учение о том, какие силы определяют его состав и структуру. В случае химии состав и структура определяются на уровне атомов и молекул, а действующие между
Скачать 0.54 Mb.
|
Пример 1. Записать электронную формулу атома элемента с атомным номером 16. Валентные электроны изобразить графически и один из них охарактеризовать квантовыми числами. Решение. Атомный номер 16 имеет атом серы. Следовательно, заряд ядра равен 16, в целом атом серы содержит 16 электронов. Электронная формула атома серы записывается: 1s22s22p63s23p4 . (Подчеркнуты валентные электроны). Графическая формула валентных электронов:  Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами. Электронная формула дает значения главного квантового числа и орбитального квантового числа. Так, для отмеченного электрона состояние 3p означает, что n = 3 и l = 1(р). Графическая формула дает значение еще двух квантовых чисел магнитного и спинового. Для отмеченного электрона m = 1 и s = 1/2. Пример 2. Охарактеризовать валентные электроны атома скандия четырьмя квантовыми числами. Решение. Скандий находится в 4-м периоде, т.е. последний квантовый слой четвертый, в 3-й группе, т.е. три валентных электрона. Электронная формула валентных электронов: 4s23d1. Графическая формула:   m 0 +2 +1 0 1 2№ электрона 1 2 3 Значения квантовых чисел валентных электронов Sc
2. Периодическая система и изменение свойств элементов. 2.1. Электронное строение атомов и периодическая система элементов Д.И. Менделеева Построение периодической системы и ее формы. Периодическая система элементов была установлена в 1869 г. Д.И. Менделеевым на основе химического опыта задолго до разработки электронной теории атома. Он установил закономерность, состоящую в том, что свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от их атомных масс. В отличии от предшественников и современников (И. Деберейнер –1829 г., Дж. Ньюленус – 1865 г., Л. Мейер – 1869 г. и др.) Д.И. Менделеев руководствовался при построении Периодической системы не одним признаком (например, атомной массой), а их совокупностью: он изменил порядок ряда элементов, основываясь на их химических свойствах. Такой разносторонний подход позволил ему предсказать существование еще не открытых элементов, и эти предсказания очень скоро были подтверждены. Эта предсказательная сила Периодической системы и привела к всемирному признанию авторства Д.И. Менделеева. Современный периодический закон отличается от установленного Д.И. Менделеевым лишь тем, что свойства элементов и их соединений ставятся в зависимости от заряда ядра, а не от атомной массы. Периодическая система в современном понимании является отражением электронного строения атомов. В ней период соответствует постепенному заполнению электронами электронного уровня, характеризуемого главным квантовым числом n (равным номеру периода). Периоды состоят из семейств s-, р-, d-, f-элементов. Периоды располагают в параллельных строках так, чтобы элементы с одинаковым строением (одинаковые l и число электронов внешних подуровней nвэ) располагались друг под другом, образуя группы и подгруппы (одинаковые nвэ и l ). Таким образом, в периодах при увеличении номера элемента Z происходит заполнение электронами подоболочек (подуровней) s, p, d, f, а в подгруппах элементы имеют одинаковое электронное строение внешнего уровня и, следовательно, похожие физические и химические свойства. Периодичность изменения свойств состоит в их постепенном изменении в периодах и рядах, резком изменении при переходе к новому периоду и повторению в нем свойств элементов предшествующего периода. Форм периодической системы предложено очень много (порядка 500), однако основными являются две: 1. Короткопериодный вариант (8-клеточный), совпадающий в основных чертах с таблицей, предложенной Д.И. Менделеевым (см. переднюю обложку пособия). В этой таблице элементы с одинаковым nвэ расположены в группе: при этом разные типы элементов s, p и d образуют разные подгруппы, f-элементы вынесены в виде двух 14-элементных рядов и считаются принадлежащими одной клетке таблицы каждый: лантан и лантаноиды (III группа, 6-й период) и актиний и актиноиды (III группа, 7-й период). Эта форма весьма популярна из - за своей компактности. Основной ее недостаток состоит в том, что в одной группе оказываются элементы разного типа, иногда с разным числом валентных электронов (VIII и I группы). 