами 4d-орбиталей; г) начинается заполнение 5p-орбитали; д) заканчивается
заполнение электронами 5d-орбиталей; е) начинается заполнение
5f-орбитали; ж) начинается заполнение 6d-орбитали.
7. Изобразите графические электронные формулы атомов:
магния, хрома, скандия, молибдена, марганца, брома, кремния.
8. Сколько валентных электронов содержат невозбужденные атомы: бора, серы, мышьяка, бериллия, ртути, европия, серебра, галлия, фтора, магния, железа, олова, цинка, титана?
9. Сколько свободных 3d-орбиталей имеют атомы скандия,
ванадия и марганца?
10. Сколько свободных 4d-орбиталей имеют атомы иттрия,
ниобия, молибдена?
11. Сколько свободных 3p-орбиталей имеют атомы алюми-
ния, кремния, фосфора?
12. Сколько свободных 4f-орбиталей имеют атомы церия,
неодима, европия?
13. Сколько свободных 5f-орбиталей имеют атомы актиния,
урана, плутона?
14. Составьте электронные формулы элементов, у которых на
четвертом энергетическом уровне расположено по 13 электронов?
42
15. Атом химического элемента на d-орбиталях третьего
;
; ; ; ;
.
энергетического уровня имеет 5 электронов. Составьте электронную формулу элемента.
16. Атом химического элемента на р-орбиталях четвертого
энергетического уровня имеет 3 электрона. Составьте графическую электронную формулу элемента.
17. Атом химического элемента на f-орбиталях четвертого
энергетического уровня имеет 2 электрона. Составьте графическую электронную формулу элемента.
18. Гидроксид элемента II группы периодической системы
массой 11,6 г содержит 1,204∙1023 молекул. Определите элемент и
напишите электронную формулу его атома.
19. Составьте электронные формулы элементов, у которых на
четвертом энергетическом уровне расположено по 13 электронов?
20. Оксид элемента III группы периодической системы массой 25,5 г содержит 1,505∙1023 молекул. Определите элемент и
напишите электронную формулу его атома.
21. Составьте графические электронные формулы атома
хлора в основном и возбужденном состояниях.
22. Составьте графические электронные формулы атомов
элементов четвертого периода, которые содержат наибольшее
число неспаренных (одиночных) d-электронов?
23. Напишите графическую электронную формулу атома
скандия. Укажите возможные значения четырех квантовых чисел
для валентного электрона.
24. Напишите графическую электронную формулу атома
галлия. Укажите возможные значения четырех квантовых чисел
для валентного электрона.
25. Напишите графическую электронную формулу атома
рубидия. Укажите возможные значения четырех квантовых чисел
для валентного электрона.
26. Укажите правильный и неправильный порядок размещения электронов на р-орбиталях:
43
2.3. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
и электронная теория строения атома.
Периодичность свойств элементов
Между положением химического элемента в периодической системе и строением атома и его свойствами существуют
закономерности.
1. Число энергетических уровней в атоме любого элемента
равно номеру периода, в котором он находится.
2. Число электронов во внешнем слое атомов всех элемен-
тов не больше восьми.
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 вид 75Re … 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. Элементы, в атомах которых заполняются
s-орбитали последнего слоя, называются s-элементами. Элементы, в атомах которых заполняются p-орбитали последнего слоя,
называются p-элементами. Каждый период начинается с двух
s-элементов (элементы подгрупп IA и IIA), а также водород и гелий и заканчивается (кроме первого периода) шестью p-элементами (элементы подгрупп IIIA – VIIIA).
Во внешнем электронном слое атомов побочных подгрупп
обычно находятся один или два s-электрона. Но у этих элементов
заполняются d-орбитали второго снаружи слоя или f-орбитали
третьего снаружи слоя.
Элементы, у которых заполняются d-орбитали, называются
d-элементами. В 4 – 7 периодах расположено по десять d-элементов:
№ 21 – 30; № 39 – 48: № 57, 72 – 80, № 89, 104 – 112.
44
Элементы, у которых заполняются f-орбитали, называются
f-элементами. В 6 и 7 периодах расположено по четырнадцать
f-элементов – это соответственно лантаноиды (№ 58 – 71) и акти-
ноиды (№ 90 – 103).
Электронная теория строения атома объяснила структуру
периодической системы элементов: число групп, подгрупп, периодов, а также число элементов в группах и подгруппах.
Согласно современной теории строения атома в основе химических реакций лежат процессы перестройки электронных
оболочек атома – электронные взаимодействия. В химических
реакциях участвуют, главным образом, электроны внешних слоев
(валентные электроны). Обычно это одиночные (непарные,
неспаренные) электроны.
Максимально заполненные орбитали наиболее устойчивы.
