Электрон в атоме существует в виде электронного облака, то есть определенной области околоядерного пространства, которая охватывает примерно 90 % заряда и массы электрона. Эта область пространства называется орбиталь. Для полной характеристики состояния каждого электрона в атоме необходимо указать для него значения четырех квантовых чисел: главного n, орбитального l, магнитного ml и спинового ms.
Главное квантовое число характеризует основной запас энергии электрона и размер электронного облака. Оно может принимать только положительные целочисленные значения от 1 до ¥. Чем больше значение n, тем больше размер электронного облака. Совокупность электронных состояний, имеющих одинаковое значение n, называется электронным слоем или энергетическим уровнем. К энергетическим уровням приняты следующие буквенные обозначения
| Главное квантовое число | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Уровень | K | L | M | N | O |
При n = 1 энергия электрона имеет минимальное значение Е 1 = -13,6 эВ. Такое состояние электрона называется основным или нормальным. Состояния с n = 2, 3, 4… называются возбужденными. Энергии, соответствующие им, связаны с Е 1 выражением
(4)
При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой поглощается или испускается квант электромагнитной энергии D Е
(5)
где с – скорость света (с = 3×108 м/с); с/ l = n – частота излучения, с-1.
Орбитальное (иначе побочное или азимутальное) квантовое число определяет момент количества движения электрона и характеризует форму электронного облака. Может принимать все целочисленные значения от 0 до (n - 1). Каждому значению l соответствует своя форма электронного облака: при l = 0 – сферическая; l = 1 – гантелевидная; l = 2 – две пересекающиеся под прямым углом гантели.
Электроны одного энергетического уровня, имеющие одинаковые значения l, образуют энергетические подуровни, которые имеют следующие буквенные обозначения
| Орбитальное квантовое число | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Подуровень | s | p | d | f | g |
Значения энергий в подуровнях каждого уровня несколько различаются. Число подуровней, на которые расщепляется энергетический уровень, равно номеру уровня, то есть значению n.
Состояние электрона, соответствующее определенным значениям n и l, записывается в виде сочетания цифрового значения n и буквенного l (например, при n = 3 и l = 1 записывают 3 p).
Магнитное квантовое число характеризует пространственную ориентацию электронного облака, принимает все целочисленные значения от – l до + l, всего в каждом подуровне (2 l + 1) значений. Число значений, принимаемых ml, указывает число возможных положений электронного облака данного типа в пространстве, то есть число орбиталей в подуровне. Так, любой s -подуровень состоит из одной орбитали, p -подуровень – из 3, d -подуровень – из 5, а f -подуровень – из 7. Все орбитали одного уровня обладают одинаковой энергией и называются вырожденными.
Состояние электрона в атоме, охарактеризованное значениями квантовых чисел n, l и ml, называется атомной орбиталью (АО).
Спиновое квантовое число характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно может принимать только два значения ms = +1/2 и ms = – 1/2.
При распределении электронов в атоме по АО соблюдается несколько принципов и правил. Согласно принципу минимальной энергии электроны в атоме стремятся занять в первую очередь те АО, которым соответствует наименьшее значение энергии электрона. Реализация этого принципа осуществляется на основе правила Клечковского:
с ростом атомного номера элемента электроны размещаются на АО последовательно по мере возрастания суммы (n + l); при одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется орбиталь с меньшим значением числа n.
Согласно правилу Клечковского заполнение энергетических уровней в основном соответствует следующему ряду: 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 и т.д.
Вырожденные орбитали одного уровня заполняются электронами в соответствии с правилом Хунда (Гунда):
в пределах энергетического подуровня электроны располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным.
Это означает, что сначала электроны заполняют все свободные орбитали подуровня по одному, имея при этом одинаково направленные спины, и только потом происходит заполнение этих АО вторыми (парными) электронами. В соответствии с принципом Паули на одной АО может находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга значением ms. Таким образом, максимальная электронная емкость любого s -подуровня равна двум, p -подуровня – шести, d -подуровня – 10 е, а f -подуровня – 14 е.
