Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Практикум
.pdf
Для каждого значения главного квантового числа n орбитальное кванто-
n
1
обозначение орбиталей
1 0 1s
2
0; 1
2s; 2p
3
0; 1; 2
3s; 3p; 3d
4
0; 1; 2; 3
4s; 4p; 4d; 4f
вое число l принимает значения, заключенные между 0 и (n–1):
Для характеристики пространственной конфигурации орбиталей и их
ориентации введено третье квантовое число m
, называемое магнитным кванто-
l
вым числом (или третьим квантовым числом). Оно принимает следующие значения: 0, ±1, ... , ±l. Число значений магнитного квантового числа зависит от
орбитального квантового числа и показывает максимально возможное число
орбиталей с данным значением l. Число орбиталей с данным значением опреде-
ляется из (2l + 1). Общее число орбиталей данного энергетического уровня рав-
2
но n
. Для полного описания состояния электрона в атоме необходимо ввести
еще спиновое квантовое число ms. Оно принимает два значения +1/2 и -1/2.
Спин электрона — собственный неуничтожаемый механический момент
импульса электрона. Спин электрона (и всех других микрочастиц) квантовая
величина и у нее нет классического аналога; это внутреннее неотъемлемое
свойство электрона подобно его заряду и массе.
В атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор
всех четырех квантовых чисел (принцип Паули). Емкость энергетического
уровня составляет 2 n2 электронов.
Последовательность энергетических состояний в порядке возрастания
энергии орбиталей многоэлектронных атомов можно представить следующим
образом:
1s < 2s < 2р < 3s < 3р < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5р < 6s < 5d < 4f < 6р < 7s.
Порядок заполнения орбиталей данного подслоя или подуровня опреде-
ляется правилом Хунда: суммарное спиновое число электронов данного под-
слоя должно быть максимальным.
2.2. Периодический закон и периодическая система химических элементов
Современная формулировка периодического закона: свойства элемен-
тов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодиче-
ской зависимости от заряда ядра их атомов.
21
Период представляет собой последовательный ряд элементов, в атомах
которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев или
уровней. При этом номер периода совпадает со значением главного квантового
числа n внешнего энергетического уровня.
Группы и подгруппы. В соответствии с максимальным числом электро-
нов на внешнем уровне невозбужденных атомов элементы периодической си-
стемы подразделяют на восемь групп.
Положение в группах s– и р–элементов определяется общим числом элек-
тронов внешнего уровня.
Положение в группах d–элементов обусловлено общим числом s– элек-
тронов внешнего и d–электронов предвнешнего уровня.
Все свойства элементов, определяемые электронной конфигурацией ато-
ма, закономерно изменяются по периодам и группам периодической системы.
Принимается решение о зачете данной работы отдельно каждого студен-
та.
3. Литературные источники
1. Коровин Н.В. Общая химия. Учебник для технических направлений и
спец. ВУЗов. – М.: Высш.шк., 2008. – С.17-34.
2.Тихонов Г.П. "Общая химия. Часть II. Учебное пособие для самостоя-
тельной подготовки студентов"- М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. – С.90-140.
3. Тихонов Г.П., Минаева И.А., Пономарев А.Я., "Химия на водном
транспорте. Учебное пособие" – М.: Альтаир-МГАВТ, 2012. – С.9-23.
4. Порядок проведения занятия.
В начале занятия преподаватель кратко напоминает студентам о теории
строения атома и о строении электронных оболочек атомов, от которых зависят
физические свойства элементов, принципы формирования Периодической си-
стемы Д.И. Менделеева. Затем по теме заслушиваются следующие самостоя-
тельно подготовленные сообщения студентов (рефераты):
1. Основные положение квантовой (волновой) механики.
2. Порядок формирования электронных оболочек атомов.
Далее заслушивается ход решения задач из раздела №5
В ходе обсуждения доложенных положений в форме взаимного диалога
между преподавателем и самими студентами в интерактивной форме рассмат-
риваются и обсуждаются следующие основные вопросы.
1. Периоды и группы Периодической системы Д.И. Менделеева.
