Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебное пособие по общей, неорганической и аналитической химии (направление подготовки 36.03.02 – «Зоотехния», квалификация «бакалавр»)
.pdf
Таблица 2.
Главное квантвое
число, n
Орбитальное кван-
товое число, ℓ
Обозначение орбитали
(электронного облака)
1
0
1s
2
0, 1 2s, 2p
3
0, 1, 2 3s, 3p, 3d
4
0, 1, 2, 3
4s, 4p, 4d, 4f
Магнитное квантовое число mℓ характеризует пространственное расположение орбиталей. Оно определяет ориентацию электронного облака относительно взаимно перпендикулярных осей x, y, z или относительно внешнего магнитного поля. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от − ℓ до + ℓ, включая и нуль, т.е. всего
(2ℓ+1) значений, которым отвечают (2ℓ+1) энергетических состояний, возможных для электронов данного подуровня. Например, для f-электрона ℓ=3, mℓ может иметь (2∙3+1) значений, а именно mℓ=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3.
Спиновое квантовое число ms характеризует внутрен-
нее движение электрона, приводящее к возникновению у последнего собственного магнитного поля. Спиновое квантовое
число может принимать только 2 значения: + ½ и -½ в зависимости от того, параллельно или антипараллельно ориентируется собственное магнитное поле электрона относительно
магнитного поля, обусловленного вращением электрона вокруг ядра.
Два электрона с одинаковыми значениями n, ℓ, mℓ , но с
различными значениями ms называют спаренными или непо-
делённой парой электронов (↑↓).
Распределение электронов в атомах элементов определяется тремя основными положениями: принципом наимень-
11
шей энергии, принципом запрета Паули, а также правилом
Гунда.
Согласно принципу наименьшей энергии:
Размещение электронов должно отвечать наибольшей
связи их с ядром, т.е. электрон прежде всего занимает такие
положения, при которых он будет обладать наименьшим за-
пасом энергии.
Так как энергия электрона, в основном, определяется
значением главного квантового числа n и, в меньшей степени,
значением побочного числа ℓ, согласно правилам
В.М.Клечковского:
1. По мере увеличения заряда ядра атома заполнение
подуровней осуществляется в таком порядке, при котором
электрон в первую очередь поступает на подуровень, для которого значение суммы (n+ℓ) оказывается меньшим.
2. Если сумма (n+ℓ) оказывается одинаковой для двух
или трех подуровней, то электрон в первую очередь поступает на подуровень с меньшим значением главного квантового
числа.
Например, энергия электрона на подуровне 4s
(n+ℓ=4+0=4) меньше, чем на 3d (n+ℓ=3+2=5). На подуровне 5s
(n+ℓ=5+0=5) энергия меньше, чем на 4d (n+ℓ=4+2=6); на 5p
(n+ℓ=5+1=6) энергия меньше, чем на 4f (n+ℓ=4+3=7).
Согласно принципу запрета Паули (1925):
В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.
Паули установил, что максимальное количество электронов, которое может находиться на n-ном уровне, определяется по формуле x=2n2. Так, на первом уровне может находиться не более двух электронов, на втором-8, на третьем-18,
на четвертом-32, на пятом-50.
Третье теоретическое положение, которым руководствуются для выяснения электронной конфигурации атома –
правило Гунда:
12
Электроны в пределах данного подуровня (s-, p-,d- или f-)
располагаются так, чтобы алгебраическая сумма значений
спиновых квантовых чисел была максимальной.
Заполнение орбиталей происходит в порядке возраста-
ния суммы квантовых чисел n + l, а при равной сумме – в порядке возрастания числа n. Соответственно по этому правилу
последовательность заполнения энергетических уровней и
подуровней следующая:
1s2 < 2s2 < 2p6 < 3s2 < 3p6 < 4s2 < 3d
10
< 4p6 < 5s2 < 4d
6s2 < 5d1 < 4f14 < 5d9 < 6p6 < 7s2 < 6d1 < 5f
14
10
< 5p6 <
< 6d9 < 7p6 <
8s2……
Примеры решения задач
Пример 1. Напишите электронную формулу атома серы.
К какому электронному семейству относится сера? Укажите
13
валентные электроны, распределите их по энергетическим
ячейкам в нормальном и возбужденных состояниях.
Решение. У атома серы порядковый номер 16 в таблице
Д.И. Менделеева, поэтому – 16 электронов и последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней совпадает с электронной формулой (что характерно для элементов с порядковыми номерами от 1 до 20):
S – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
16
Последним заполняется p-подуровень, поэтому сера
принадлежит к p-электронному семейству; содержит 6 валентных электронов – 3s2 3p4. Представим схему размещения
валентных электронов в квантовых (энергетических) ячейках:
3s 3p 3d
16S - ...
