35

РАЗДЕЛ I. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Глава 3. Строение атома и периодическая система

Студент должен уметь:

1.Называть элементы s,-p,-d,-f- электронных семейств и особенности распределения их валентных электронов.

2.Изображать электронные и электронно-графические формулы атомов в основном и возбужденном состояниях.

3.Давать характеристику атома и его соединениям по положению элемента в периодической системе.

Атом – наименьшая химически неделимая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства.

1735 Cl (17p+,18n0)17ē.

При химических реакциях ядра атомов не изменяются, поэтому химические свойства элементов полностью определяются свойствами электронов, которые в атоме образуют электронные слои или оболочки, или иначе – энергетические уровни. Число энергетических уровней, подуровней и орбиталей на подуровне в атоме, а также предельная ѐмкость уровней определяются на основании значений квантовых чисел:

В зависимости от того, какой подуровень завершается, все элементы периодической системы делятся на четыре электронных семейства:

s- элементы – элементы групп IА, IIА, водород и гелий;

p- элементы – элементы групп IIIА–VIIIA, кроме водорода и гелия; d- элементы – элементы побочных подгрупп;

f- элементы – лантаноиды и актиноиды.

В периодической системе номер периода указывает на число энергетических уровней, заполняемых электронами у атома данного элемента, а

номер группы – на число валентных электронов.

Уs- и р-элементов (элементов главных подгрупп) завершается последний энергетический уровень. Все валентные электроны у них находятся на последнем уровне. Их число равно номеру группы.

Уd-элементов (элементов побочных подгрупп) завершается предпоследний энергетический уровень. На последнем уровне у них, как правило, находится два электрона. Валентные электроны располагаются на последнем уровне (2) и на завершаемом d-подуровне предпоследнего уровня

(остальные).

Запись распределения электронов в атоме по уровням и подуровням получила название электронной конфигурации элемента или электронной формулы. В электронной формуле номер уровня указывается цифрой, номер подуровня – буквой (s, p, d, f), а число электронов на подуровне – в виде

37

степени, например, [5В] 1s2, 2s2, 2p1. При графическом изображении

а электроны на них – стрелочками ↓ или ↑.

Характеристику атома элемента по его положению в периодической системе

(ПС) осуществляют по следующему плану:

1. Записывают атомную формулу элемента с указанием числа протонов,

нейтронов, электронов.

2.Указывают принадлежность элемента к электронному семейству.

3.Составляют схему электронного строения (графическая схема, схема распределения электронов по уровням).

4.Записывают полную и сокращенную электронные формулы.

5.Указывают графические электронные формулы валентных уровней основного и возбужденного состояний атома.

6.Записывают формулы высших оксидов и гидроксидов и указывают их характер.

7.Приводят формулу водородного соединения.

Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер (современная формулировка Периодического закона).

Причина периодичности заключается в периодическом изменении строения внешних электронных слоев атомов.

Периодическая таблица – это графическое, т.е. табличное отображение Периодического закона. Периодическая система основана на закономерностях,

проявляемых в горизонтальных и вертикальных рядах.

Период – это горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания протонов в ядре и начинающийся щелочным металлом, а

завершающийся инертным газом. В периодах с ростом зарядов атомных ядер усиливается притяжение электронов к ядру. Поэтому атомные радиусы

38

уменьшаются и возрастает способность атомов принимать электроны и усиливаются неметаллические (окислительные) свойства, а металлические (восстановительные) свойства ослабевают.

Группа – это ряд элементов, характеризующихся одинаковым количеством валентных электронов. В группе возрастает число энергетических уровней, увеличиваются размеры атомов и внешние электроны слабее притягиваются к ядру. Это приводит к усилению способности электроны отдавать, т.е. к усилению металлических свойств и ослаблению неметаллических свойств.

В подгуппах находятся электронные аналоги, имеющие одинаковую конфигурацию внешних электронных слоев. В главных подгруппах (А) – s-и p-

элементы, а побочных (В) - d- и f- элементы.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Характеристика атома элемента по его положению в периодической

системе Пример 1. Дать характеристику атому элемента №16, исходя их его положения в ПС.

