Химия_УМП

81

4. СТРОЕНИЕ АТОМА

Свойства веществ, например, таких как металлы, полупроводники и диэлектрики, зависят от природы сил, соединяющих атомы, а это, в свою очередь, определяется строением атома. Каждый атом представляет собой систему из отрицательно заряженных электронов, поведение которых определяет свойства атома и положительно заряженного ядра.

Теория строения атома основана на законах квантовой (волновой) механики, т.е. на представлениях о квантовой энергии, волновом характере движения микрообъектов (микрочастиц) и вероятном методе описания их.

Движение в атоме носит вероятностный характер. Пространство (около ядра), в котором вероятность нахождения электрона наибольшая (0,9 – 0,95), называется атомной орбиталью (АО).

Атомная орбиталь характеризуется тремя параметрами (координатами, называемыми квантовыми числами (n, l, me), которые принимают определенные, дискретные (прерывные) значения и определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (ml) атомной орбитали в пространстве. Электрон, занимая ту или иную АО, образует различной формы (аналогичной форме АО) электронное облако (рис. 4.1), которое характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, t′, ml, ms), связанными с физическими свойствами электрона: число n – главное – характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – орбитальный момент количества движения электрона (энергетический подуровень или орбиталь); число ml (магнитное) – магнитный момент; ms – собственный момент количества движения электрона. Согласно принципу Паули электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом. Поэтому в одной АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся противоположными спинами (табл.4.1).

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и орбиталям изображают электронными формулами, причем электрон занимает орбиталь с наименьшей энергией – меньшая сумма (n + l) – правило Клечковского, согласно которому заполнение энергетических уровней и орбиталей идет в следующем порядке:

Формы электронных облаков

z

x

y

82

z

z

84

Пример 1. Составить электронные и электроннографические формулы элементов с порядковыми номерами 23 и 33.

Решение: так как число электронов в атоме любого элемента равно его порядковому номеру в периодической системе Д.И.Менделеева, то электронные формулы для элементов № 23 (ванадий – V) и № 33 (мышьяк – As) имеют вид:

23 V 1s22s22p63s23p64s23d3

33 As 1s22s22p63s23p64s23d104p3

Электроннографическая формула показывает распределение электронов атома с помощью энергетических ячеек, каждая из которых может содержать не более двух электронов с противоположными спинами ↑↓

Согласно правилу Хунда сначала энергетические ячейки заполняются по одному электрону с ms = +1/2, а затем по второму с ms = -1/2. Рассмотрим на примере атома ванадия:

Благодаря квантовой теории удалось обеспечить важнейшие закономерности периодической системы. Прежде всего, установление периодического изменения электронных структур атомов дает обеспечение самому закону Д.И.Менделеева – периодичности изменения свойств элементов с ростом порядкового номера. Периодическая система - естественная классификация элементов по электронным структурам атомов.

Валентные электроны атомов элементов А – групп черпаются только из 4-го внешнего энергетического уровня, и поэтому высшая степень окисления определяется номером группы периодической системы Д.И.Менделеева. Для атомов В – групп характерна незаполненность и неустойчивость предвнешнего энергетического уровня (исключение Zn, Cd, Hg), который также является источником валентных электронов. Низшая степень окисления определяется тем устойчивым зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки.

85

Пример 2. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют фосфор, сера и хлор?

Решение: P, S и Cl находятся соответственно в 5-, 6- и 7 А – группах со структурой внешнего энергетического уровня 5s25p3; 6s26p4; 7s27p5 (табл.4.2).

Среди элементов А – групп имеются металлы, обладающие только восстановительными свойствами, и неметаллы с преимущественно окислительными свойствами. Все элементы В – групп – металлы.

Пример 3. У какого элемента пятого периода технеция или йода сильнее выражены металлические свойства?

Решение: технеций – d – элемент (VII В группы), на внешнем энергетическом уровне атома которого два электрона, а йод – p – элемент (VII А – группы), у атомов которого 7 электронов на внешнем энергетическом уровне. Для атома типичных металлов характерно небольшое число электронов (1 – 2) на внешнем энергетическом уровне, которые они легко теряют и обладают восстановительными свойствами, образуя положительно заряженные ионы. Элементы, атомы которых не внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, присоединяя электроны, приобретают отрицательную степень окисления и образуют даже элементарные отрицательные ионы. Таким образом, технеций, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для йода, проявляющего слабые восстановительные свойства, более характерны окислительные свойства. Следовательно, металлические свойства у технеция выражены сильнее, чем у йода.

Химическая природа элемента обуславливается способностью его атома терять и приобретать электроны. Эта способность может быть количественно оценена энергией ионизации атома и его сродством к электрону.

Энергия ионизации (J) – количество энергии необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома:

Э + J = Э+ + e .

86

Энергию ионизации выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электронвольтах на атом (эВ). Значения энергии ионизации в эВ численно равны потенциалам ионизации в вольтах (В).

Сродство к электрону (F) – энергетический эффект присоединения элек-

трона к нейтральному атому (Э) с превращением его в отрицательный ион

(Э−):

Э + e = Э− + F.

Сродство к электрону выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электронвольтах на атом (эВ).

Для оценки способности атома оттягивать на себя электронную плотность (по сравнению с атомами других элементов в соединении) введено понятие электроотрицательности (ЭО), которая зависит от энергии ионизации, сродства атома к электрону и определяется как их полусумма:

X = J + F .