Валентность серы в нормальном состоянии равна 2, например, в соединениях H2S, Na2S, CaS.
У атома серы на 3d-подуровне имеются вакантные орбитали. При возбуждении атома происходит разъединение пар
электронов и переход их на свободные орбитали.
Представим электронные конфигурации атома серы в
возбужденных состояниях:
3s 3р 3d
а) 16S* - …
S* - … 3s23p33d
16
1
Валентность серы равна 4, например, в соединениях
SO2, H2SO3
3s 3p 3d
б) 16S*- …
S* - … 3s1 3p3 3d2
14
Валентность серы равна 6, например, в соединениях:
SO3, H2SO4.
Вывод: валентность серы в соединениях 2, 4, 6.
Пример 2. Составьте электронную формулу атома тита-
на и ионов титана Ti2+ и Ti4+. К какому электронному семейству относится титан? Приведите электронные аналоги титана.
Решение. Порядок заполнения энергетических уровней
и подуровней следующий:
Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d
22
2
Титан принадлежит к d-электронному семейству.
Электронная формула титана имеет вид:
Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2
22
Подчеркнуты валентные электроны.
Электронно-графические формулы валентных электро-
нов атома титана в нормальном и возбужденном состояниях:
3d 4s 4p 4d 4f…
Ti -…
22
Валентность титана в нормальном состоянии равна 2,
например, в соединениях: TiO, TiCl2. Такая валентность обусловлена двумя неспаренными электронами, но вакантные
орбитали на 4p-подуровне вносят дополнительный вклад в
валентность и титан в некоторых соединениях проявляет валентность, равную 3, например, в соединении TiCl3.
При возбуждении атома титана происходит распарива-
ние 4s-электронов и переход их на 4p-подуровень, валентность титана в этом состоянии равна 4 (TiO2, TiCl4):
15
3d 4s 4p 4d.. 4f..
Ti*-…
22
Ti* - … 3d2 4s1 4p1 4d0 4f
22
0
Сокращенная электронная формула атома титана:
Ti - … 3d2 4s2
22
Электронные аналоги титана:
Zr - … 4d2 5s2;
40
Электронные формулы ионов титана Ti
Hf - …5d2 6s2
72
2+
и Ti
4+
соответ-
ственно:
22
Ti2+ - … 3d2 4s0; 22Ti
4+
- … 3d0 4s0.
Контрольные задания
1. Напишите электронные формулы атома стронция и
иона Sr2+. Укажите валентность стронция в нормальном и
возбужденном состояниях. Какие значения принимают кантовые числа для внешних электронов атома стронция?
2. Напишите значения всех четырех квантовых чисел
для трех любых электронов на 4p-подуровне. Значениями какого квантового числа различаются три электрона указанного
подуровня? Почему максимальное число электронов на p-
подуровне равно 6?
3. Определите по правилу Клечковского последователь-
ность заполнения электронами энергетических подуровней,
если n+l=7. Какой элемент имеет валентные электроны 7s2?
16
4. По какому признаку элементы подразделяются на
электронные семейства? Напишите электронные формулы
атомов любых двух элементов пятого периода, принадлежащих к разным электронным семействам. Какие электроны
этих элементов являются валентными? Какой подуровень заполняется раньше: 5s или 4d? Почему?
5. Напишите электронную формулу атома технеция.
Укажите валентные электроны. Распределите валентные электроны по энергетическим ячейкам в нормальном и возбужденном состояниях. Определите суммарный спин электронов
в возбужденном состоянии.
6. На примерах галлия и марганца докажите, что имеет-
ся взаимосвязь строения атомов элементов с положением их в
периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
7. Напишите электронные формулы атома ,бария и иона
Ba2+. Укажите валентность бария в нормальном и возбужден-
ном состояниях. Какие значения принимают кантовые числа
для внешних электронов атома бария?
8. Структуры валентных электронных слоев выражаются
формулами: а) 4s24p2; б) 5d46s2; в) 4s1. Составьте полные
электронные формулы, определите порядковые номера, приведите названия элементов, определите принадлежность к
электронным семействам.
9. Напишите электронные формулы атома кальция и ио-
на Ca2+. Укажите валентность кальция в нормальном и возбужденном состояниях. Какие значения принимают кантовые
числа для внешних электронов атома кальция?
17
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?
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.
18
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, ио-
нов 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.
V.II Периодический 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.
19
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 которых 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.
Положение в группах s-и p-элементов определяется общим 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.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]