2 Строение атома и периодическая система д.И. Менделеева

2.1 ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,90 – 0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m_l , m_s ). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размеры (n), форму (l ), ориентацию (m_l ) атомной орбитали в пространстве. Атомные орбитали, которым отвечают значения l равные 0, 1, 2, 3, называются соответственно s-, p-, d- и f-орбиталями. В электроннографических формулах атомов каждая атомная орбиталь обозначается квадратом. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l, m_l , m_s ). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона: число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень); число m_l (магнитное) – магнитный момент; m_s – спин. Спин возникает за счет вращения электрона вокруг собственной оси.

Согласно принципу Паули: в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором четырех квантовых чисел. Поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m_s = ± 1/2). В табл. 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Устойчивому (невозбужденному) состоянию многоэлектронного атома отвечает такое распределение электронов по атомным орбиталям, при котором энергия атома минимальна. Поэтому они заполняются в порядке последовательного возрастания их энергий. Этот порядок заполнения определяется правилом Клечковского (правило n + l ):

– заполнение электронных подуровней с увеличением порядкового номера атома элемента происходит от меньшего значения (n + l ) к большему значению (n + l );

– при равных значениях (n + l ) заполняются сначала энергетические подуровни с меньшим значением n.

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s → 2s →2p → 3s →3p → 4s → 3d → 4p →5s → 4d → 5p → 6s → (5d¹) → 4f → 5d → 6p → 7s → (6d¹) → 5f → 6d → 7p.

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей. Размещение электронов по атомным орбиталям в пределах одного энергетического уровня определяется правилом Хунда (Гунда): электроны в пределах энергетического подуровня располагаются сначала по одному, а затем если

Табл. 1

электронов больше чем орбиталей, то они заполняются уже двумя электронами или чтобы суммарный спин был максимальным.

П р и м е р 31 Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22.

Решение Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для серы – Z = 16, титана – Z = 22. Электронные формулы имеют вид:

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴;

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d².

Электронно-графические формулы этих атомов:

₁₆S

₂₂Ti

П р и м е р 32 Какой энергетический подуровень будет заполняться раньше 3d или 4s?

Решение В соответствии с принципом наименьшей энергии (правило Клечковского) энергетическому подуровню 3d соответствует сумма n + l = 3 + 2 = 5, а подуровню 4s соответствует сумма 4 + 0 = 4. Следовательно, сначала заполнится подуровень 4s, а затем 3d.

П р и м е р 33 Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение Для Si число электронов равно 14, электронная формула имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p².

Электронно-графическая формула атома кремния:

₁₄Si

При затрате некоторой энергии (hν) один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3р-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так как возникающая электронная конфигурация (1s²2s²2p⁶3s¹3p³) соответствует возбужденному состоянию атома кремния (Si* ):

₁₄Si

*

П р и м е р 34 На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

Решение Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора – Z = 17, марганца – Z = 25. Электронные формулы имеют вид:

₁₇Сl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; 25Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵.

Электронно-графические формулы этих атомов:

₁₇Cl

₂₅Mn

Валентные электроны хлора – 3s²3p⁵, а марганца – 4s²3d⁵. Таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов – 7. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д.И. Менделеева.

Задачи

176 Чему равно число энергетических подуровней для данного энергетического уровня? Каким значением главного квантового числа характеризуется энергетический уровень, если он имеет 4 подуровня? Дайте их буквенное обозначение.

177 Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n = 3 и l = 1? Чему равно для них значение магнитного квантового числа? Должны ли они иметь антипараллельные спины?

178 Укажите значения квантовых чисел n и l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 12, 13, 23.

179 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов с порядковыми номерами 18, 63. К какому электронному семейству они относятся?

180 Объясните, пользуясь правилом Клечковского, какие атомные орбитали заполняются раньше:

а) 3d или 4р;

б) 4f или 5p;

в) 5p или 6s;

г) 4d или 4f.

181 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов с порядковыми номерами 27, 83. Сколько свободных f-орбиталей в атомах этих элементов?

182 Какие из приведенных электронных формул неверны и объясните причину:

а) 1s¹2s²2p⁶;

б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵4s¹;

в) 1s²2s²2p⁶3s¹;

г) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴;

д) 1s²2s²2p³;

е) 1s²2s³.

183 Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_l и m_s, характеризующие состояние электронов в атоме алюминия.

184 Какое максимальное число электронов находится на s-, p-, d-, f-подуровнях? Напишите электронную и электроннографическую формулу атома с порядковым номером 51.

