4. Строение атома и структура. Периодической системы элементов

Атом - наименьшая частица химического элемента. Атом- состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. В ядро атомов всех элементов (за исключением 'Н) входят протоны и нейтроны. Протон (р ) - элементарная частица с единичным положительным зарядом и массой покоя 1,00728. Число протонов в ядре определяет заряд ядра и принадлежность атома к данному химическому элементу. Нейтрон (п°)-элементарная частица, не обладающая зарядом, с массой покоя 1,00867. Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом атома (ядра). Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов, называются изотопами данного химического элемента. Электрон (е") - элементарная частица с единичным отрицательным зарядом.

При всех химических процессах ядра атомов элементов не изменяются. Энергия химических превращений связана только с энергией электронов.

Околоядерное пространство, где с наибольшей вероятностью может находиться электрон, называется атомной орбиталыо (АО). Она характеризуется тремя координатами-квантовыми числами, определяющими размер (л), форму (/) и ориентацию (т/) АО в пространстве.

Главное квантовое число ( л ) определяет энергетический уровень электрона в атоме. Для электронов в невозбужденных атомах а принимает значения от 1 до 7 (соответственно номеру периода в ПСЭ). Совокупность электронов с одинаковым п - определяет электронный слой;

Главное квантовое число я 1234567Электронный слой К L М N О Р Q

Орбитальное квантовое число (/) указывает на различие энергий связи электронов в пределах одного энергетического уровня, определяет форму электронного облака и принимает целочисленные значения от 0 до ( п - I). Для я = 1 / = 0; для я = 2 / = О, 1; для я = 3 / = О, 1, 2, для я = 4 / = 0,1,2,3. Электроны данного энергетического уровня группируются в подуровни; число подуровней на каждом уровне равно я. Больше четырех подуровней не заполняется, т.к. для описания

электронов в атомах всех известных элементов достаточно значений / = 0,1,2,3.

Орбитали с / = 0,1,2,3 называют s-, p-, d-, f-орбиталями, соответственно, а электроны, занимающие эти орбитали, называются - s-, p-, d-, f- электронами.

Магнитное квантовое число - т характеризует магнитный момент и пространственное расположение электронного облака Число возможных значений т при заданном / равно

21+1, при этом т изменяется от -/ до +/. Так при / =2 mi имеет 5 значений:-!, -1. О, 1,2.

Спиновое квантовое число - s характеризует движение электрона вокруг своей оси. s имеет всего два значения: +1/2 и -1/2.

Распределение электронов в атомах по атомным орбиталям определяется принципом Паули, принципом наименьшей энергии и правилом Хунда.

Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел. Максимальное число электронов на уровне N = 2п². Так как каждая атомная орбиталь описывается лишь тремя квантовыми числами ( л, /, т ), то на ней может находиться не более двух электронов с противоположными спинами (+1/2, -1/2).

Принцип наименьшей энергии. Последовательность размещения электронов по атомным орбиталям в невозбужденном атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т.е. электрон должен обладать наименьшей энергией. Поэтому сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений п+l является меньшей; если суммы значений л+/ равны, то сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением п - главного квантового числа.

Шкала энергий:

Is²<2s²<2p⁶<3s²<3p⁶<4s²<3d¹⁰<4p⁶<5s²<4d¹⁰<5p⁶<6s²<5d¹<4f¹⁴<5d²-¹⁰<6p⁶<7s²<6d¹<5f⁴⁴<6d²-¹⁰<7p⁶, где s,p,d,f - энергетические подуровни, цифра впереди букв означает номер энергетического уровня, на котором находятся электроны; индекс наверху справа показывает максимальное число электронов на подуровне.

Из шкалы энергий видно, что после Зр-подуровня ( п+l = 3+1=4 ) заполняется 48-подуровень (п+1 - 4+0 = 4 ), затем Sd-nonypoeeHb ( я+/ = 3+2 =5), 4р-подуровень ( п+1 =4+1=5) и 58-подуровень (л+/ = 5+0=5).

Правило Хунда. Орбитали в пределах данного подуровня заполняются так, чтобы суммарное спиновое число электронов на подуровне было максимально. Суммарный спин спаренных электронов равен нулю (-1/2+1/2=0).

