Изучив свойства элементов, расположенных в ряд по возрастанию значений их атомных масс, великий русский ученый Д.И. Менделеев в 1869 г. вывел закон периодичности:
свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
современная формулировка периодического закона Менделеева:
Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда их ядер.
Число протонов в ядре определяет величину положительного заряда ядра и соответственно порядковый номер Z элемента в периодической системе. Суммарное число протонов и нейтронов, называется массовым числом А, оно примерно равно величине массы ядра. Поэтому число нейтронов (N) в ядре может быть найдено по формуле:
N = А - Z.
Электронная конфигурация - формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атомахимического элемента
Или молекулы.
17. Квантовые числа и порядок заполнения энергетических уровней и орбиталей в атомах. Правила Клечковского
Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называют его электронной конфигурацией. Состояние каждого электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами:
1. Главное квантовое число n в наибольшей степени характеризует энергию электрона в атоме. n = 1, 2, 3….. Наименьшей энергией электрон обладает при n = 1, при этом он наиболее близок к ядру атома.
2. Орбитальное (побочное, азимутальное) квантовое число l определяет форму электронного облака и в незначительной степени его энергию. Для каждого значения главного квантового числа n, орбитальное квантовое число может принимать нулевое и ряд целочисленных значений: l = 0…(n-1)
Состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называют энергетическими подуровнями электрона в атоме. Каждый подуровень обозначается определенной буквой, ему соответствует определенная форма электронного облака (орбитали).
3. Магнитное квантовое число m l определяет возможные ориентации электронного облака в пространстве. Число таких ориентаций определяется числом значений, которое может принимать магнитное квантовое число:
m l = -l, …0,…+l
Число таких значений для конкретного l: 2l+1
Сответственно: для s-электронов: 2·0 +1=1 (сферическая орбиталь может быть ориентирована только одним способом);
4. Спиновое квантовое число m s о тражает наличие у электрона собственного момента движения.
Спиновое квантовое число может иметь только два значения:m s = +1/2 или –1/2
Распределение электронов в многоэлектронных атомах происходит в соответствии с тремя принципами:
Принцип Паули
В атоме не может быть электронов имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел.
2. Правило Хунда (трамвайное правило)
В наиболее устойчивом состоянии атома электроны размещаются в пределах электронного подуровня так, чтобы их суммарный спин был максимален. Аналогично порядку заполнения двойных кресел в подошедшем к остановке пустом трамвае – сначала незнакомые друг с другом люди рассаживаются на двойные кресла (а электроны на орбитали) по-одному, и только когда пустые двойные кресла закончатся по-двое.
Принцип минимума энергии (Правила В.М. Клечковского, 1954)
1) При увеличении заряда ядра атома поcледовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим.значением суммы главного и орбитального квинтовых чисел (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы.
2) При одинаковых значениях суммы (n +l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа.
18. Методы моделирования химических связей: метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.
Метод валентных связей
Простейшим является метод валентных связей (ВС), предложенный в 1916 г. американским физико-химиком Льюисом.
Метод валентных связей рассматривает химическую связь как результат притяжения ядер двух атомов к одной или нескольким общим для них электронным парам. Такая двухэлектронная и двухцентровая связь, локализованная между двумя атомами, называется ковалентной.
Принципиально возможны два механизма образования ковалентной связи:
1. Спаривание электронов двух атомов при условии противоположной ориентации их спинов;
2. Донорно-акцепторное взаимодействие, при котором общей становится готовая электронная пара одного из атомов (донора) при наличии энергетически выгодной свободной орбитали другого атома (акцептора).
Периодический закон Д.И Менделеева.
Свойства химических элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости, от величины атомного веса.
Физический смысл периодического закона.
Физический смысл периодического закона заключается в периодичном изменении свойств элементов, в результате периодически повторяющихся e-ых оболочек атомов, при последовательном возрастании n.
Современная формулировка ПЗ Д.И Менделеева.
Свойство химических элементов, а также свойство образованных ими простых или сложных веществ находится в периодичной зависимости от величины заряда ядер их атомов.
Периодическая система элементов.
Периодическая система – система классификаций химических элементов, созданная на основе периодического закона. Периодическая система – устанавливает связи между химическими элементами отражающие их сходства и различия.
Периодическая таблица(существует два вида: короткая и длинная) элементов.
Периодическая таблица элементов – графическое отображение периодической системы элементов, состоит из 7 периодов и 8 групп.
Вопрос 10
Периодическая система и строение электронных оболочек атомов элементов.