2

4.1. Контрольные вопросы

Внимание. При ответах на контрольные вопросы и выполнении индивидуального задания воспользуйтесь справочными данными (табл. приложения).

4.1.1.Объяснить влияние электронной структуры атома на его физикохимические свойства.

4.1.2.Имеются образцы следующих металлов: Pb, Cu, Hg, Na, Au, Ag, W. Определите эти металлы по предлагаемым физическим характеристикам:

а) очень мягкий, режется ионом; б) желтого цвета; в) имеет матовую поверхность;

г) самый тугоплавкий;

д) жидкий при комнатной температуре; е) красного цвета;

ж) обладает металлическим блеском и высокой электропроводно-

стью.

4.1.3.Почему щелочные металлы очень энергичные восстановители? Чем объяснить усиление их восстановительной активности с увеличением порядковых номеров элементов?

4.1.4.Какая из кислот – хромовая H2Cr2O4, молибденовая H2MoO4 или вольфрамовая H2WO4 наиболее устойчивая?

87

4.1.5.Какие элементы называются полными и неполными электронными аналогами?

4.1.6.Как изменяются свойства элементов с увеличением порядковых номеров: 1) в малых периодах; 2) в больших периодах?

4.1.7.Какая группа периодической системы содержит: 1) максимальное число элементов; 2) минимальное число элементов?

4.1.8.Почему хлор, бром и йод могут проявлять степень окисления 1, 3, 5, 7, а фтор только – 1?

4.1.9.Как изменяются: 1) восстановительные свойства ионов в ряду Ge2+; Sn2+; Pb2+; 2) окислительные свойства в ряду Ge4+; Sn4+; Pb4+? Указать наиболее слабый восстановитель и наиболее сильный окислитель и написать электронные формулы этих элементов в соответствующей степени окисления.

4.1.10.Указать положение меди и серебра в периодической системе элементов и написать электронные формулы атомов. Почему восстановительные свойства у меди и серебра выражены слабее, чем у щелочных металлов?

4.1.11.Указать сходство и различие в строении атомов элементов VII А и VII В подгрупп. Как это отражается на свойствах элементов и на свойствах их оксидов и гидроксидов.

4.1.12.Нейтральный атом некоего газа обладает следующим набором полностью заполненных орбиталей: 1s; 2s; 2p; 2s; 3p; 3d; 4s. Из атомов какого элемента состоит этот газ?

4.1.13.Существует ли связь между числом валентных электронов и положением элементов в периодической системе?

4.1.14.Измерения плотностей газов дали значения молекулярных весов, а точнее аналитические измерения привели к следующим данным относительно содержания элемента в различных его соединениях

87,0 и 81,6%; 67,5 и 52,6%; 154 и 92,2%. Каков атомный вес и на-

звание элемента? Какие соединения ему соответствуют?

4.1.15.Как объяснить общую тенденцию увеличения молярных объемов с повышением порядкового номера элемента в каждой группе периодической системы элементов?

4.1.16.Указать различие в строении атомов титана и германия. Как это влияет на характер их оксидов и гидроксидов?

4.1.17.Написать электронные формулы атомов берилия, магния и щелочно – земельных элементов. Какую валентность могут проявлять атомы этих элементов в невозбужденном состоянии? Как должны меняться свойства гидроксидов элементов данной группы? Ответ мотивировать.

4.1.18.Составить электронные схемы строения атомов калия и цезия. Какой их этих элементов является более сильным восстановителем? Почему?

88

4.1.19.Чем отличаются электронные структуры атомов щелочных металлов от электронной структуры атомов элементов подгрупп меди? Как влияют электронные структуры этих атомов элементов подгрупп на свойства их гидроксидов?

4.1.20.Какой из элементов более электроотрицателен: 1) P, Si, S; 2) N, P,

As?

4.1.21.Почему марганец проявляет металлические свойства, а хлор - неметаллические? Написать формулы оксидов и гидроксидов хлора и марганца в высшей степени окисления.

4.1.22.Чем объясняется меньшая химическая активность лития по сравнению с калием и натрием, хотя значение его нормального электродного потенциала является наинизким (-3,01)?

4.1.23.Как изменяется характер оксидов и гидроксидов элементов периодической системы к галию? Какие факторы влияют на изменение их свойств?

4.1.24.В чем различие распределения валентных электронов у p- и d – элементов УП группы?

4.1.25.Какой из элементов должен проявлять более металлические свойства: 1) хром или селен; 2) хром или ванадий? Объяснить.

4.1.26.Описать химические свойства хрома строением его атома и местом, занимаемым им в периодической системе. Аналогом какого элемента является хром в степени окисления +6 и почему?

4.2.Варианты программированного контроля

Вариант 1 1. Какая электронная конфигурация соответствует атому молибдена в

степени окисления +5:

2. Как зависит энергия электрона в многоэлектронном атоме от орбитального квантового числа при постоянном значении главного квантового числа:

1) увеличивается с ростом l, потому что размеры электронного облака определяются только значением главного квантового числа

(n);

2) уменьшается с ростом l, так как при одном и том же значении n электроны с большим значением l сильнее экранируются внутренними электронами;

3) остается неизменной, потому что с увеличением l степень вырождения подуровня растет?

89

3.Указать схему распределения электронов в возбужденном атоме олова:

4.Какой из металлов – серебро или алюминий – обладает большей электропроводностью и почему:

1)алюминий; 2) серебро; 3) одинакова?