Общее число АО на энергетическом уровне определяется по формуле
N АО = n 2 (6)
Общее число электронов на уровне можно вычислить по уравнению
N е = 2 n 2 (7)
При отрыве одного или нескольких электронов от атома он превращается в положительно заряженный ион – катион, заряд которого равен числу отнятых электронов. Присоединение одного или нескольких электронов к атому приводит к образованию отрицательного иона – аниона, отрицательный заряд которого равен количеству принятых электронов.
При образовании катиона в первую очередь атом покидают электроны внешнего энергетического уровня, так как в этом случае энергетические затраты на отрыв электрона будут минимальными. При образовании аниона электроны размещаются на уровнях в соответствии с принципом минимума энергии.
Валентными называют электроны, которые располагаются на внешнем энергетическом уровне и отдельных подуровнях второго (для лантаноидов и актиноидов – третьего) от конца электронного слоя, которые не сформированы полностью, то есть количество электронов в подуровне не достигло предельного значения.
Элементы, в атомах которых происходит заполнение s -орбиталей, относятся к семейству s -элементов; в которых заполняется p -подуровень, относятся к семейству p -элементов и т.д.
Пример 1. Квантовые числа валентных электронов иона Э2- равны
Номер электрона n l ml ms
1 3 0 0 + 1/2
2 3 0 0 - 1/2
3 3 1 -1 + 1/2
Определите порядковый номер элемента и назовите его.
Р е ш е н и е
Валентная электронная формула иона Э2-: …3 s 23 p 1. После удаления двух лишних электронов электронная конфигурация атома примет вид Э:…3 s 1. Добавим недостающие электроны Э:1 s 22 s 22 p 63 s 1. Общее количество электронов (2 + 2 + 6 + 1) = 11, значит это элемент № 11 – натрий Na.
Пример 2. Запишите полную электронную формулу элемента с порядковым номером 27. Отметьте его валентные электроны и укажите для них значения всех квантовых чисел. К какому электронному семейству относится данный атом? Запишите электронную формулу валентных подуровней данного атома после удаления двух валентных электронов.
Р е ш е н и е
Элемент с № 27 – кобальт Со. Составляем его электронную формулу
27Со: 1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 64 s 23 d 7
Валентными электронами являются электроны 4 s и 3 d подуровней. Значения квантовых чисел для каждого из девяти валентных электронов равны
Номер электрона n l ml ms
1 4 0 0 + 1/2
2 4 0 0 - 1/2
3 3 2 -2 + 1/2
4 3 2 -1 + 1/2
5 3 2 0 + 1/2
6 3 2 1 + 1/2
7 3 2 2 + 1/2
8 3 2 -2 - 1/2
9 3 2 -1 - 1/2
Поскольку заполняется подуровень d, то кобальт относится к семейству d -элементов.
При отрыве от атома кобальта двух электронов образуется ион Со2+. Электронная формула валентных электронов Со2+: …4 d 75 s 0.
Пример 3. Запишите электронные формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.
Р е ш е н и е
Электронная формула атома кремния содержит 14 электронов. В нормальном состоянии Si14: 1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 2. При возбуждении один из парных электронов 3 s -орбитали переместится на подуровень 3 p и электронная формула примет вид
Si + E ® Si*: 1 s 22 s 22 p 63 s 13 p 3.
Дальнейшее возбуждение атома кремния невозможно, так как все валентные электроны атома являются непарными.
З а д а ч и
1. Атом какого элемента в основном состоянии имеет электронную конфигурацию 1 s 22 s 22 p 63 s 2? Определите общее число энергетических уровней и подуровней, занимаемых электронами в данном атоме.
2. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим низшему энергетическому состоянию атомов: марганца, азота, кремния.
3. Сколько свободных f -орбиталей содержится в атомах элементов с порядковыми номерами 59, 60, 90, 93? Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям для атомов этих элементов.
4. Напишите электронные формулы еще не открытых элементов №110 и №113 и укажите, какое место они займут в периодической системе.
5. Атом элемента имеет электронную формулу 1 s 22 s 22 р 63 s 23 р 6. Напишите для него электронные формулы иона Э- и условного иона Э7+.
6. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных d -орбиталей в атомах этих элементов? Укажите валентные электроны элементов.
7. Запишите электронные формулы атомов и ионов: Se, Ti2+, V3-. Отметьте их валентные электроны.
8. Напишите электронную формулу атома и назовите элемент, если значения квантовых чисел валентных электронов равны:
| Номер | Главное | Побочное | Магнитное | Спиновое |
| 1 | 6 | 0 | 0 | +1/2 |
| 2 | 6 | 0 | 0 | - 1/2 |
| 3 | 6 | 1 | -1 | +1/2 |
9. У элементов каких периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением суммы (n + l) = 5? К каким электронным семействам относятся эти элементы?
10. Запишите электронные формулы частиц: Br-, Br+, Br5+. Запишите квантовые числа валентных электронов иона Br+.
11. Определите число непарных электронов в атоме иридия. Укажите значения квантовых чисел валентных электронов данного атома.
12. Запишите электронную формулу атома серы, сколько непарных электронов имеет этот атом в нормальном и возбужденном состояниях? Каковы электронные формулы S2- и S4+?
13. Сколько и какие пространственные ориентации d -орбиталей Вы знаете? Каким квантовым числом это определяется?
14. Запишите полные электронные формулы атомов и ионов: Zn4-, Kr, Se2+. Отметьте их валентные электроны.
15. Определите порядковый номер элемента и запишите полную электронную формулу атома, если после присоединения к нему двух электронов квантовые числа валентных подуровней таковы:
| Номер | Главное | Побочное | Магнитное | Спиновое |
| 1 | 4 | 0 | 0 | +1/2 |
| 2 | 4 | 0 | 0 | -1/2 |
| 3 | 3 | 2 | 0 | +1/2 |
| 4 | 3 | 2 | -1 | +1/2 |
| 5 | 3 | 2 | -2 | +1/2 |
16. Напишите электронные формулы частиц: Po, Bi3+, Mn2-. Изобразите электронно-графические схемы их валентных подуровней.
17. Запишите полную электронную формулу и электронно-графическую схему валентных подуровней атомов таллия и криптона.
18. Определите общее число электронов не 8 энергетическом уровне.
19. Сколько свободных d -орбиталей имеется в атомах титана и ванадия? Запишите для этих атомов значения квантовых чисел внешнего слоя.
20. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого: а) l = 3; б) l = 4?
21. Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n = 3 и l = 1? Чему равны для них значения магнитного квантового числа? Имеет ли данный атом парные электроны?
22. Составьте электронные формулы элементов с порядковыми номерами 27 и 60. Укажите значения всех квантовых чисел для валентных электронов ионов этих элементов с зарядами + 1 и – 1.
23. Могут ли существовать конфигурации р 7 или d 12- электронов. Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.
24. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 28. Чему равен максимальный спин р -электронов у атомов первого и d -электронов у атомов второго элемента.
25. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 2 s 2 2 р 63 s 23 р 1? Запишите для них полные электронные формулы в возбужденном состоянии.
26. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 3 s 23 р 63 d 34 s 2? Запишите для них квантовых чисел валентных электронов в нормальном состоянии.
27. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 3 s 23 р 63 d 104 s 24 р 5? Запишите для них квантовых чисел валентных электронов в возбужденном состоянии.
28. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 4 s 24 р 64 d 75 s 1? Запишите для них полные электронные формулы в возбужденном состоянии.
29. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 4 s 24 р 64 d 105 s 0? Запишите для них полные электронные формулы в возбужденном состоянии.
30. Сколько свободных d -орбиталей имеется в атомах ниобия и циркония? Запишите для этих атомов значения квантовых чисел внешнего слоя.
СВОЙСТВА АТОМОВ И ИОНОВ
Химическая активность элемента определяется способностью его атомов терять или приобретать электроны.
Энергия, необходимая для удаления 1 моль электронов от 1 моль атомов какого либо элемента, называется первой энергией ионизации I 1. Отрыву второго, третьего и т. д. электронов соответствует вторая I 2, третья I 3 и т. д. энергии ионизации, причем, I 1 < I 2 < I 3. Особенно резкое увеличение энергии ионизации наблюдается при отрыве электронов из заполненного уровня. Энергию ионизации измеряют в кДж/моль или в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6×10-19 Дж).