22
2. Изменение свойств свободных атомов: электронная конфигурация, по-
тенциал ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, атомный
радиус – в зависимости от положения химического элементы в Периодической
системе Д.И. Менделеева.
По результатам доложенных рефератов, разбора решения задач из разде-
ла № 5 и хода обсуждения вопросов, вынесенных на занятие, преподаватель
принимает решение о зачете данной работы отдельно каждого студента.
5. Задание на самостоятельную работу:
4.1. Изучить по предложенным источникам тему "Периодический закон и
периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева.
4.2. Решить 2-е задачи, предложенные преподавателем из параграфа 5.
6. Задачи для самостоятельного решения
1.Название химического элемента, имеющего электронную конфигура-
цию атома в основном состоянии 1s
22s22p63s23p63d104s24p5
:
бром (№ 35), иод (№ 53), марганец (№ 25), селен (№34),железо (№26)?
2.Название химического элемента, имеющего электронную конфигура-
цию атома в основном состоянии 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s2:
стронций (N38),
цезий (N55),
барий (N56),
радий (N88),
церий (N58)?
3. Электронная формула иона Cl3+:
1) 1s22s22p6;
2) 1s22s22p63s2;
3) 1s22s22p63s23p1;
4) 1s22s22p63s23p3;
5) 1s22s22p63s23p6.
23
4. Электронная формула иона S2-:
1) 1s22s22p6;
2) 1s22s22p63s23p4;
3) 1s22s22p63s23p6;
4) 1s22s22p63s23p64s2;
5) 1s22s22p63s23p63d104s2.
5. Максимальное число электронов на электронной оболочке, для которой
побочное квантовое число l = 3:
1. 2
2. 6
3. 8
4. 10
5. 14
6. Максимальное число электронов на электронном слое, для которого
главное квантовое число n=4:
1. 6
2. 10
3. 18
4. 32
5. 50
7. Какой подуровень заполняется в атомах после заполнения подуровня
5р? После заполнения подуровня 5d?
8. Среди приведенных ниже электронных конфигураций укажите невозможные и объясните причину невозможности их реализации:
3
а) 1p
б) 3p6 в) 3s2 г) 2s2 д) 2d5 е) 5d2 ж) 3f12 з) 2p4 и) 3p7.
9. Сколько вакантных 3d–орбиталей имеют возбужденные атомы:
а) Cl, б) V, в) Mn
24
10. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы:
а) В;
б) S;
в) As;
г) Cr;
д) Hg;
е) Еu?
11. На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий расположены в
одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных под-
группах?
12. Почему медь имеет меньший атомный объем, чем калий, расположен-
ный в той же группе и том же периоде?
13. Для атома углерода значения последовательных потенциалов иониза-
ции составляют (в В): I1=11, I2=24,4, I3=47,9, I4=64, I5=392.
Объясните: а) ход изменения потенциалов ионизации; б) чем вызван рез-
кий скачок при переходе от I
к I5.
4
14. Энергии ионизации атомов благородных газов составляют (в эВ):
Не- 24,6;
Ne-21,6;
Аr – 15,8;
Кr- 14,0;
Хе – 12,1;
Rn – 10,8.
Объясните ход изменения энергии ионизации в этой подгруппе.
7. Примеры решения задач
1. Какие орбитали заполняются электронами раньше (изобразите после-
довательность) 7s, 5f, 5p, 4d?
25
Решение:
Согласно правилам Клечковского, при увеличении заряда ядра атома по-
следовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с
меньшим значением суммы главных и орбитальных квантовых чисел (n+l) к
орбиталям с большим значением этой суммы. При одинаковых значениях сум-
мы (n+l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении
возрастания главного квантового числа n.
Итак, для орбиталей 7s, 5f, 5p, 4d сумма (n+l) равна соответственно 7, 8, 6,
6; N= 7, 5, 5, 4; l= 0, 3, 1, 2.
Следовательно, заполнение электронами орбиталей будет происходить в
такой последовательности: 4d < 5p < 7s < 5f.
