5. 1 Развитие представлений о сложной структуре атома
Скачать 423.86 Kb.
|
5.2 Периодическая система элементов и периодичность свойств химических элементов Свойства элементов, определяемые их электронным строением, изменяются периодически. Сущность периодического закона впервые сформулировал Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 году. В 1871 г. он дал окончательную его формулировку: «…свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Наглядным выражением закона является периодическая система химических элементов. Учение и строении атома вскрыло глубокий физический смысл периодического закона. Основной характеристикой атома является положительный заряд ядра, численно равный порядковому номеру элемента. В нейтральном атоме заряд ядра равен числу электронов. Распределением электронов на атомных оболочках определяются свойства элементов и их соединений, положение элемента в периодической системе. В свете современных представлений о строении атома изменилась формулировка периодического закона: свойства простых элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Принцип построения периодической системы заключается в выделении определенных периодов (расположенных горизонтально) и групп элементов (расположенных вертикально). Период последовательный рад элементов, в атомах которых происходит заполнение электронами одинакового числа электронных слоев, при этом номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня. Различие в последовательности заполнения электронных слоев (внешних и более близких к ядру) объясняет причину различной длины периодов. Число элементов в периоде определяется числом электронов, необходимых для заполнения квантового слоя. Емкости периодов равны: Период 1 2 3 4 5 6 Число элементов 2 8 8 18 18 32 Каждый период начинается двумя s-элементами, а заканчивается благородным газом, у которого наружная электронная оболочка заполнена: в 1-ом периоде это соответствует конфигурации 1s2 (Не), во всех остальных ns2np6. В середине больших периодов находятся три вставные декады d-элементов (Sc Zn, Y Cd, La Hg); f-элементы для удобства вынесены за пределы периодов. Элементы, атомы которых содержат валентные d- и f-электроны, называются переходными. Поскольку у атомов d-элементов валентные d-электроны поступают на предвнешний подуровень, а у f-элементов на третий снаружи, то у d-элементов и особенно у f-элементов одного и того же периода отличие в свойствах выражено менее отчетливо, чем у s- и р-элементов, у которых валентные электроны заполняют s- и р-подуровни внешнего слоя. Наличие вставных декад переходных элементов в больших периодах приводит к более плавному изменению свойств по сравнению с малыми периодами. Деление элементов на группы находится в соответствии с числом валентных электронов на внешнем слое. Поскольку максимально возможное число электронов на внешнем слое равно восьми, то и в периодической системе имеется восемь групп. Положение в группа s- и р- элементов определяется общим числом электронов внешнего слоя, эти элементы образуют главные подгруппы (подгруппы А). Положение в группах d-элементов обуславливается общим числом s-электронов внешнего и d-электронов предвнешнего слоев, они образуют побочные подгруппы (подгруппы В). Пример 5.1.________________ Запишите принадлежность к периоду, группе, семейству атома Br; полную и краткую электронные формулы; укажите валентные электроны и изобразите их графически. Решение. Атом брома находится в 4-ом периоде, VII-ой группе, имеет порядковый номер 35 и является р-элементом: 35Br (4, VII, р) Согласно принципу наименьшей энергии, принципу Паули и правилу Хунда, запишем порядок заполнения атомных орбиталей атома Br: 35Br 1s22s22p63s23p64s23d104p5. Запишем электронную конфигурацию атома Br, сгруппировав электроны в соответствии со значением главного квантового числа: 35Br 1s22s22p63s23p63d104s24p5. Краткая электронная формула включает в себя электронную структуру инертного газа предыдущего периода и сверх нее электроны последнего (и/или предпоследнего) энергетического уровня, для атома Br имеем: 35Br [Ar] 3d104s24p5. Для атома Br валентные электроны: 4s24p5. Графическое изображение валентных электронов имеет вид:  4p В атоме брома один неспаренный электрон. ___________________________ Пример 5.2._________________ Записать значения четырех квантовых чисел для всех валентных электронов атома V. Решение. Атом ванадия находится в 4-ом периоде, V-ой группе, имеет порядковый номер 23 и является d-элементом: 23V (4, V, d). Электронная конфигурация атома V имеет вид: 23V 1s22s22p63s23p63d34s2 Краткая электронная формула: 23V [Ar] 3d34s2. Атом V имеет пять валентных электронов на 3d и 4s- подуровнях:  Набор квантовых чисел для валентных электронов имеет вид:
__________________________ Пример 5.3.________________ Какую высшую и низшую степени 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 восьмиэлектронной оболочки (ns2np6). Элементы As, Se и Br находятся соответственно в VA, VIA и VIIA- группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня 4s24p3, 4s24p4 и 4s24p5. Степени окисления данных элементов принимают значения:
___________________________ Периодичность свойств химических элементов Все свойства элементов, определяемые структурой внешнего и предвнешнего электронного уровня, закономерно изменяются по периодам и группам периодической системы. Свойства, зависящие от электронной конфигурации атома (атомный и ионный радиусы, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления), изменяются периодически по мере увеличения атомного номера элемента. Радиусы атомов рассчитывают исходя из ядерных расстояний в твердых веществах или молекулах газов. Различают ковалентный и атомный радиусы. Ковалентный радиус равен половине длины связи в ковалентных молекулах. Например, согласно экспериментальным данным, длина связи в молекуле Cl2 равна 0,199 нм, половина этого расстояния (0,099 нм) считается ковалентным радиусом хлора. Для металлов в твердом состоянии половину межъядерного расстояния принимают за атомный радиус. Атомный радиус всегда превышает ковалентный радиус того же металла. Для неметаллов атомные и ковалентные радиусы совпадают. В периоде атомные радиусы уменьшаются от щелочного металла к галогену. Например, для элементов 2-го периода: Элемент Li Be B C N O F rат, нм 0,155 0,113 0,091 0,077 0,071 0,066 0,064 Объяснить это можно тем, что с увеличением заряда ядра увеличивается сила притяжения электронов к ядру, которая превалирует над силами взаимного отталкивания электронов. Во вставных декадах переходных элементов уменьшение радиуса происходит медленно: Элемент Sc Ti Fe Co Ni rат, нм 0,164 0,146 0,126 0,125 0,124 , так как d-электроны, заполняющие d-подуровень экранируют заряд ядра от внешних s-электронов и радиус атома изменяется незначительно. При переходе к следующему периоду, атомный радиус щелочного металла снова увеличивается, так как электронами заполняется следующий более удаленный от ядра квантовый уровень, а вдоль периода также происходит постепенное уменьшение радиуса. В подгруппах атомные радиусы, как правило, увеличиваются при увеличении номера периода, т.е. сверху вниз, так как увеличивается число электронных слоев: Элемент Li Na K Rb Cs rат, нм 0,155 0,189 0,236 0,248 0,268 Однако, у элементов III группы наблюдается исключение из этого правила радиус атома Ga (0,122 нм) меньше радиуса атома Al (0,126 нм). Причина состоит в том, что в 4-м периоде между s- и р-элементами расположены десять d-элементов, поэтому свойства Ga не укладываются в ряд B Al Ga, зато для триады B Al Sc атомные радиусы возрастают в соответствии с общим правилом. Радиус связанного атома считается либо ионным (кристаллическим), либо атомным. Согласно принципу аддитивности межатомное расстояние складывается из суммы радиусов катионов и анионов, образующих кристалл. Поэтому для определения размеров отдельных ионов необходимо знать радиус хотя бы одного из них, и тогда по разности можно определить размеры остальных. В настоящее время используют значения ионных радиусов по Гольдшмидту и Полингу (для иона О2 значение ионного радиуса принято равным 0,140 нм). Изменение ионных радиусов по периоду происходит более резко, чем атомных, так как возросший заряд ядра сильнее, чем в случае атома увеличивает притяжение электронов к ядру, поскольку их стало меньше: Ион Na+ Mg2+ Al3+ Si4+ P5+ rи, нм 0,098 0,078 0,057 0,039 0,035 В пределах групп ионные радиусы растут с увеличением атомного номера элемента: Ион Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ rи, нм 0,068 0,098 0,133 0,149 0,165 Понятие ионные радиусы широко используется в геохимии. Ионные радиусы взяты за основу при вычислении таких важнейших геохимических показателей, как ионные потенциалы Картледжа и энергетические коэффициенты Ферсмана. Они используются для определения энергии кристаллических решеток, твердости и растворимости минералов. Ими определяется прочность, температура плавления и кипения соединений. От радиусов во многом зависят особенности распределения элементов, их миграционные способности и зональность концентраций. Еще в большей степень с изменением электронных структур атомов проявляется периодическое изменение энергии ионизации. Энергия (или потенциал) ионизации I энергия, необходимая для полного удаления электрона из атома или иона. Поскольку в принципе можно удалить один, два, три … электрона, различают первую, вторую, третью … энергии ионизации (I1, I2, I3 …). Последовательные энергии ионизации закономерно уменьшаются, так как с увеличением числа удаляемых электронов образующийся положительный заряд прочнее удерживает следующий отрываемый электрон. В пределах одного периода энергия ионизации возрастает. Самые низкие ее значения характерны для щелочных металлов, так как ядра их атомов в пределах своих периодов имеют наименьший заряд и поэтому меньше притягивают единственный валентный электрон; самые высокие значения энергии ионизации у благородных газов, имеющих наибольшие заряды ядер атомов в своих периодах. Однако это возрастание немонотонно. Например, значения первых потенциалов ионизации элементов 2-го периода следующие: Элемент Li Be B C N O F Ne I1, эВ 5,39 9,32 8,30 11,26 14,53 13,62 17,42 21,56 Эл. стр-ра 2s1 2s2 2s22p1 2s22p2 2s22p3 2s22p4 2s22p5 2s22p6 При переходе от бериллия к бору и от азота к кислороду энергия ионизации уменьшается. Причина этого заключается в том, что после заселения электронами s-подуровня у атома Bе (1s22s2) начинается заселение более высокого по уровню энергии р-подуровня атома В (1s22s22p1). После заполнения одиночными электронами р-подуровня атомов С (1s22s22p2) и N (1s22s22p3) начинают формироваться пары атомов O (1s22s22p4), F (1s22s22p5) и Ne (1s22s22p6). Аналогичные нарушения монотонности наблюдаются и в других периодах (за счет перехода к электронным парам на d-подуровне и на f-подуровне). В пределах главных подгрупп, с увеличением заряда ядра атома энергия ионизации уменьшается. Это связано с тем, что, во-первых, увеличиваются радиусы атомов; во-вторых, увеличение промежуточных электронных слоев, расположенных между ядром атома и внешними электронами приводит к возникновению эффекта экранирования ядра. Оба фактора приводят к ослаблению связи внешних электронов с ядром и, следовательно, к уменьшению потенциала ионизации: Элемент Li Na K Rb Cs I1, эВ 6,39 5,14 4,34 4,18 3,89 В побочным подгруппах, а также у лантаноидов и актиноидов значения потенциалов ионизации с возрастанием заряда ядра постепенно увеличиваются, но незначительно, поскольку мало изменяются радиусы атома и заряды ядра (из-за d- и f- сжатия). Например, у элементов IVВ подгруппы: Элемент Ti Zr Hf I1, эВ 8,82 6,84 7,50 Величины энергии ионизации во многом объясняют характер ионизации элементов в природе, однако эта величина имеет ограниченное применение в геохимии. Более важны для геохимии потенциалы возбуждения (разности между последовательными потенциалами ионизации). Близость потенциалов возбуждения элементов различных групп периодической системы часто согласуется с близостью их геохимического поведения. Интересным геохимическим параметром является произведение потенциала возбуждения на радиус иона. Если эта величина превышает 20, то ионизация атома химическими средствами невозможна. Энергия, которая выделяется или поглощается при присоединении электрона к атому, называется сродством к электрону. Сродство к электрону атомов металлов близко к нулю или отрицательно. Из этого следует, что для атомов большинства металлов присоединение электрона энергетически невыгодно. Сродство к электрону атомов неметаллов всегда положительно, максимальным значением обладают атомы галогенов. О периодичности изменения сродства к электрону говорить трудно из-за отсутствия достаточного числа экспериментальных данных. Понятием, определяющим свойства связанных атомов, является электроотрицательность способность данного атома смещать на себя электронную плотность атомов других элементов, с которыми он связан в химическом соединении. Существует около 20 шкал электроотрицатель-ности, в основу расчета значений которых положены разные свойства веществ. Значения электроотрицательностей разных шкал отличаются, но относительное расположение элементов в ряду электроотрицательностей примерно одинаково. Самыми распространенными являются:
Li Be B C N O F 2,96 2,86 3,83 5,16 7,34 9,99 12,32
где ЕА–В – энергия связи между атомами А и В в молекуле АВ, ЕА–А – энергия связи между атомами А в молекуле А, ЕВ–В – энергия связи между атомами В в молекуле В. Самая высокая электроотрицательность по Полингу у фтора, она принимается равной 4. Li Be B C N O F 0,95 1,5 2,0 2,6 3,0 3,5 4,0 Электроотрицательность закономерно изменяется в зависимости от положения элемента в периодической системе. По периоду электроотрицательность возрастает и достигает максимума у галогенов. Затем она резко уменьшается до нуля у благородных газов. По группам электроотрицательность уменьшается, но немонотонно: B Al Ga In Tl(I) 2,0 1,5 1,6 1,7 1,4 Электроотрицательность является приближенным понятием. Элементам нельзя приписывать постоянную электроотрицательность. Она зависит от многих факторов, в частности от того, в состав какого конкретного соединения входит данный атом, в окружении атомов каких элементов он находится. Электроотрицательность атомов связана с понятиями катионогенность и анионогенность, применяемыми в геохимии. Элементы, образующие в земной коре катионы, называются катионогенными, а образующие анионы анионогенными. В зависимости от внешних условий многие элементы могут быть и катионогенными и анионогенными. Так V в магме находится в форме V3+ и является катионогенным аналогом железа, а в резко окислительных щелочных условиях пустынь V пятивалентен и образует анион VO43. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Периодический закон и периодическая система д. И. Менделеева в свете современных представлений о строении атома | | Развитие театрализованных представлений в контексте развития культуры и цивилизации |
 | Эйнштейном. Фотоны. Спектры атомов. Теория атома водорода по Бору. Постулаты Бора. Объяснение спектра атома водорода. Внутренние... | | Представленная работа над текстом включает в себя 3 этапа: формирование практических представлений о тексте, развитие умений и навыков... |
| Развитие представлений о профессиональной традиции от Ренессанса к Просвещению 192 | | Генезис залога будущих вещей в римском праве и развитие представлений о нем в средневековых европейских правопорядках 9 |
| Дополнительный материал к занятиям по формированию элементарных математических представлений | | Химия – наука, изучающая вещества, их строение, свойства и превращения. Превращения одних веществ в другие вещества называются химическими... |
| Научатся на основе строения атома прослеживать взаимосвязь атома железа и его свойств и свойств его соединения. Узнают важнейшие... | | Перспективное планирование по образовательным областям: познавательное развитие, речевое развитие, социально-коммуникативное развитие,... |