Атомно-молекулярное учение – теоретический фундамент химии

Вещество - это конкретный вид материи, обладающий массой покоя и характеризующийся при данных условиях определенными физическими и химическими свойствами, состав которого м.б. выражен химической формулой (Н₂О₂, H₂SO₄, O₂ и т.д.).

В чем же суть атомно-молекулярного учения?

1. Вещества состоят из молекул.

Молекула – наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его основные химические свойства (молекула воды Н₂О).

 

2. Молекулы состоят из атомов.

Атомы – мельчайшие химические частицы, являющиеся пределом химического разложения любого вещества.

Любой атом состоит из плотного, положительно заряженного ядра, находящегося в центре атома, и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра. В целом атом электронейтрален. Рисунок 1.

 

Ядро состоит из протонов и нейтронов. Рисунок 2.

 

Электроны (е) – это отрицательно заряженная частица

Протоны (р) – положительно заряженная частица

Нейтроны (n) – не имеют заряда

Количество электронов = количеству протонов

Рисунок 3.

 

 

 

Рассмотрим на конкретном примере – атоме водорода. Он стоит в таблице на первом месте (порядковый номер 1), следовательно, его атомный номер равен 1. Атомный номер говорит, что в ядре атома водорода находится 1 протон. А количество протонов = количеству электронов! Следовательно, электронов тоже 1.

 

Также и с другими элементами таблицы, например, сколько вращается электронов вокруг ядра брома?

Вид атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом.

 

Может у кого-то пришел в голову вопрос: а сколько в ядре нейтронов? Чуть-чуть позже мы к этому вернемся!

Таблица Менделеева. Элементы.

В настоящее время известно 118 химических элементов, из которых 94 встречаются в природе. Остальные получены химическим путем.

В периодической таблице все элементы упорядочены с учетом их атомного числа, электронной конфигурации и повторяющихся химических свойств.

Вертикальные столбцы таблицы называют группами. Вертикальные – периодами.

Элементы, внутри каждой группы (столбце), обладают сходными химическими и физическими свойствами. При этом группа разделяется на главные и побочные подгруппы. Как понять, где главная подгруппа, где побочная?

 

 

Элементы 1 группы главной подгруппы – щелочные металлы (кроме Н) – мягкие металлы.

 

 

Элементы 2 группы главной подгруппы – щелочноземельные металлы.

 

Элементы 8 группы главной подгруппы – благородные (или инертные) газы, которые почти никогда не взаимодействуют с другими элементами.

 

Элементы 7 группы побочной подгруппы – галогены (очень реакционно активны и плохо пахнут).

 

 

Остальные элементы делятся на три группы:

В левом нижнем ряду располагаются обычные металлы (проводят эл.ток)

 

 

Элементы в правом верхнем ряду – неметаллы (изоляторы).

 

 

Металлы и неметаллы разделяет группа переходных элементов (полуметаллов, постпереходные Ме), которые могут вести себя как Ме, так и как неМе. Мы видим, что такие элементы располагаются по диагонали, и происходит нарушение правила что «Элементы, внутри каждой группы (столбце), обладают сходными химическими и физическими свойствами». В химии тоже есть исключения, как и в другой любой науке.

 

Элементы в центре таблицы, отмеченные синим, называются переходными металлами, эти Ме – твердые, за исключением ртути.

 

 

Еще мы видим элементы внизу таблицы – лантаноиды и актиноиды, названы в честь элементов, стоящих в начале этих рядов Лантан (57) и Актиний (89). Свойства в ряду этих элементов практически не отличаются друг от друга, и ученые годами спорили разные это элементы или один и тот же.

Все актиноиды – радиоактивны!

 

 

Рассмотрим подробнее свойства, которыми обладают элементы. Каждый элемент имеет атомную массу. Под массой атома следует понимать не массу атома, выраженную в кг, т.к. это не удобно, а в атомных единицах массы (а.е.м.).

За точку отсчета атомной единицы массы принята 1/12 массы атома углерода, т.е. масса атома углерода равна 12 а.е.м.