В дальнейшем было установлено, что не только порядковый номер элемента имеет глубокий физический смысл, но и другие понятия, ранее рассмотренные ранее также постепенно приобретали физический смысл. Например, номер группы, указывая на высшую валентность элемента, выявляет тем самым максимальное число электронов атома того или иного элемента, которое может участвовать в образовании химической связи.
Номер периода, в свою очередь, оказался связанным с числом энергетических уровней, имеющихся в электронной оболочке атома элемента данного периода.
Таким образом, например, „координаты" олова Sn (порядковый номер 50, 5 период, главная подгруппа IV группы), означают, что электронов в атоме олова 50, распределены они на 5 энергетических уровнях, валентными являются лишь 4 электрона.
Физический смысл нахождения элементов в подгруппах различных категорий чрезвычайно важен. Оказывается, что у элементов, расположенных в подгруппах I категории, очередной (последний) электрон располагается на s-подуровне внешнего уровня. Эти элементы относят к электронному семейству. У атомов элементов, расположенных в подгруппах II категории, очередной электрон располагается на р-подуровне внешнего уровня. Это, элементы электронного семейства „р". Так, очередной 50-й электрон у атомов олова располагается на р-подуровне внешнего, т. е. 5-го энергетического уровня.
У атомов элементов подгрупп III категории очередной электрон располагается на d-подуровне , но уже пред внешнего уровня, это элементы электронного семейства «d». У атомов лантаноидов и актиноидов очередной электрон располагается на f-подуровне, пред пред внешнего уровня. Это элементы электронного семейства «f».
Не случайно, следовательно, отмеченные выше числа подгрупп этих 4-х категорий, то есть 2-6-10-14, совпадают с максимальными числами электронов на подуровнях s-p-d-f.
Но можно, оказывается, решить вопрос о порядке заполнения электронной оболочки и вывести электронную формулу для атома любого элемента и на основе периодической системы, которая с достаточной ясностью указывает уровень и подуровень каждого очередного электрона. Периодическая система указывает и на размещение одного за другим элементов по периодам, группам, подгруппам и на распределение их электронов по уровням и подуровням, потому что каждому элементу соответствует свой собственный, характеризующий его последний электрон. В качестве примера разберем составление электронной формулы для атома элемента циркония (Zr). Периодическая система дает показатели и „координаты" этого элемента: порядковый номер 40, период 5, группа IV, побочная подгруппа. Первые выводы: а) всех электронов 40, б) эти 40 электронов распределены на пяти энергетических уровнях; в) из 40 электронов только 4 являются валентными, г) очередной 40-й электрон поступил на d-подуровень пред внешнего, т. е. четвертого энергетического уровня. Подобные выводы можно сделать о каждом из 39 элементов, предшествующих цирконию, только показатели и координаты будут каждый раз иными.
Вариант 1
А1. Каков физический смысл номера группы таблицы Д.И.Менделеева?
2.Это заряд ядра атома
4.Это число нейтронов в ядре
А2. Чему равно число энергетических уровней?
1. Порядковому номеру
2. Номеру периода
3. Номеру группы
4. Числу электронов
А3.
2. Это число энергетических уровней в атоме
3. Это число электронов в атоме
А4. Укажите число электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме фосфора:
1. 7 электронов
2. 5 электронов
3. 2 электрона
4. 3 электрона
А5. В каком ряду расположены формулы гидридов?
1. H 2 O, CO, C 2 H 2 , LiH
2. NaH, CH 4 , H 2 O, CaH 2
3. H 2 O, C 2 H 2 , LiH, Li 2 O
4. NO, N 2 O 3 , N 2 O 5 , N 2 O
A 6. В каком соединении степень окисления азота равна +1?
1. N 2 O 3
2. NO
3. N 2 O 5
4. N 2 O
А7. Какое соединение соответствует оксиду марганца (II):
1. MnO 2
2. Mn 2 O 7
3. MnCl 2
4. MnO
А8. В каком ряду расположены только простые вещества?
1. Кислород и озон
2. Сера и вода
3. Углерод и бронза
4. Сахар и соль
А9. Определите элемент, если в его атоме 44 электрона:
1. кобальт
2. олово
3. рутений
4. ниобий
А10. Что имеет атомную кристаллическую решетку?
1. иод
2. германий
3. озон
4. белый фосфор
В1. Установите соответствие
Число электронов на внешнем энергетическом уровне атома
Символ химического элемента
А. 3
Б. 1
В. 6
Г. 4
1) S 6) C
2) Fr 7) He
3) Mg 8) Ga
4) Al 9) Te
5) Si 10) K
В2. Установите соответствие
Название вещества
Формула вещества
А . Оксид серы (VI)
Б. Гидрид натрия
В. Гидроксид натрия
Г . Хлорид железа (II)
1) SO 2
2) FeCl 2
3) FeCl 3
4) NaH
5) SO 3
6) NaOH
Вариант 2
А1. Каков физический смысл номера периода таблицы Д.И.Менделеева?