Наименьшее напряжение электрического поля, при котором происходит отрыв электрона, называется потенциалом ионизации. Численное значение энергии ионизации в эВ равно потенциалу ионизации в вольтах.
Энергия ионизации характеризует восстановительную способность элемента. Чем меньше значение I 1, тем более сильным восстановителем является атом.
В периодах с увеличением порядкового номера элемента первая энергия ионизации возрастает, однако, на электронных конфигурациях, заканчивающихся полностью или наполовину сформированными подуровнями, проявляются локальные максимумы значений I 1. Это связано с тем фактом, что такие электронные конфигурации обладают повышенной энергетической устойчивостью (их сложнее разрушить). Например, во втором периоде при переходе от N7: 1 s 22 s 22 p 3 к О8:1 s 22 s 22 p 4 порядковый номер увеличивается, а первая энергия ионизации уменьшается от 14,53 эВ у азота до 13,61 эВ у кислорода. В общем случае локальные максимумы значений I 1 следует ожидать у атомов, чья электронная формула заканчивается … ns 2, … np 3, … np 6, …(n – 1) d 5, …(n – 1) d 10 и т.д.
В подгруппах с увеличением порядкового номера элемента I несколько снижается, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния внешних оболочек от ядра.
Таким образом, восстановительная способность элементов в группе сверху вниз возрастает, а в периодах слева направо уменьшается.
Окислительная способность атома характеризуется величиной сродства к электрону F – энергией, которая выделяется при присоединении 1 моль электронов к 1 моль атомов. Чем больше значение F, тем сильнее выражены окислительные свойства атома. В группах с увеличением порядкового номера элемента энергия сродства к электрону уменьшается, а в периодах – возрастает, но не монотонно. Локальные максимумы значений F смещены на один элемент влево по сравнению с энергией ионизации атома. Таким образом, наибольшими значениями F обладают элементы VII группы главной подгруппы. У большинства металлов и у благородных газов сродство к электрону невелико или отрицательно.
Для характеристики способности атомов притягивать к себе электроны, введено понятие - электроотрицательность (ЭО). Эта величина имеет условный характер, так как способность атома притягивать электроны зависит от типа соединения и валентного состояния элемента.
По шкале Р. Малликена
ЭО = 
, эВ (8)
Использование шкалы Малликена затруднено, так как отсутствуют надежные методы определения сродства к электрону.
Более широкое использование получила относительная шкала электроотрицательностей Л. Полинга. По этой шкале абсолютная ЭО атома лития принята равной единице, а ЭО остальных атомов отнесены к значению абсолютной ЭО(Li). Максимальное значение относительной ЭО, которое равно 4, имеет атом фтора (ЭО(F) = 4). В периодах с ростом порядкового номера элемента электроотрицательность возрастает, а в группах, как правило, убывает.
Поскольку движение электрона имеет волновой характер, невозможно установить абсолютные размеры атомов. В химической практике наиболее часто пользуются двумя типами радиусов: орбитальным радиусом и эффективным радиусом.
Под орбитальным радиусом понимают теоретически рассчитанное расстояние от ядра до главного максимума электронной плотности внешней орбитали. В периодах по мере роста заряда ядра орбитальные радиусы атомов уменьшаются, а в группах – увеличиваются, причем в главных подгруппах увеличение происходит в большей мере, чем в побочных.
Эффективные радиусы атомов рассчитывают из экспериментальных данных, как половину расстояния между центрами смежных атомов в кристалле. Такие радиусы затруднительно сравнивать между собой, так как на их значение оказывают влияние различные факторы (структура вещества, характер связи, степень окисления элемента и т.д.).
При образовании катиона орбитальный радиус частицы уменьшается по сравнению с размером атома, причем, чем больше заряд катиона, тем меньше радиус. В случае образования аниона орбитальный радиус частицы возрастает тем больше, чем выше отрицательный заряд иона.
