Тема 2. Строение вещества

2.1. Строение атома. Периодическая система элементов д.И.Менделеева Содержание материала для самостоятельного изучения

Основные сведения о строении атома, электронное облако, атомная орбиталь. Квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное, спиновое; их физический смысл и связь между ними, типы орбиталей. Порядок заполнения электронных уровней и орбиталей. Принципы энергетической выгодности (принцип наименьшей энергии), Паули; правило Хунда. Электронные формулы и энергетические ячейки.

Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева. Структура периодической системы и ее связь со строением атомов. Периодическое изменение свойств химических элементов. Зависимость окислительно-восстановительных свойств элементов от положения в периодической системе. Энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

Литература: [1 – гл.1, §§ 1.1…1.4]; [2 – гл.1, §§ 1.1….1.4]; [3 – гл.Іі, §§ 17…19; гл.III, §§ 25…34]. Решение типовых задач

Задача 1.

А. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером 19 и 21.

б. Изобразите распределение электронов в квантовых ячейках.

в. Определите место нахождения элементов в периодической системе, связав это со значением соответствующего квантового числа и количеством валентных электронов.

г. Укажите значение главного и орбитального квантовых чисел для валентных электронов соответствующих атомов.

д. Какие свойства проявляют атомы этих элементов (неметалличесие, металлические)?

е. Для какого из указанных элементов энергия ионизации выше?

Решение. А. Записать электронную формулу элемента - это значит распределить все электроны атома данного химического элемента по энергетическим уровням и орбиталям согласно принципам наименьшей энергии (энергетической выгодности) и Паули.

Заполнение энергетических уровней и атомных орбиталей происходит в порядке последовательного возрастания их энергий:

1s®2s ®2р®3s®3р®4s®3d®4p®5s®4d®5p®6s и т.д.

Согласно принципу Паули, в атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковы, значением хотя бы одного квантового числа они должны отличаться. Следовательно, на одной орбитали любого типа максимально может быть только два электрона.

При составлении электронной формулы элемента руководствуются принципами энергетической выгодности и Паули. Порядок написания следующий: 1) по таблице Д.И.Менделеева находят символ элемента и записывают его; 2) слева внизу от символа ставят порядковый номер элемента, который указывает общее количество электронов в атоме; 3) после символа – номер энергетического уровня: 1, 2, 3, 4, …, значение которого численно совпадает с главным квантовым числом; 4) затем - тип орбитали (s, p, d, f), определяющийся орбитальным квантовым числом. Сверху справа над типом орбитали записывают количество электронов: максимальное их количество на s-орбитали - два, на трех эквивалентных р-орбиталях - шесть, на пяти эквивалентных d-орбиталях - десять.

Электронные формулы элементов с порядковыми номерами 19 и 21 имеют вид:

₁₉К 1s² 2s² 2p⁶ 3s ² 3p⁶ 4s¹ ; ₂₁ Sc 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²3d¹

Изобразить распределение электронов в атомах элементов можно также методом энергетических ячеек (путем электронографических схем). В этом методе орбитали изображаем в виде клеточек, а электроны в них - в виде стрелок (­) или (¯).

В соответствии с правилом Хунда (Гунда) электроны на эквивалентных орбиталях распределяются таким образом, чтобы суммарное спиновое квантовое число было максимальным. Сначала по одному - с одинаковым значением спинового квантового числа (m_s), затем по второму. Причем, второй электрон должен иметь противоположенное значение спина.

б. Для ₁₉ К

s p d f

­

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

4

3

2

1

Для ₂₁ Sс

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

­

­¯

­¯

­¯

­¯

­¯

s p d f

4

3

2

1

в. Максимальное значение главного квантового числа (n_max), то есть количество заполняемых энергетических уровней, совпадает с номером периода, в котором находится данный элемент.

Для калия n_max=4, следовательно, это элемент IV периода, скандий тоже в 4 периоде, так как для него тоже n_max=4.

Номер группы элемента совпадает с количеством валентных электронов. В случае главной подгруппы (А) валентные электроны находятся на последнем энергетическом уровне: на s^х или на s² и p^х орбиталях. В главную подгруппу включены элементы s и р - семейства. Если подгруппа побочная (В), то валентные электроны находятся на s-орбитали последнего и d-орбитали предпоследнего уровня.

Валентные электроны калия - 4s¹, скандия - 4s²3d¹. Таким образом, так как у калия один валентный электрон (4s¹), следовательно, калий расположен в I-А группе; у скандия три валентных электрона (4s² 3d¹) - он расположен в III-В группе.

г. Главное квантовое число (n) и орбитальное квантовое число (l) для валентных электронов натрия и скандия равны соответственно: n(Na) = 4; l(Na) = 0 (s-орбиталь) и n(Sc) = 4; l(Sc) = 0; 2 (s-орбиталь и d-орбиталь).

д. Калий - металл. Металличность - это способность атомов элемента отдавать электроны. У калия на последнем энергетическом уровне один электрон, который он отдает, образуя устойчивый ион К⁺, обладающий устойчивым электронным строением предшествующего ему благородного газа аргона с восьмиэлектроной внешней оболочкой.

Стронций - тоже металл, так как это элемент d-семейства. У него на последнем уровне два электрона, до восьмиэлектронной оболочки не хватает шести. Поэтому ему энергитически выгоднее отдать два электрона, чем присоединить шесть.

е. Энергия ионизации Е_ион - это количественная характеристика металличности. Чем она меньше, тем выше металличность.

Энергия ионизации - это энергия, которую необходимо сообщить 1 моль атомов, чтобы превратить их в положительно заряженные ионы.

У калия заряд ядра +19, а у скандия +21, количество энергетических уровней одинаковое (четыре), поэтому энергия ионизации Е_ион (К) меньше, чем Е_ион (Sc). Калий более активный металл.

Задача 2.

А. Запишите электронные формулы атомов алюминия, скандия, фтора и брома;

б. Почему алюминий и скандий находятся в одной группе периодической системы элементов, но в разных подгруппах?

в. Какой из элементов фтор или бром является более активным неметаллом, для кого из них выше сродство к электрону - электроотрицательность, окислительная способность?

Решение.

А. Электронные формулы атомов:

₁₃Al - 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ ; ₂₁Sc – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

₉F - 1s²2s²2p⁵ ; ₃₅Br – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵

б. Валентные электроны алюминия – 3s² 3p¹, а скандия – 4s² 3d¹, алюминий - элемент р-семейства, а скандий - d-семейства. Таким образом, эти элементы не являются аналогами и поэтому не должны размещаться в одной и той же подгруппе.

Но количество валентных электронов у них одинаковое - 3. На этом основании оба элемента помещают в одну и ту же третью группу периодической системы, но в разные подгруппы - алюминий в главную, так как это элемента р-семейства, а скандий - в побочную (элемент d - семейства).

в. Количественной характеристикой неметалличности яв-ляется сродство к электрону ( энергия сродтва к электрону – это энергия, которая выделяется при превращении 1 моль атомов в 1 моль отрицательно заряженных ионов ), а также электро-отрицательность ( она равна полусумме энергий ионизации и сродства к электрону), характеризующие способность атомов притягивать к себе электроны, которые участвуют в образовании химической связи с другими атомами.

Чем больше сродство к электрону и чем выше электроот-рицательность, тем неметалличнее элемент.

В главной подгруппе сродство к электрону, электроотри-цательность и неметалличность увеличиваются снизу вверх. Следовательно, у фтора выше сродство к электрону, электроотрицательность и окислительная способность, чем у брома.