Электронные слои, орбитали которых заполнены максимально,
называются завершенными (электронная формула s2p6).
Атомы инертных элементов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn,) имеют
завершенные внешние электронные слои и поэтому с большим
трудом вступают в химические реакции.
У атомов металлов во внешнем слое, как правило, содержится меньше четырех электронов, и они слабо связаны с ядром.
Атомы металлов при химических реакциях теряют валентные
электроны. Для сравнения металлических свойств элементов
применяют специальную величину – энергию ионизации I.
Энергия ионизации – это энергия, которая необходима для
отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома. Энергию
ионизации выражают в электрон-вольт на атом (эВ/атом).
У атомов неметаллов во внешнем электронном слое содержатся четыре и более электронов, которые прочно связаны с ядром. Атомы неметаллов, вступая в химическую реакцию, обычно
присоединяют электроны. Для сравнения неметаллических
свойств элементов применяют специальную величину – сродство
к электрону (E, эВ/атом).
Сродство к электрону – это энергия, которая выделяется
при присоединении к атому одного электрона. Наибольшие значения сродства к электрону у элементов главной подгруппы VII
группы (F, Cl, Br, I, At) – типичных неметаллов.
45
В больших периодах металлические свойства ослабевают, а
неметаллические усиливаются более медленно, чем в малых периодах, так как большие периоды содержат переходные
d- или f-элементы. На внешнем слое атомов переходных элементов находятся один или два s-электрона, а заполняются предпоследний слой у d-элементов и третий снаружи слой у f-элементов.
Таким образом, химические свойства элементов изменяются периодически с изменением их порядкового номера.
Элементы одной подгруппы имеют одинаковое строение
внешнего электронного слоя. При этом притяжение внешних
электронов к ядру ослабляется, энергия ионизации уменьшается.
Поэтому в главных подгруппах с увеличением порядкового номера элемента (т. е. сверху вниз) металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические ослабляются. Таким образом, количественные изменения приводят к качественным.
Из вышеизложенного следует, что наиболее сильно металлические свойства выражены у франция и цезия, а неметаллические свойства – у фтора. Однако следует отметить, что деление
на металлы и неметаллы относительно. Известно, что существуют элементы, которые проявляют и свойства металлов, и свойства неметаллов.
В настоящее время периодический закон формулируется
так: свойства химических элементов, а также формы и свойства
их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер или порядкового номера элемента в
периодической системе.
Такая формулировка закона нисколько не противоречит
формулировке, данной Д.И. Менделеевым. Она только базируется на новых данных, которые придают закону и системе научную
обоснованность, и подтверждает их правильность.
Пример 1. Определите элемент, его местонахождение в
периодической системе, если его электронная формула имеет
следующий вид: …5s25p5.
Решение
Определяют элемент и находят его местоположение в периодической системе двумя способами.
46
1. Составляют полную электронную формулу атома эле-
n l ml
ms
3 1 -1
+1/2 3 1 0 +1/2
3 1 +1
-1/2
3 1 -1
-1/2
3 1 0
-1/2
3 1 +1
-1/2
мента и определяют число электронов в атоме, которое указывает на порядковый номер элемента. Электронная формула этого
элемента будет иметь вид: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p5.
Число электронов равно 53, следовательно, порядковой
номер 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 период, VII группа, главная подгруппа).
Пример 2. Напишите возможные значения четырех кван-
товых чисел для валентного p-электрона атома алюминия
Решение
Электронная формула, алюминия: 1s22s22p63s23p1.
Валентный электрон находится на 3p-орбитали. Эта орби-
таль находится на третьем энергетическом уровне, поэтому главное квантовое число n = 3. Для p-орбитали побочное квантовое
число l = 1, магнитное число ml = -1; 0; +1. Спин электрона ms
может принимать два значения +1/2 или -1/2.
Ответ: шесть значений четырех квантовых чисел.
47
Контрольные задания
1. Определите элемент и его положение в периодической
системе (период, группа, подгруппа), если электронная формула
имеет вид: а) 1s22s22p63s23p3,
б) 1s22s22p63s23p63d54s2,
в) 1s22s22p63s23p63d14s2,
г) 1s22s22p63s23p63d104s24p1,
д) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1,
е) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d85s1,
ж) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d
10 4f25s25p66s2
,
з) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f55s25p66s2,
и) 1s22s22p63s23p63d104s24p64d
10 4f75s25p6
5d
1
6s2
.
2. Сколько электронов содержится на внешнем энергетическом уровне атомов: натрия, титана, хрома, брома, родия, углерода, йода, серебра, кадмия, лантана, кремния, теллура, меди, аргона, алюминия, железа, ртути, урана, бария, молибдена, азота,
серы, бора, сурьмы?