1.Это число энергетических уровней в атоме
2.Это заряд ядра атома
3.Это число электронов на внешнем энергетическом уровне атома
4.Это число нейтронов в ядре
А2. Чему равно число электронов в атоме?
1. Порядковому номеру
2. Номеру периода
3. Номеру группы
4. Числу нейтронов
А3. Каков физический смысл порядкового номера химического элемента?
1. Это число нейтронов в ядре
2. Это заряд ядра атома
3. Это число энергетических уровней в атоме
4. Это число электронов на внешнем энергетическом уровне атома
А4. Укажите число электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме кремния:
1. 14 электронов
2. 4 электрона
3. 2 электрона
4. 3 электрона
А5. В каком ряду расположены формулы оксидов?
1. H 2 O, CO, C О 2 , Li О H
2. NaH, CH 4 , H 2 O, CaH 2
3. H 2 O, C 2 H 2 , LiH, Li 2 O
4. NO, N 2 O 3 , N 2 O 5 , N 2 O
A 6. В каком соединении степень окисления хлора равна -1?
1. Cl 2 O 7
2. HClO
3. HCl
4. Cl 2 O 3
А7. Какое соединение соответствует оксиду азота (II I ):
1. N 2 O
2. N 2 O 3
3. NO
4. H 3 N
А8. В каком ряду расположены простое и сложное вещества?
1. Алмаз и озон
2. Золото и углекислый газ
3. Вода и серная кислота
4. Сахар и соль
А9. Определите элемент, если в его атоме 56 протонов:
1. железо
2. олово
3. барий
4. марганец
А10. Что имеет молекулярную кристаллическую решетку?
алмаз
кремний
горный хрусталь
бор
В1. Установите соответствие
Число энергетических уровней в атоме
Символ химического элемента
А . 5
Б . 7
В . 3
Г . 2
1) S 6) C
2) Fr 7) He
3) Mg 8) Ga
4) B 9) Te
5) Sn 10) Rf
В2. Установите соответствие
Название вещества
Формула вещества
А. Гидрид углерода (I V)
Б. Оксид кальция
В. Нитрид кальция
Г. Гидроксид кальция
1) H 3 N
2) Ca(OH) 2
3) KOH
4) CaO
5) CH 4
6) Ca 3 N 2
1. Укажите название элемента, его обозначение. Определите порядковый номер элемента, номер периода, группу, подгруппу. Укажите физический смысл параметров системы – порядкового номера, номера периода, номера группы. Обоснуйте положение в подгруппе.
2. Укажите количество электронов, протонов и нейтронов в атоме элемента, заряд ядра, массовое число.
3. Составьте полную электронную формулу элемента, определите электронное семейство, отнесите простое вещество к классу металлов или неметаллов.
4. Изобразите графически электронную структуру элемента (или двух последних уровней).
5. Графически изобразите все возможные валентные состояния.
6. Укажите число и тип валентных электронов.
7. Перечислите все возможные валентности и степени окисления.
8. Напишите формулы оксидов и гидроксидов для всех валентных состояний. Укажите их химический характер (подтвердите ответ уравнениями соответствующих реакций).
9. Приведите формулу водородного соединения.
10. Назовите область применения данного элемента
Решение. В ПСЭ элементу с порядковым номером 21 соответствует скандий .
1. Элемент находится в IV периоде. Номер периода означает число энергетических уровней в атоме этого элемента, у него их 4. Скандий расположен в 3-й группе – на внешнем уровне 3-го электрона; в побочной подгруппе. Следовательно, его валентные электроны находятся на 4s- и 3d-подуровнях. Порядковый номер численно совпадает с зарядом ядра атома.
2. Заряд ядра атома скандия +21.
Число протонов и электронов – по 21.
Число нейтронов А–Z = 45 – 21 = 24.
Общий состав атома: (
).
3. Полная электронная формула скандия:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 .
Электронное семейство: d-элемент, так как в стадии заполнения
d-орбитали. Электронное строение атома заканчивается s-электронами, поэтому скандий проявляет металлические свойства; простое вещество – металл.
4. Электронно-графическая конфигурация имеет вид:
5. Возможные валентные состояния, обусловленные числом неспаренных электронов:
– в основном состоянии:
– у скандия в возбужденном состоянии электрон с 4s-орбитали перейдет на свободную 4p-орбиталь, один неспаренный d-электрон увеличивает валентные возможности скандия.
Sc имеет в возбужденном состоянии три валентных электрона.