Энергетическое состояние электрона схематически можно представить в виде квантовых ячеек. Для s-электронов (/=0) отводится одна ячейка, где может быть один (s =+1/2)] или два электрона (я = +1/2 и s = -1/2), для р-электронов отводится три ячейки, где может быть от 1 до 6 электронов; для d-электронов (/=2) отводится пять ячеек, где может быть от 1 до 10 электронов; для f-злектронов (/=3) отводится семь ячеек, где может быть от 1 до 14 электронов.

Строение электронных оболочек атомов тесно связано с ПСЭ Д.И.Мендедеева. Если провести вертикальную черту в шкале энергий перед каждым значением главного квантового числа л, то получим максимальную емкость энергетического уровня, а также число элементов в периоде: я=1 (I период)-емкость 2 элемента, я=2 (II период) - емкость 8 элементов; я=3 (III период) - Зэлементов; л=4 (IV период) - 18 элементов; л=5 (V период)-18 элементов; я=6 (VI период) - 32 элемента, л =7 (VII период) - 32 элемента. В зависимости от того, на какой энергетический подуровень в атоме поступает последний электрон,

химические элементы делятся на s-, p-, d-, f-элементы. Их положение в ПСЭ следующее:s-элементы I, II группы, главные подгруппы - (ns¹, ns²) (H₂, He);

р-элементы III - VIII группы, главные подгруппы (ns²np¹"⁶);

d-элементы I - VIII группы, побочные подгруппы [ns²(n-l)d^M0];

f-элементы III группа, побочная подгруппа- лантаноиды и актиноиды

Валентные электроны у s- и р-элементов находятся на внешнем энергетическом уровне, у

d-элементов-на s-подуровне внешнего энергетического уровня (ns²) и предвнешнего (n-l^¹"¹⁰

незавершеного подуровня.

Свойства элементов тесно связаны со строением их атомов. «Периодическая повторяемость свойств

элементов обусловлена периодическим повторением электронных оболочек атомов» - это

современная формулировка периодического закона. Созданная Менделеевым периодическая

система элементов является графическим выражением периодического закона. Атомы элементов в

одной подгруппе данной группы имеют одинаковую электронную конфигурацию. Для главных

подгрупп ПСЭ связь между электронной конфигурацией и числом валентных электронов атомов

можно представить в виде :

Номер периода I II III IV V VI VII VIII

Валентные электроны ns¹ ns² ns²np' ns^² ns²np³ ns²np⁴ i^p⁵ ns²np⁶

семейство s-элементы р-элементы

Химические свойства элемента зависят от способности его атома терять (А°- е = А⁺¹) или обретать (А°+е = А") электроны, превращаясь в положительно или отрицательно заряженные ионы. Это количественно оценивается через энергию ионизации атома и энергию сродства атома к электрону.

Энергия ионизации J - энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома в его нормальном состоянии. Энергия ионизации является мерой металлических свойств элемента (в первом приближении также восстановительных свойств). Чем меньше значение J, тем легче отрывается электрон внешнего уровня, тем больше металлических свойств.

Энергия сродства к электрону U - энергия процесса присоединения электрона к нейтральному атому в нормальном состоянии. Величина энергии сродства к электрону является мерой проявления элементом неметаллических и косвенно окислительных свойств.

Электроотрицательность (ЭО) - есть полусумма энергий сродства к электрону и ионизации,

т. е. 3O=0.5(J+U). ЭО позволяет дать наиболее полную характеристику способности элемента проявлять металлические или неметаллические свойства.

Относительная электроотрицательность ОЭО - получается отношением ЭО элемента к ЭО атома фтора, для которого значение ОЭО принято равным 4. Величина ОЭО позволяет оценить способность атома элемента к оттягиванию на себя электронной плотности атомов других элементов. В ПСЭ Д.И.Менделеева в пределах главных подгрупп (8-,р-элементы) сверху вниз значения ОЭО уменьшаются, следовательно, в главных подгруппах сверху вниз увеличиваются металлические и восстановительные свойства элементов, основные свойства их гидроксидов.

В периодах ПСЭ слева направо значения ОЭО увеличиваются, следовательно, здесь постепенно ослабляются металлические и нарастают окислительные свойства. Самый активный неметалл F, он же наиболее сильный окислитель. Самые активные металлы Fr, Cs, Rb являются наиболее сильными восстановителями, а их гидроксиды - самыми сильными основаниями.

Номер группы ПСЭ, в которой стоит элемент, показывает высшую степень окисления его

атома в химических соединениях, его высшую валентность. Исключение составляют кислород, фтор (р-семейство); медь, серебро, золото и некоторые другие элементы d-семейства могут проявлять в соединениях валентность большую, чем номер группы.

