Магнитные и энергетические состояния атома

Магнитные свойства атомов характеризуют их поведение во внешнем магнитном поле. Если вещество выталкивается из внешнего неоднородного магнитного поля, то атомы этого вещества называют диамагнитными. Если вещество втягивается во внешнее неоднородное магнитное поле, то атомы называют парамагнитными. Диамагнитные свойства вызваны движением спаренных электронов, а парамагнитные – движением неспаренных электронов. Чем больше у атома неспаренных электронов, тем в большей степени проявляется парамагнетизм у вещества. Особенности электронной структуры различных атомов находят отражение в таких их энергетических характеристиках, как энергия ионизации Е_и и сродство к электрону. Их значения принято измерять в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Энергия ионизации – минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из нейтрального несвязанного (газофазного) атома, находящегося в основном состоянии. Значение E_и всегда является положительным. Например, энергия ионизации атома водорода

Н (г.) = Н⁺ (г.) + e,

равная +1312,1 кДж/моль, относится к переходу с 1s-атомной орбитали (АО) на АО с n = , которой отвечаетE= 0. У многоэлектронных атомов различают первую (Е_1и), вторую (Е_2и), третью (Е_3и) и т.д. энергии ионизации по последовательному удалению электронов из атома. При этом всегда для одного и того же атома Е_1и < Е_2и < Е_3и, поскольку второй, третий и т.д. электроны приходится отрывать от положительно заряженного иона. Наибольшими значениями энергии ионизации обладают атомы благородных газов, имеющие полностью заселенные электронные оболочки. Наименьшие значения энергии ионизации имеют атомы щелочных металлов с одним валентным электроном, надежно экранированным от сильного воздействия ядра предыдущими заполненными электронными оболочками.

Сродство к электрону – энергия, выделяемая или поглощаемая (отрицательное сродство) при присоединении электрона к нейтральному несвязанному атому, находящемуся в газовой фазе, с образованием отрицательно заряженного иона. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены. Например:

F (г.) + e = F^– (г.) + 345,7 кДж/моль.

Размеры атома

1. За радиус атома (r_i) принимают такое расстояние от ядра, при котором учитывается 90% его плотности (рис. 2.6)

Рис. 2.6. Зависимость электронной плотности в атоме от расстояния от ядра

2. Металлический радиус равен половине межъядерного расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке металла.

3. Ковалентный (атомный) радиус определяется как половина межъядерного расстояния между двумя одинаковыми атомами, связанными ковалентной связью.

4. Возможны измерения и расчеты радиусов соседних ионов в соли. Металлические и ковалентные радиусы определяются, как правило, экспериментально и называются еще эффективными.

Задачи и упражнения

1. Дать характеристику, исходя из положения в периодической системе, элементу с порядковым номером 12.

Решение: Элемент S-семейства магний.

₁₂Mg 1s²2s²2p⁶3s²

↑↓

Mg

3s 3p

	↑
↑

Mg٭

3s 3p

Mg может иметь одно возбужденное сотояние. В возбужденном состоянии два неспаренных электрона, следовательно, валентность его равна 2. Ей соответствует степень окисления +2.

Пример соединения Mg⁺²O^-2 – основной оксид. Ему соответствует Mg(OH)₂ – гидроксид магния.

2. Дать характеристику элементу p – семейства: сера.

Решение:

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

S – неметалл, так как на внешнем уровне более 4 электронов (6 электронов).

Min B = 2.

	↑↓	↑	↑
↑↓

S

3s 3p 3d

Степень окисления -2, +2. Примеры соединений: H₂⁺¹S^-2, (S⁺²O^-2 – неустойчив).

Атом серы может иметь два возбужденных состояния (две неподеленные пары электронов на внешнем уровне).

				↑
	↑	↑	↑
↑↓

S٭

3s 3p 3d

В = 4, степень окисления +4. S⁺⁴O₂^-2 – кислотный оксид, H₂SO₃ –сернистая кислота.

				↑	↑
	↑	↑	↑
↑

S٭٭

3s 3p 3d

Мaх В = 6, так как больше возбуждение не возможно, степень окисления +6.

S⁺⁶O₃^-2 – кислотный оксид

H₂SO₄ – серная кислота.