3. Какой заряд имеет ядро атома, который имеет электрон-
ную формулу: … 4d55s2; … 4d55s1; … 4d105s0; … 4f75s25p65d16s2;
1
… 4f35s25p66s2; … 4f105s25p66s2; … 5d
6s2
; … 5d96s2; … 6s26p2;
… 5f26s26p66d17s2?
4. Напишите возможные значения четырех квантовых чисел для валентного: p-электрона атома галлия, s-электрона атома
калия, p-электрона атома алюминия, d-электрона атома иттрия,
p-электрона атома индия.
5. Атом какого элемента третьего периода содержит
наибольшее число неспаренных p-электронов?
6. Атомы каких элементов четвертого периода содержат
наибольшее число неспаренных d-электронов?
7. Атом какого элемента пятого периода содержит
наибольшее число неспаренных d-электронов?
8. Атомы каких элементов шестого периода содержат
наибольшее число неспаренных f-электронов?
9. Атомы каких элементов седьмого периода содержат
наибольшее число неспаренных f-электронов?
48
10. Укажите, на каких подуровнях находятся валентные
электроны атомов в возбужденном состоянии: кремния; бериллия; углерода; бора; серы; хлора; олова; селена; алюминия.
11. Определите элемент у которого: а) заканчивается заполнение электронами 4d-подуровня, б) начинается заполнение
электронами 4p-подуровня.
12. У какого элемента начинает заполняться электронами
4f-подуровень? У какого элемента завершается заполнение этого
подуровня?
13. Какие подуровни заполняются электронами в атомах
после 5s- и 5d –подуровней?
14. Расставьте элементы в порядке убывания металлических свойств в каждом ряду элементов: а) С, Si, Ge; б) В, Be, Li;
в) Na, Al, Mg.
15. Расставьте элементы в порядке возрастания неметаллических свойств в каждом ряду элементов: а) O, F, N; б) O, Se, S;
в) C, P, F, S.
16. Каким элементам соответствуют схемы распределения
электронов по энергетическим уровням: а) 2e-, 5e-; б) 2e-, 8e-, 3e-;
в) 2 e-, 8 e-, 6 e-; г) 2 e-, 8 e-, 8 e-, 2 e-; д) 2 e-, 8 e-, 13 e-, 2 e-.
17. Атом превращается в ион, если принимает или отдает
электроны с внешней оболочки. Составьте электронные формулы
ионов следующих ионов: K+; Mg+2; Al+3; Si+4; P+5; H-1; Cl-1; O-1;
O-2; S-2; N-3; C-4.
18. Сколько атомных орбиталей p-подуровня заполнено
у элементов с порядковыми номерами 35 и 54? Запишите их
электронные формулы.
19. Сколько атомных орбиталей d-подуровня заполнено
у элементов с порядковыми номерами 43 и 76? Запишите их
электронные формулы.
20. Сколько атомных орбиталей f-подуровня заполнено
у элементов с порядковыми номерами 59 и 65? Запишите их
электронные формулы.
21. Какие из перечисленных ионов имеют электронные
конфигурации, одинаковые с атомом 18Ar: Ca2+; Cl-1; Na+1; S-2;
As+3; Al+3; K+1; Sc+3?
49
Контрольные вопросы
1. Какова формулировка периодического закона?
2. Что такое период и сколько их в периодической системе?
3. Что такое группа и сколько их в периодической системе?
4. Из каких подгрупп состоит каждая группа?
5. Какие элементы расположены под таблицей и почему?
6. Из каких частиц состоит атом?
7. Что называется электронной оболочкой атома?
8. Чем определяется заряд ядра атома?
9. Что показывает порядковый номер элемента?
10. Что называют изотопами?
11. Что является главной характеристикой элемента?
12. Что называется атомной орбиталью?
13. Какие определения имеют четыре квантовых числа?
14. Как формулируется принцип Паули?
15. Что показывает электронная формула?
16. Для чего применяется правило наименьшего запаса
энергии?
17. Что называется «проскоком» электрона?
18. Какой электронный слой называется завершенным?
19. Что показывает графическая электронная формула?
20. Какова формулировка правила Гунда?
21. Что такое основное и возбужденное состояние атомов?
22. Что называется энергией возбуждения?
23. Как формулируются понятия s-, p-, d- и f-элементов?
24. Как определить число энергетических уровней в атоме
элемента по его положению в периодической системе?
25. Какие электронные слои называют завершенными?
26. Как изменяются строение атомов и свойства у элемен-
тов одного периода и одной группы?
27. Почему химические свойства элементов изменяются
периодически?
28. Какие специальные величины применяются для сравнения металлических и неметаллических свойств элементов?
29. Какова современная формулировка периодического
закона?
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]