Форма и свойства соединений данного элемента зависят от степени окисления его атомов. Если элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с ее увеличением их свойства меняются от основных через амфотерные к кислотным. Например, Мп образует четыре оксида: МпО, Мп₂О₃, МпОз, Мг^О? Первые два обладают основными свойствами Мп(ОН)г, Мп(ОН)з; МпСЬ амфотерен (МпО(ОН)2₎Н2МпОз); MnjO? является ангидридом марганцевой кислоты (НМпОД

Пример 5. Исходя ю положения элементов В ПСЭ составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?

Решение. Используя представления о распределении металлических и неметаллических свойств элементов в периодах, а также о зависимости высшей степени окисления от номера группы, можно изменения химических свойств элементов III периода представить в следующей таблице:

группы

III

AI

vn

CI

IV Si

V P

характеристики

Элемент

Валентные электроны

Формула оксида Формула гидроксида

Характер гидроксида

I Na

3s¹

Номер II

Mg

3s²

Na₂O MgO

NaOH Mg(OH)₂

основной основной

VI S

3s²3p⁴

AW,	SiOj	P205	80з	CI20,
А1(ОН)з	H2SiO4	НзРО,	H2S04	нею,
амфотер.	кислый	кислый	кислый	кислый

ЗАДАЧИ

57. В каких группах и подгруппах периодической системы находятся s- и р-элементы?

58. Какое максимальное число электронов может находиться на третьем и четвертом энергети-ческихуровнях?

59. Как теория строения атома объясняет усиление неметаллических свойств элементов в пределахпериода с увеличением атомного номера?

60. Как с точки зрения теории строения атома объяснить усиление металлических свойств элементовс увеличением их атомной массы в пределах группы?

61. На основании строения атома докажите, у какого элемента II группы, у магния или строн-ция,сильнее проявляются металлические свойства

62. Что общего в строении атомов лития, натрия, калия?

63. Назовите элементы I группы, в предпоследнем слое атомов которых содержится 8 электро-нов,18электронов.

64. Напишите электронные формулы для ионов: Fe²⁺, Fe³⁺, СГ, S²", Cu²⁺, Cr³*.

65. Может ли ион двухвалентного металла иметь электронную конфигурацию Is²2s²2p⁶3s';Is²2s²2p⁶3s²3p⁶?

66. На основании электронной структуры установите химические свойства элементов с поряд­ковыми номерами 7, 17,20, 26.

67. Сколько электронных слоев у атомов с числом протонов в ядре 4, 17, 19? Ответ обоснуйте.

68. Для всех ли элементов номер группы соответствует числу электронов в последнем слое атома?Ответ поясните.

69. Сколько неспаренных электронов содержится в основном состоянии в электронных оболоч-кахатомов хлора, серы, углерода?

70. Среди приведенных ниже конфигураций укажите возможные и невозможные: а)1р²; б) 4s²; в) Sf⁴;г) 3d³; д) 4р⁵; е) 2р⁴; ж) 3d⁸.

71. В следующих конфигурациях укажите, какие подуровни достроены, а какие не заполненыэлектронами до полной их емкости: a)3s²; б) 5d⁸; в) 4т⁴⁴; г) 6s ; д) 2р⁶; е) 3d¹⁰.

72. Составьте электронную формулу атома элемента, расположенного: а) в шестой группе IIIпериода; б) в четвертой группе в пятом ряду IV периода; в) в седьмой группе в седьмом ряду Vпериода.

73. Назовите элементы IV, V и VI периодов, у которых заканчивается заполнение d-орбиталей (3d¹⁰,4d¹⁰, 5d¹⁰).

74. Напишите электронные формулы атомов IV периода седьмой группы.

75. Назовите элементы, имеющие следующие электронные формулы: a) Is²2s²2p⁶3s²3p⁵;

б) Is²2s²2p⁶3s²3p⁶4s^l; в) Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d^l°4s²4p⁶4d³5s^l;

76. Напишите электронную формулу атома железа. Как распределяются электроны на d-подуровне икакова высшая \ валентность железа?

77. Назовите элементы, имеющие по одному электрону на Sd-и 4d-no,oypoBHax. Напишитеэлектронные формулы атомов этих элементов и укажите их положение в периодической системе.

78. Исходя из распределения электронов по орбиталям атома кремния в возбужденном состоя-нии,объясните проявление этим v элементом валентности, равной четырем.