6. Возможные валентности в данном случае определяются числом неспаренных электронов: 1, 2, 3 (или I, II, III). Возможные степени окисления (отражают число смещенных электронов) +1, +2, +3 (так как скандий – металл).
7. Наиболее характерная и устойчивая валентность III, степени окисления +3. Наличие лишь одного электрона в d-состоянии обусловливает малую устойчивость 3d 1 4s 2 -конфигурации.
Скандий и его аналоги, в отличие от других d-элементов проявляет постоянную степень окисления +3, это высшая степень окисления и соответствует номеру группы.
8. Формулы оксидов и их химический характер:
форма высшего оксида – (амфотерный);
формулы гидроксидов: – амфотерный.
Уравнения реакций, подтверждающих амфотерный характер оксидов и гидроксидов:
(скандат лития),
(хлорид скандия),
(гексагидроксоскандиат (III) калия),
(сульфат скандия).
9. Соединения с водородом не образует, так как находится в побочной подгруппе и является d-элементом.
10. Соединения скандия применяются в полупроводниковой технике.
Пример 2. У какого из двух элементов, марганца или брома, сильнее выражены металлические свойства?
Решение. Данные элементы находятся в четвертом периоде. Записываем их электронные формулы:
Марганец – d-элемент, т. е. элемент побочной подгруппы, а бром –
р-элемент главной подгруппы этой же группы. На внешнем электронном уровне у атома марганца только два электрона, а у атома брома – семь. Радиус атома марганца меньше радиуса атома брома при одинаковом числе электронных оболочек.
Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-элементы является преобладание металлических свойств у d-элементов.
Таким образом, у марганца металлические свойства выражены сильнее, чем у брома.
"Свойства элементов, а потому и образуемых ими простых и сложных тел (веществ), стоят в периодической зависимости от их атомного веса".
Современная формулировка:
"свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов".
Физический смысл химической периодичности
Периодические изменения свойств химических элементов обусловлены правильным повторением электронной конфигурации внешнего энергетического уровня (валентных электронов) их атомов с увеличением заряда ядра.
Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица. Она содержит 7 периодов и 8 групп.
Период - горизонтальные ряды элементов с одинаковым максимальным значением главного квантового числа валентных электронов.
Номер периода обозначает число энергетических уровней в атоме элемента.
Периоды могут состоять из 2 (первый), 8 (второй и третий), 18 (четвертый и пятый) или 32 (шестой) элементов, в зависимости от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Последний, седьмой период незавершен.
Все периоды (кроме первого) начинаются щелочным металлом (s - элементом), а заканчиваются благородным газом (ns 2 np 6 ).
Металлические свойства рассматриваются, как способность атомов элементов легко отдавать электроны, а неметаллические - присоединять электроны из-за стремления атомов приобрести устойчивую конфигурацию с заполненными подуровнями. Заполнение внешнего s - подуровня указывает на металлические свойства атома, а формирование внешнего p - подуровня - на неметаллические свойства. Увеличение числа электронов на p - подуровне (от 1 до 5) усиливает неметаллические свойства атома. Атомы с полностью сформированной, энергетически устойчивой конфигурацией внешнего электронного слоя (ns 2 np 6 ) химически инертны.
В больших периодах переход свойств от активного металла к благородному газу происходит более плавно, чем в малых периодах, т.к. происходит формирование внутреннего (n - 1) d - подуровня при сохранении внешнего ns 2 - слоя. Большие периоды состоят из четных и нечетных рядов.
У элементов четных рядов на внешнем слое ns 2 - электроны, поэтому преобладают металлические свойства и их ослабление с ростом заряда ядра невелико; в нечетных рядах формируется np - подуровень, что объясняет значительное ослабление металлических свойств.
Группы - вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равным номеру группы. Различают главные и побочные подгруппы.
Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны которых расположены на внешних ns - и np - подуровнях.
Побочные подгруппы состоят из элементов только больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns - подуровне и внутреннем (n - 1) d - подуровне (или (n - 2) f - подуровне).
В зависимости от того, какой подуровень (s -, p -, d - или f -) заполняется валентными электронами, элементы периодической системы подразделяются на: s - элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p - элементы (элементы главных подгрупп III - VII групп), d - элементы (элементы побочных подгрупп), f - элементы (лантаноиды, актиноиды).
В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Элементы главных и побочных групп сильно отличаются по свойствам.
Номер группы показывает высшую валентность элемента (кроме O , F , элементов подгруппы меди и восьмой группы).
Общими для элементов главных и побочных подгрупп являются формулы высших оксидов (и их гидратов). У высших оксидов и их гидратов элементов I - III групп (кроме бора) преобладают основные свойства, с IV по VIII - кислотные.
Загрузка...