2.Могут ли быть электронные конфигурации 6s3, 3p8, 5d11, 4f16 — элек-
тронов?
Решение:
Согласно принципам запрета Паули, в атоме не может двух электронов
обладающих одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел. Другими
словами, данным набором 4 квантовых чисел: n — главного, l — орбитального
или побочного, ml — магнитного, ms — спинного (спином) может быть охарак-
теризован лишь один электрон. Из принципа Паули вытекает, что на одной ор-
битали максимально может находиться лишь два электрона различающихся по
спину: + 1/2 и -1/2.
Следовательно, электронной конфигурации 6S3 у атома быть не может,
так как у каждого атома имеется только одна s–орбиталь на каждом энергети-
ческом уровне, на которой может находиться максимально 2 электрона с про-
тивоположно направленными спинами (электронная конфигурация 6s2), а не 6s3
и не 6s
4
и др.
Электронной конфигурации 3p8 у атома быть не может, так как у атома на
энергетическом уровне с n = 2 и на более высоких энергетических уровнях име-
ется только 3 орбитали р. На каждой орбитали в соответствии с принципом Па-
ули максимально может находиться лишь два электрона с противоположно
направленными спинами, а на трёх р–орбиталях максимально может находить-
ся лишь 6 электронов, (электронная конфигурация 3р6), а не Зp7, 3p8 и т.д.
Электронной конфигурации 5d
11
быть не может, так как у атома на элек-
тронном уровне с n = 3 и на более высоких энергетических уровнях имеется
только пять d–орбиталей, на каждой из которых максимально может находить-
26
ся лишь два электрона с противоположно направленными спинами в соответ-
ствии с принципом Паули. Итого на 5d–орбиталях максимально может находиться 10 электронов (электронная конфигурация 5d10), конфигурация 5d11, 5d12
и т.д. быть не может.
Электронной конфигурации 4f16 быть не может поскольку у атома на
электронном уровне с n=4 и на более высоких энергетических уровнях имеется
только семь f–орбиталей, на каждой из которых максимально может находиться
лишь два электрона с противоположно направленными спинами, в соответ-
ствии с принципом Паули. На 7f–орбиталях максимально может находиться
лишь 14 электронов (электронная конфигурация 4f
конфигураций 4f
15
, 4f16, 4f17 быть не может.
Чтобы определить электронную формулу элемента, имеющего ион Э
14
). Поэтому электронных
3+
необходимо к приведённой электронной формуле иона добавить три электрона.
тогда электронная формула элемента будет: 1S22S22p63S23p63d14S
2
. Этот эле-
мент должен содержать 21 электрон в электронной оболочке, 21 протон в ядре
,
атома и порядковый номер элемента должен быть равен 21. Это элемент —
скандий (Sc). Скандий находится в IV периоде, 3 группе, побочной подгруппе
или подгруппе. В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
Чтобы определить электронную формулу элемента, имеющего ион Э3–
необходимо от приведённой формулы иона отнять три электрона, Тогда электронная формула элемента будет: 1S22S22p63S23p3. Этот элемент должен содержать 15 электронов в электронной оболочке, 15 протонов в ядре атома и порядковый номер элемента должен быть 15. это элемент — фосфор Р. Фосфор
находится в III периоде, 5 группе, главной подгруппе или подгруппе А Перио-
дической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
4. Конфигурация валентных элементов в атомах двух элементов выража-
ется формулами:
а) 3s23p2и 3d24s2;
б) 3d14s2и 4s24p3;
В каких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они от-
личаться по свойствам, имея одинаковое число валентных элементов.
Решение:
а) Элемент, имеющий конфигурацию валентных электронов 3s23p2 — это
кремний Si. Кремний расположен в III периоде, в V группе, главной подгруппе
27
А Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Это — pэлемент.
Элемент, имеющий конфигурацию валентных электронов Зd
24s2
— это
титан Ti. Титан расположен в IV периоде, 4 группе, побочной подгруппе В Пе-
риодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Это d-элемент.
Кремний и титан, имеющие одинаковое число валентных электронов (4),
резко различаются по химическим свойствам: кремний — неметалл, а титан —
типичный металл.