79. На примере марганца и мышьяка покажите применимость правила Хунда.

80. Назовите элементы, имеющие по одному электрону на Зр¹- и 4р'-подуровнях. Напишитеэлектронные формулы атомов этих элементов и укажите их положение в периодической системе.

81. Сколько свободных d-орбиталей имеет атом ванадия? Напишите для него электронную иэлектронно-графическую формулы.

82. Пользуясь правилом Хунда, покажите распределение электронов по квантовым ячейкам(орбиталям) у атомов хлора, кобальта, азота.

83. Напишите электронно-графическую формулу для атома хлора. Сколько электронных пар ватоме хлора и какие орбитали они занимают? Сколько неспаренных электронов в атоме хлора?

84. Могут ли содержаться d-электроны в данном слое, если его структура заканчивается одной изследующих конфигураций: 3s¹; 4p'; 5т⁴¹?

85. Напишите электронные формулы атомов элементов: цезия, лантана, тантала, свинца. К какимэлементам они относятся (s, p, d или/)?

86. Указать порядковый номер элемента, у которого: а) заканчивается заполнение электронамиорбиталей 4d; б) начинается заполнение подуровня 4р.

87. Какой подуровень заполняется в атомах после подуровня 5s?

88. У какого элемента начинает заполняться подуровень 4/? У какого элемента завершаетсязаполнение этого подуровня?

89. Записать электронные формулы атомов элементов с зарядом ядра: а) 8; б) 13; в) 18; г) 23; д) 53;е) 63; ж) 83. Составить графические схемы заполнения электронами валентных орбиталей этихатомов.

90. Среди приведенных ниже электронных конфигураций указать невозможные и объяснитьпричину невозможности их реализации: а) 1р ; б) Зр⁶; в) 3s²; г) 2s²; д) 2d⁵; e) 5d²; ж) 3f*²; з) 2р⁴; и)Зр⁷.

91. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы: а) В; б) S; в) As; г) Сг; д)Hg; е) Ей?

92. Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается формулой: a) 5s²5p⁴; б)3d^s4s . Определить порядковый номер и название элемента.

93. Электронная структура атома описывается формулой Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Какой это элемент?

94. Написать электронные формулы ионов: a) Sn²⁺; б) Sn⁴⁺; в) Мп²⁺; г) Си²⁺; д) Сг³*; е) S²".

95. Составьте электронную формулу атома элемента , подчеркните в формуле валентныеэлектроны, укажите к какому электронному семейству относится данный элемент.укажите числонеспаренных электронов в атоме в нормальном (невозбуждеяном) состоянии. Напишите формулу

высшего оксида Определите число протонов и нейтронов:а) ³⁵,₇ С1 и ³⁷,₇ С1; б) ⁴²2о Са и % Са;

в) ^б8₃,(3а и ⁷⁰₃₁Ga; г) ³²₁₆S и ^S ;

д) "„Na и ²⁴₁ ,Na; е) ³⁵₂₅Мп и ^Мп;

к)⁴⁷₂₂Т1и⁴⁸₂₂Т1; л)³°_]5Ри³²₁5Р;

м) ²⁸₁₄Si и ^Si; н) *_I3A1 и ²⁷_!3А1.

96. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов III периода ПСЭ, отвечающие их высшейстепени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе отнатрия к хлору?

97. Что такое сродство к электрону? Как изменяется окислительная активность элементов в ряду N,О, F? Ответ мотивируйте строением атомов данных элементов.

98. Какую высшую степень окисления проявляют мышьяк, хром, марганец? К каким электроннымсемействам принадлежат эти элементы? Составьте формулы оксидов данных элементов,отвечающих этой степени окисления.

99. Какую низшую степень окисления проявляют фосфор, кислород, фтор, кремний? Почему?Составьте и назовите формулы водородных соединений этих элементов. К какому электронномусемейству они относятся?

100. Что понимают под электроотрицательностью? Как изменяются неметаллические свойстваэлементов в рядах: a) Si, P, S, C1; б) Cl, Br, I ? Почему?

101. Что такое энергия ионизации ? Используя значения J, объясните, какой из металлов - калий,рубидий, цезий или франций- легче всего окисляется.

102. Внешние уровни атомов имеют строение ...2s²2p²; ...4s²4p ' ; ...5s²5p⁴; ...6s¹. В каких периодах,группах и подгруппах находятся эти элементы? К каким электронным семействам онипринадлежат?