Элемент главной подгруппы ПС № 16 – сера, период 3, группа VI, главная подгруппа.

0

1.Атомная формула: 3126 S (16 р , 16 n ) 16 ē.

2.Сера – p-элемент.

3.Схема распределения электронов по уровням:

K L M

+16

16S

2 8 6

39

4. Электронная формула(подчеркнуты валентные электроны: 1s22s2 2p6 3s2 3p4

Сокращенная электронная формула: 3s2 3p4

+Е1

1-ое возбужденное состояние атома, B(S*)=IV

+Е2

2-ое возбужденное состояние атома, B(S**)=VI

Примечания: 1) В – валентность; 2) подуровни условно расположены в одну строчку для компактности, но при этом не следует забывать, что s-подуровень лежит ближе к ядру, чем р-подуровень, а р-подуровень ближе, чем d-

подуровень и т.д.

6. Поскольку сера является неметаллом, еѐ оксиды и гидроксиды будут иметь

6

кислотный характер. Формула высшего оксида серы S O3. Ему соответствует

6

кислота H2 S O4.

7. Формула водородного соединения: H2S

Пример 2. Исходя из положения в ПС дать характеристику атому элемента

№25

Элемент побочной подгруппы ПС №25– марганец, период 4, группа VI,

побочная подгруппа.

40

1.Атомная формула: 5525 Mn (25 p+, 30 no) 25 ē.

2.Марганец – d-элемент

3.Схема распределения электронов по уровням:

K L M N

+25

25Mn

2 8 13 2

4. Электронная формула: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5

Сокращенная электронная формула: 4s23d5

+Е2

6. Марганец является переходным металлом (занимает положение между электроположительными s-элементами и электроотрицательными р-

элементами). Оксиды и гидроксиды переходных элементов в низших степенях

41

окисления проявляют обычно основные свойства, в высших – чаще кислотные

Mn(OH)2 является основным гидроксидом, Mn(OH)4 – амфотерным, а HMnO4 –

сильная кислота.

7. Отрицательные степени проявляют и образуют водородные соединения элементы, у которых на последнем электронном уровне более 3-х электронов, а

у марганца два электрона. Поэтому марганец водородного соединения не образует.

Определение места элемента в ПС по его электронной конфигурации Пример 3. Сращѐнная электронная формула атома одного элемента 4s2 4p3, а

другого 5d26s2. Атомам каких элементов соответствуют данные электронные конфигурации?

42

Электронные формулы ионов

Пример 4. Число электронов на внешнем уровне у иона Sn2+ равно:

результате отдачи 2-х электронов (Sn - 2 e → Sn ). Сокращѐнная электронная формула атома олова 5s2 5p2. Следовательно, на внешнем энергетическом уровне у атома олова два электрона. Правильный ответ «в».

Химические свойства элементов и их соединений.

Пример 5. Металлические свойства убывают в ряду элементов:

а) C, Si, Ge б) B, Be, Li в) Na, Mg, Al г) Li, Na, K

Решение: С увеличением порядкового номера в периоде металлические свойства ослабляются, а с увеличением порядкового номера в группе металлические свойства усиливаются. Поэтому правильным будет ответ «в», в

котором приведены последовательно элементы III периода. В вариантах «а» и «г» наблюдается усиление металлических свойств (элементы главных подгрупп

IV и I групп), а в варианте «б» приведены элементы одного периода, но в соответствии с уменьшением порядкового номера.

Составление уравнений ядерных реакций

Пример 6. Вычислите число нейтронов в ядре атома элемента,

образовавшегося при реакции: 5224 Cr 01 n11 H ...

Решение: В уравнениях ядерных реакций суммарные массовые числа и суммарные атомные номера реагентов и продуктов должны быть одинаковыми.

В данном случае 53 и 24 соответственно:

5224 Cr 01 n11 H5223V