185 Какое максимальное число электронов может находиться на уровнях К, L, M, N, O, P? Что такое квантовые числа?

186 Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атома некоторого элемента имеют следующие значения: n = 5,l = 0, m_l = 0, m_s = + 1/2. Сколько свободных 4d-орбиталей содержит атом данного элемента. Напишите электронную и электронно-графическую формулу данного атома?

187 Напишите значения квантовых чисел l, m_l, m_s для электронов, главные квантовые числа которых равны 3 и 4.

188 Укажите порядковый номер элемента у которого:

а) заканчивается заполнение электронами 3d-орбитали;

б) заканчивается заполнение электронами 4s-орбитали;

в) начинается заполнение электронами 4p-орбитали;

г) начинается заполнение электронами 4f-орбитали.

189 Сколько вакантных 3d-орбиталей имеют возбужденные атомы:

а) серы; б) хлора; в) фосфора; г) ванадия?

190 Укажите значения квантовых чисел n и l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 10, 15, 33.

191 Какое значение имеет:

а) орбитальное квантовое число для энергетических подуровней, емкость которых равна 10 и 14;

б) главное квантовое число для энергетических уровней, емкость которых равна 32, 50, 72?

192 Учитывая емкость энергетических уровней, покажите сколько их содержит электронная оболочка атома из 18, 36, 54 и 86 электронов.

193 Сколько неспаренных электронов содержат атомы в невозбужденном состоянии:

а) магния; б) алюминия;

в) углерода; г) бора; д) серы?

194 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 39 и 41. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов.

195 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит "провал" одного 4s-электрона на 3d-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у первого атома и p-электронов у атомов второго элемента?

196 Напишите электронные формулы атомов элементов:

а) цезия; б) брома; в) ванадия; г) молибдена; д) железа;

е) титана; ж) кальция; з) олова; и) хлора; к) брома;

л) кобальта; м) платины; ) свинца; o) марганца; п) серы.

197 Сколько электронов находится на энергетических уровнях, если главное квантовое число равно 2, 3 и 4?

198 Сколько электронов находится на:

а) 4f- и 5d-подуровнях атома свинца;

б) 5s- и 4d-подуровнях атома цезия;

в) 5d- и 4f-подуровнях атома вольфрама;

г) 3p- и 3d-подуровнях атома кобальта;

д) 3d- и 4s-подуровнях атома мышьяка?

199 Сколько нейтронов в ядрах атомов:

а) фосфора; б) свинца; в) магния; г) кремния; д) олова; е) серебра; ж) висмута; з) кадмия; и) железа?

200 Какое максимальное валентное состояние могут проявлять:

а) олово; б) вольфрам; в) алюминий; г) висмут;

д) кальций; е) титан; ж) кислород; з) фтор; и) хлор?

201 Сколько свободных f-орбиталей содержат атомы элементов с порядковыми номерами 57, 68 и 82? Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям.

202 Исходя из электронного строения атомов фтора и хлора объясните сходство и различие свойств этих элементов.

203 Пользуясь правилом Клечковского напишите электронные формулы атомов следующих элементов:

а) марганца; б) хрома; в) циркония; г) гафния.

204 Для атома кремния возможны два различных электронных состояния: 3s²3p² и 3s¹3p³. Как называются эти состояния?

205 Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим невозбужденному состоянию атомов:

а) фосфора; б) углерода; в) марганца;

г) кислорода; д) железа.

206 Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим возбужденному состоянию атомов:

а) бора; б) серы; в) хлора.

207 Атомы, каких элементов имеют следующее строение внешнего и предвнешнего электронного уровня:

а) 2s²2p⁶3s²3p³;

б) 3s²3p⁶4s²;

в) 3s²3p⁶4s²3d⁵;

г) 4s²4p⁶5s⁰4d¹⁰.

208 Атомы, каких элементов имеют электронную конфигурацию:

а) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹;

б) 1s²2s²2p⁶3s¹;

в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵.

209 Электронные конфигурации атомов углерода 1s²2s¹2p³ и скандия 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹. Какое состояние атомов (основное или возбужденное) они характеризуют.

210 В какой из приведенной электронной конфигурации нарушено правило Хунда?

2.2 ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

П р и м е р 35 Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьми электронной оболочки (ns²np⁶).