2. В промежуточном, полудлиннопериодном варианте (задняя обложка), который в настоящее время признается (IUPAC) основным, все элементы располагаются в группах с одинаковым электронным строением, но f-элементы выносятся за пределы основной таблицы в виде 2-х рядов. Таким образом, в этом случае имеется 18 групп, что считается приемлемым. Однако в настоящем пособии (и многих других) отдается предпочтение короткопериодному варианту – как вследствие его компактности, так и в силу традиции, ведущей к тому же свое начало от первооткрывателя – Д.И. Менделеева. Отметим также, что менделеевская традиция, использованная при построении Периодической системы химических свойств элементов, осталась и сейчас, когда известно их электронное строение, именно поэтому s-элементы Н (1s1) и He (1s2) часто помещают в седьмую и восьмую группу короткопериодного варианта и в 17 и 18-ю – полудлинного, соответственно. Периодическая система элементов отражает электронное строение атомов в виде периодов и групп. Каждый период начинается элементом, в атоме которого появляется электрон с новым значением главного квантового числа n. При этом номер периода совпадает со значением "n" внешнего энергетического уровня. В соответствии с числом электронов на внешнем уровне элементы подразделяются на группы. Группы состоят из главных и побочных подгрупп. Отличие элементов главных и побочных подгрупп состоит в том, что в главных подгруппах элементы имеют валентные s- и р-электроны, а в побочных d - и f-электроны. Соответственно, элементы, имеющие в качестве валентных электронов только s-электроны, называют s-элементами (например, Li ...2s1, Ca ...4s2). Элементы, имеющие в качестве валентных s- и р- электроны, являются р-элементами (например, N ….2s22p3, S ...3s23p4). Элементы с валентными s- и d-электронами d-элементы (например, Sc ..4s23d1, Mo ..5s24d4) а с s- и f-электронами f-элементы (Nd ...6s24f4, U …7s25f4). От строения электронной оболочки атомов зависят такие свойства, как размер атомов (r), энергия ионизации (ЕИ), электроотрицательность (), а от этих физических свойств зависят химические свойства: кислотно-основные, окислительно-восстановительные, устойчивость соединений. Физические характеристики r, ЕИ и определяются строением атома, устойчивостью его электронной конфигурации, то есть энергией связи внешних электронов с ядром. Решение волнового уравнения даёт в этом отношении результаты, которые на качественном уровне можно представить следующим образом. Устойчивость орбитальных электронных конфигураций . Правила заполнения электронных подуровней Клечковского не являются точными, они нарушаются у некоторых элементов. Например, каноническая электронная формула Cr (хром) 4s23d4 , а в действительности – 4s13d5. Эти нарушения объясняются особой устойчивостью некоторых электронных конфигураций. Качественно можно сформулировать следующие закономерности: 1) при заполнении уровня и подуровня устойчивость электронной конфигурации возрастает и 2) особой устойчивостью обладают заполненные (s2, p6, d10, f14) и наполовину заполненные (p3, d5, f7) конфигурации. И наоборот, электронные конфигурации, близкие к наиболее устойчивым, весьма неустойчивы и стремятся перейти в устойчивые за счет соседних подуровней. Так, в случае Cr (4s23d4) неустойчивая 3d4 конфигурация переходит в устойчивую 3d5 за счет соседней 4s2, переходящей в 4s1 (очевидно затрата энергии на удаление электрона с 4s-АО меньше выигрыша в энергии при заполнении 3d4-АО до 3d5). Такие отклонения имеют место во многих случаях: для d-элементов: Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au; для f-элементов: La, Gd, Ac, Th, Pa, U, Cm. Причем нарушение последовательности заполнения АО у актиноидов связано также со сближением 6d- и 5f-подуровней, так что "легкие" актиноиды от Ac до Pu по своим свойствам похожи на d-элементы. 2.2. Изменение свойств элементов в Периодической системе Орбитальные конфигурации и первые энергии ионизации атомов. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома называется энергией ионизации (I) Э + I1 Э+ + ē. Отрыву первого электрона соответствует первая энергия ионизации I1 , второго – вторая I2 и т.