Массы атомов остальных элементов измеряется относительно 1/12 массы изотопа С₁₂ (?)

 

 

Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разной массой, называются изотопами.

Рассмотрим Сl: одинаковый заряд ядра (17, порядковый номер 17, количество протонов 17), но разные массы атомов (35 и 37), следовательно в Cl₃₅ нейтронов 18, а в Cl₃₇ нейтронов 20.

 

 

 

Сколько нейтронов у алюминия?

 

Мы уже сказали, что атомы – мельчайшие частицы вещества, которые можно рассматривать как совокупность положительного и отрицательного зарядов. В центре атома находится ядро, оно является носителем положительного заряда. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Число электронов равно заряду ядра.

 

 

 

 

Одному электрону соответствует одна стрелка (сначала стрелка вверх). У гелия (2 порядковый номер) 2 электрона и уже рисуем две стрелки (вверх – вниз).

 

 

Движение электронов вокруг ядра описывается квантовыми числами.

n – главное квантовое число, определяет энергию электрона, характеризует электронное облако, его величину, т. е. расстояние электрона от ядра атома или проще говоря на каком энергетическом уровне располагаются электроны. Оно может принимать целочисленные значения: 1, 2, 3, …, ¥.

 

l – орбитальное квантовое число, определяет форму электронного облака, принимает значения от 0 до n – 1. Электроны могут занимать орбитали четырех различных типов в зависимости от значения l, которые называют s-, p-, d- и f-орбиталями.

 

На s- орбитали электрон вращается вокруг ядра по сферической траектории.

Траектория движения электрона на p-орбитали более сложная, р-уровень состоит из трех орбиталей со своей индивидуальной формой. На d- и f-орбитали движение электронов еще сложнее.

 

Вернемся к орбитальному квантовому числу. Для любого s-уровня l=0, для p-уровня 1=1 (единице) и т.д.

 

Мl – магнитное квантовое число, определяет пространственную ориентацию электронного облака и соответствует числу орбиталей в подуровне, для р-подуровня, например, принимает значения в интервале –l…0…+l.

Ms – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси по часовой стрелке или против нее, поэтому принимает два значения: +1/2 и –1/2.

 

 

Давайте всё упорядочим в одну схему:

n – основное кв.число говорит о размере электронной орбитали, ведь каждая следующая орбиталь находится всё дальше от ядра.

l – орбитальное кв. число говорит о том, какую форму имеет квантовая орбиталь.

Ml – магнитное кв. число говорит в какую сторону наклонено облако орбитали в пространстве.

Ms – спиновое кв.число говорит от том, в какую сторону движется электрон (по часовой или против часовой стрелки).

Для правильного понимания химических свойств элементов необходимо знать и учитывать электронное строение атомов.

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и электронным орбиталям происходит в соответствии с принципом Паули, правилом Хунда, принципом наименьшей энергии (правило Клечковского).

Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех квантовых чисел.

В каждой орбитали может находиться не более двух электронов – принцип Паули. Если в орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два – то это спаренные электроны.

 

Правило Хунда (Гунда): электроны в пределах данного подуровня располагаются так, чтобы суммарное спиновое число их было максимальным (по абсолютному значению).

Правило Клечковского (принцип наименьшей энергии): в невозбужденном атоме электроны располагаются таким образом, чтобы энергия атома была минимальной, т. е. в первую очередь заполняются орбитали с наименьшей энергией (s-орбиталь).

 

Энергетические уровни и подуровни заполняются в такой последовательности:

1 s ® 2 s ® 2 p ® 3 s ® 3 p ® 4 s ® 3 d ® 4 p ® 5 s ® 4 d ® 5 p ® 6 s ® 4 f ® 5 d ® 6 p ® 7 s ® 5 f ® 6 d ® 7 p.

Или, если записать графически:

 

 

Пример 1. Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома хлора.