Данные элементы находятся соответственно в главных подгруппах V, VI, VII-групп и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²р³, s²p⁴, s²p⁵. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома в соединениях таковы:

Аs: + 5 (высшая), –3 (низшая) --- As₂O₅, AsH₃;

Se: + 6 (высшая), –2 (низшая) --- SeO₃, Na₂Se;

Br: + 7 (высшая), –1 (низшая) --- КВrO₄, KBr.

П р и м е р 36 У какого из элементов четвертого периода марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

Решение Электронные формулы данных элементов:

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵

₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵.

Марганец – d-элемент VII-группы побочной подгруппы, а бром – p-элемент VII-группы главной подгруппы. На внешнем энергетичеcком уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства более свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у марганца.

Задачи

211 Дайте современную формулировку периодического закона. Чем она отличается от той, которая была дана Д.И. Менделеевым?

212 Открытие каких трех элементов было триумфом периодического закона? Как точно совпали свойства этих элементов и их простейших соединений со свойствами, предсказанными Д.И. Менделеевым?

213 Покажите, как периодический закон иллюстрирует и подтверждает один из всеобщих законов развития природы – закон перехода количества в качество.

214 Как учение о строении атома объясняет периодичность в изменении свойств химических элементов?

215 Какой физический смысл имеет порядковый номер и почему химические свойства элемента в конечном счете определяются зарядом ядра его атома?

216 Объясните три случая (укажите их) отклонения от последовательности расположения элементов в периодической системе по возрастанию их атомных масс?

217 Какова структура периодической системы? Периоды, группы и подгруппы. Физический смысл номера периода и группы.

218 В каких случаях ёмкость заполнения энергетического уровня и число элементов в периоде: а) совпадают; б) не совпадают? Объясните причину.

219 Значениям какого квантового числа отвечают номера периодов? Приведите определение периода, исходя из учения о строении атома?

220 Какие периоды периодической системы называют малыми, а какие большими? Чем определяется число элементов в каждом из них.

221 Укажите валентные энергетические подуровни в приведенных электронных формулах нейтральных атомов:

а) [KL]3s²3p¹; б) [K]2s²2p⁵;

в) [KLM]4s² 4p³; г) [KL]4s²3d⁸.

222 Где в периодической системе находятся благородные газы? Почему раньше они составляли нулевую группу и как их называли?

223 Почему водород помещают в I и VII группу периодической системы? Какое обоснование можно дать тому и другому варианту?

224 Как изменяются свойства элементов главных подгрупп по периодам и группам? Что является причиной этих изменений?

225 Какое место в периодической системе занимают два элемента, один из которых характеризуется наибольшим значением ионизационного потенциала и электроотрицательности, а другой – наименьшими значениями этих величин?

226 В атомах каких элементов осуществляется так называемый "провал" электронов? Объясните причину этого эффекта.

227 При нормальных условиях только 11 химических элементов в свободном виде являются газами и 2 элемента в свободном виде жидкостями. Укажите символы и названия этих элементов.

228 Конфигурация валентных электронов в атомах двух элементов выражается формулами:

а) 3s²3p² и 4s²3d²;

б) 4s²3d³ и 4s²3d¹⁰4p³.

В каких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они отличаться по своим свойствам, имея одинаковое число валентных электронов?

229 Зная число элементов в каждом периоде, определите место элемента в периодической системе и основные химические свойства по порядковому номеру: 35, 42 и 56.

230 Вопреки собственной формулировке Д.И. Менделеев поставил в системе теллур перед иодом, а кобальт перед никелем. Объясните это.

231 Чем можно объяснить общую тенденцию – уменьшение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в периоде и увеличение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в группе?

232 На каком основании хром и сера находятся в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

233 На каком основании фосфор и ванадий находятся в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

234 Какой ряд элементов расположен по мере возрастания их атомных радиусов:

а) Na, Mg, Al, Si; б) C, N, O, F;

в) O, S, Sc, Fe; г) I, Br, Cl, F.

235 В чем сходство и различие атомов: а) F и Cl; б) N и P.

236 Как изменяется способность металлов отдавать электроны в ряду: Mg → Ca → Sr → Ba?

237 В ядре изотопа элемента ¹⁰⁴Х содержится 58 нейтронов. Каков порядковый номер этого элемента?

238 Чему равно число нейтронов в ядре изотопа ¹²²Sn?

239 Распределите электроны по энергетическим уровням для атома брома.

240 Сколько полностью заполненных энергетических уровней содержит ион Na⁺?