б) Элемент, имеющий конфигурацию валентных электронов, 3d34s2 — это
ванадий V. Ванадий расположен в IV периоде, в V группе, побочной подгруппе
В Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Это d–
элемент.
Элемент, имеющий конфигурацию валентных электронов 4s24p3,— это
мышьяк As. Мышьяк расположен в IV периоде, в V группе, в главной под
группе (А) Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева,
это p–элемент.
Ванадий и мышьяк, имеющие одинаковое число валентных электронов
(5), различаются по химическим свойствам: ванадий — метал, а мышьяк — типичный неметалл.
5. Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения
подуровня 4p?
Решение:
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей (АО) определяется
правилами Клечковского, которые учитывают зависимость энергии орбитали от
значений как главного (n), так и орбитального (I) квантовых чисел. Согласно
этим правилам, АО заполняются электронами в порядке последовательного
увеличения суммы n+l (1–e правило Клечковского), а при одинаковых значениях этой суммы — в порядке последовательного возрастания главного квантового числа (2–е правило Клечковского).
Подуровню 4р отвечает сумма n+1, равная 4+1=5. Такой же суммой n+1
характеризуются подуровни 3d (3+2=5) и 5s (5+0=5). Однако состоянию 3d отвечает меньшее значение n (n=3), чем состоянию 4р; поэтому подуровень 3d
будет заполняться раньше, чем подуровень 4p.
Следовательно, после заполнения подуровня 4р будет заполнятся подуро-
вень 5s, которому отвечает на единицу большее значение n (n=5).
28
6. Какой подуровень будет заполняться вслед за подуровнем 4s?
Решение:
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей (АО) определяется
правилами Клечковского (см. выше). Подуровню 4s соответствует сумма
п+1=4+0=4. Такой же суммой п+1 характеризуется подуровень 3р. Но заполне-
ние этого подуровня предшествует заполнению подуровня 4s, так как последнему отвечает большее значение главного квантового числа.
Следовательно, после заполнения подуровня 4sбудет заполняться под-
уровень с суммой п+l=5, причем из всех возможных комбинаций п+l, соответствующих этой сумме (n=3, 1=2; п=4, l=1; n=5, l=0), первой будет реализовы-
ваться комбинация с наименьшим значением главного квантового числа, т. е.
вслед за подуровнем 4s будет заполняться подуровень 3d.
29
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3
Типы химической связи в разных соединениях
1. Перечень вопросов, рассматриваемых на практическом занятии:
1. Природа и виды химической связи.
2. Теория валентных связей (ВС).
3. δ– и π– связи. Неполярные и полярные молекулы.
4. Гибридизация орбиталей.
5. Ионная связь, металлическая и водородная связи.
2. Теоретическая часть
2.1 Природа и виды химической связи
Совокупность химически связанных атомов представляет собой сложную
систему атомных ядер и электронов. В образовании химической связи между
ними из всех существующих в природе сил существенны только электростати-
ческие силы, т.е. силы взаимодействия электрических зарядов, носителями ко-
торых являются электроны и ядра атомов.
Выяснить, как распределяется электронная плотность и означает описать
химическую связь в веществе.В зависимости от характера распределения элек-
тронной плотности в веществе различают три основных типа химической связи:
ковалентную, ионную и металлическую.
Химическая связь, как правило, осуществляется валентными электрона-
ми. Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении
атомов (двух атомов или большего числа) полная энергия системы (сумма кинетической и потенциальной энергий) понижена.
2.2 Теория валентных связей. Гибридизация орбиталей
Теория валентных связей (локализованных электронных пар) исходит из
положения, что каждая пара атомов в молекуле удерживается вместе при по-
мощи одной или нескольких общих электронных пар. Поскольку электронные
облака имеют различную форму, их взаимное перекрывание может осуществ-
ляться разными способами. Сигма–связи осуществляются при перекрывании
орбиталей вдоль линии соединения атомов, π–связи возникают при перекрыва-
нии электронных орбиталей по обе стороны от линии соединения атомов.
(рис.1).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]