Решение. Хлор находится в третьем периоде, порядковый номер 17, значит, его 17 электронов распределены на трех энергетических уровнях. В соответствии с последовательностью заполнения уровней и подуроней электронная формула хлора имеет вид:

17Cl 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5.

Пример 2. Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома с порядковым номером 23.

Решение. Элемент с порядковым номером 23 – это ванадий, находящийся в четвертом периоде, следовательно, его 23 электрона распределены на четырех энергетических уровнях:

₂₃V 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3.

 

Но нужно помнить, что состояние атома с полностью или наполовину заполненным подуровнем (т.е. когда на каждой орбитали имеется по одному неспаренному электрону) является более устойчивым. Этим объясняется «провал» электрона. Так, устойчивому состоянию атома хрома соответствует следующее распределение электронов: Cr: 1s22s22p63s23p64 s13d5, а не 1s22s22p63s23p64 s23d4, т. е. происходит «провал» электрона с 4s-подуровня на 3d-подуровень.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

 

Пример 1. Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома хлора.

Решение. Хлор находится в третьем периоде, порядковый номер 17, значит, его 17 электронов распределены на трех энергетических уровнях. В соответствии с последовательностью заполнения уровней и подуроней электронная формула хлора имеет вид:

17Cl 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5.

Пример 2. Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома с порядковым номером 23.

Решение. Элемент с порядковым номером 23 – это ванадий, находящийся в четвертом периоде, следовательно, его 23 электрона распределены на четырех энергетических уровнях:

₂₃V 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3.

Пример 3. Заряд ядра атома фосфора равен

а) +30 б) +31 в) +15 г) +5

Пример 4. Количество энергоуровней в атоме равно

а) порядковому номеру элемента; б) номеру группы;

в) заряду ядра атома; г) номеру периода

Пример 5. Число нейтронов в атоме цинка равно

а) 30 б) 35 в) 4 г) 2

Пример 6. В ряду элементов Na, Mg, Al, Cl металлические свойства

а) убывают; б) возрастают; в) не изменяются; г) сначала убывают, а затем возрастают

Пример 7. Электронная формула строения атома меди, это-

а) 1s22s22p63s23p64s23d10; б) 1s22s22p63s23p64s23d9;

в) 1s22s22p63s23p64s13d10; г) 1s22s22p63s23p64s13d11.

Пример 8. Заряд ядра атома кальция равен

а) 41 б) 2 в) 40 г) 20

Пример 9. Число электронов на внешнем энергоуровне для элементов главных подгрупп равно

а) номеру периода; б) номеру группы; в) порядковому номеру элемента; г) атомной массе.

Пример 10. Число нейтронов в атоме железа равно

а) 30 б) 26 в) 56 г) 55

Пример 11. Формула летучего водородного соединения для элемента с электронным строением атома 1s22s22p2 – это

а) RH4; б) RH3; в) RH2; г) RH. (С)

Пример 12. Электронная формула строения атома мышьяка, это-

а) 1s22s22p63s23p64s13d114p3; б) 1s22s22p63s23p64s23d94p4;

в) 1s22s22p63s23p64s13d104p4; г) 1s22s22p63s23p64s23d104p3.

Пример 13. Сумма количества нейтронов и протонов у олова

а) 50 б) 76 в) 118 г) 106

Пример 14. Опишите квантовыми числами электроны атома азота в основном состоянии. Сначала постройте электронную конфигурацию!

Решение:

№ п/п	n	ℓ	mℓ	ms
				+1/2
				–1/2
				+1/2
				–1/2
				+1/2
				+1/2
			–1	+1/2

Пример 15. Охарактеризовать квантовыми числами 3d-электроны атома хрома в основном состоянии.

Решение. Электронная формула атома хрома: 3s²3p⁶3d⁵4s¹(провал электрона!). Сначала постройте электронную конфигурацию! Следовательно, 3d-электроны будут распределены следующим образом:

№ п/п	n	ℓ	mℓ	ms
				+1/2
			–2	+1/2
				+1/2
			–1	+1/2
				+1/2