д. Энергию ионизации выражают либо в кДж/моль, либо в электронвольтах (эВ). Последовательная ионизация атома должна происходить в порядке, обратном заполнению электронами атомных орбиталей. (Однако и здесь имеют место некоторые нарушения порядка: для d-, и f-элементов первыми отрываются ns электроны, а затем – (n1)d или (n2)f; это связано с тем, что в ионах, по сравнению с атомами, порядок энергий АО нарушается (рис. 3.1). Общая закономерность последовательных потенциалов ионизации – это их быстрое возрастание с увеличением кратности ионизации. Рассмотрим, например, атом Sc: ….3p64s23d1. Последовательные потенциалы ионизации от I1 до I5: 6,56; 12,8; 24,75; 74,5; 93,9 эВ (обычно измеряется в эВ; один эВ это энергия, которую приобретает электрон в поле с разностью потенциалов 1В; эта энергия численно равна разности потенциалов, которую нужно приложить к атому, чтобы оторвать электрон: 1эВ = 96,49 кДж/моль).  Рис. 3.1. Зависимость энергии ионизации атома от порядкового номера элемента Видно, что  быстро растет с увеличением кратности ионизации, что связано с возрастанием электростатического взаимодействия между отрываемым электроном и все увеличивающимся зарядом ядра. Кроме того, можно отметить более резкое возрастание при отрыве электрона с нового квантового слоя (I1, I2 соответствует отрыву электрона с 4s -АО , I3 – c 3d-АО, а I4 и I5 – от 3p6- и 3p5-конфигураций); причем видно , что наибольший скачок приходится на отрыв первого электрона нового слоя. Вообще, резкое возрастание всегда приходится на начало нового уровня, а наименьшими обладают валентные электроны.Сравним между собой первые энергии ионизации элементов I1(Э). Из рисунка 2.3 видно, что I1 изменяется в зависимости от номера элемента (Z) периодически. При этом максимумы приходятся на устойчивые электронные конфигурации : s2 , p3, p6, d10... а минимумы – на неустойчивые : s1, p1, p4. Сродство к электрону и электроотрицательность. Энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому, называется сродством к электрону (Eср) (кДж/моль или эВ). Э0 + е = Э + Еср . Величина Еср ,очевидно, равна по величине и обратна по знаку энергии ионизации отрицательно заряженного атома; величины Еср меньше, чем I1 , так как кулоновское взаимодействие между Э0 и  меньше, чем между Э+ и . Однако характер изменения Еср = f(Z) такой же, как у I1, с учетом сдвига по шкале Z на одну единицу (так как у Э на один электрон больше, чем у Э0, то одинаковой с Э электронная конфигурация будет у элемента Э0 с большим на одну единицу порядковым номером). В таблице 3.1 приведены величины Еср для ряда элементов (сродство к электрону известно не для всех атомов). Видно, что Еср также изменяется периодически; при этом видно влияние устойчивых электронных конфигураций.Таблица 3.1. Сродство к электрону атомов некоторых элементов
Интересной и важной для химии величиной является сумма (I1 +Еср ). Так как Э- + I1 + Eср = Э+ + 2  , то , где электроотрицательность. Согласно Полингу, "электроотрицательность есть способность атома в молекуле или сложном ионе притягивать к себе электроны, участвующие в образовании связи". Очевидно, у инертных газов электроотрицательность отсутствует, т.к. внешний уровень в их атомах завершен и устойчив. Электроотрицательность возрастает в направлении слева направо для элементов каждого периода и уменьшается в направлении сверху вниз для элементов каждой главной подгруппы ПC (рис. 3.2.).  Рис. 3.2. Электроотрицательность элементов (по Полингу) |
Похожие:
 | При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения... |  | Есть ли какие-то общие Законы Мироздания, которые определяют структуру нашего Мира? Почему именно таким мы видим окружающее нас пространство?... |
| Этапы развития представлений о строении молекулы метана отражены на рис. Современным данным отвечает структура г: молекула имеет... | | Настоящие Требования устанавливают правила оформления декларации об объекте недвижимости, а также определяют состав содержащихся... |
| Состав профсоюзного комитета, состав комиссии по трудовым спорампрофсоюзной организации мук№1 | | Состав и структура показателей налоговой декларации по единому сельскохозяйственному налогу |
| Аттестат выдан: ООО «нпп «свк» (Аттестат аккредитации органа по аттестации № сзи ru. 2377. В189. 365 от 13. 10. 2009 г., лицензия... | | Состав и структура налоговой инспекции по г. Ялуторовску Тюменской области, ее задачи и функции |
| Ядро составляют нейтроны и протоны. В химии не изучают ядра атомов, но, тем не менее, ниже мы рассмотрим некоторые характеристики... | | Какое максимальное число электронов может располагаться на энергетических уровнях? |