Пример 1. Укажите, как изменяются первая энергия ионизации, сродство к электрону и орбитальный радиус в ряду элементов K – Cu – Rb. Какой из перечисленных элементов является более сильным окислителем?
Р е ш е н и е
Калий и медь стоят в одном периоде, поэтому при переходе от K к Cu энергия ионизации и сродство к электрону возрастают, а орбитальный радиус уменьшается.
Калий и рубидий находятся в одной подгруппе, следовательно, при переходе от K к Rb энергия ионизации и сродство к электрону уменьшаются, а орбитальный радиус возрастает.
Пример 2. Определите относительную ЭО атома хлора, если I (Cl) = 1140,8 кДж/моль, F (Cl) = 3,54 эВ, а абсолютная ЭО атома лития составляет 2,55 эВ.
Р е ш е н и е
Найдем абсолютную ЭО атома хлора по формуле (8). Для этого значение энергии ионизации пересчитаем с кДж/моль на эВ по формуле
I (Cl) = 
,
где NA – постоянная Авогадро.
I (Cl) = 
эВ.
Тогда абсолютная ЭО(Cl) = 
эВ.
Для определения относительной ЭО хлора поделим абсолютное значение ЭО(Cl) на абсолютное значение ЭО(Li)
ЭО(Cl) = 
3,01.
Пример 3. Сравните энергии ионизации у следующих пар атомов: а) …2 s 22 p 3 и …2 s 22 p 4; б) …3 s 2 и …2 s 22 p 2. Ответ мотивируйте.
Р е ш е н и е
а) Элементы …2 s 22 p 3 и …2 s 22 p 4 располагаются в периодической системе в одном периоде, так как их валентные электроны имеют одинаковые значения главного квантового числа (n = 2). Кроме того, данные элементы стоят в периоде друг за другом (их электронные конфигурации отличаются на один электрон). В периоде с ростом порядкового номера энергия ионизации увеличивается. Однако, I (…2 s 22 p 3) > I (…2 s 22 p 4), поскольку у электронной конфигурации …2 s 22 p 3 имеется наполовину заполненный p -подуровень, то есть здесь наблюдается локальный максимум энергии ионизации;
б) Элементы …3 s 2 и …2 s 22 p 2 расположены в разных периодах и группах, поэтому их нельзя сравнивать без привлечения вспомогательного элемента. Таким элементом может служить …2 s 2, так как с первым он стоит в одной группе (число валентных электронов одинаково и равно 2), а со вторым – в одном периоде. Тогда I (…2 s 2) > I (…3 s 2), потому что с увеличением порядкового номера в группе происходит уменьшение энергии ионизации, а I (…2 s 22 p 2) > I (…2 s 2), поскольку в периоде энергия ионизации увеличивается. Таким образом, I (…2 s 22 p 2) > I (…2 s 2) > I (…3 s 2) или иначе I (…2 s 22 p 2) > I (…3 s 2).
З а д а ч и
1. Значение первых потенциалов ионизации элементов I группы периодической системы элементов соответственно равны (В): Li -5,4; Cs - 3,9; Cu - 7,7; Ag - 9,2. Укажите: а) у элементов какой подгруппы I группы металлические свойства выражены более резко; б) чем объяснить различный ход изменения значений потенциалов ионизации в подгруппах.
2. Рассчитайте энергию ионизации алюминия (кДж/моль), соответствующую отрыву третьего электрона, если потенциал ионизации алюминия равен 28,44 В.
3. Вычислите относительную электроотрицательность углерода, если первый ионизационный потенциал углерода равен 11,26 В, а его сродство к электрону 1,12 эВ.
4. Исходя из величин потенциалов ионизации, докажите какой из приведенных элементов Li, Na, K, Rb, Cs является более сильным восстановителем.
5. Какой из s-элементов подгруппы II-A является более сильным восстановителем по отношению к хлору? Ответ мотивируйте.
6. Относительная электроотрицательность йода равна 2,5 а его ионизационный потенциал 10,45 В. Определите сродство йода к электрону (кДж/моль).
7. Сравните энергии ионизации у следующих пар атомов: бор и углерод, кремний и фосфор, кальций и цинк.
8. Определите электроотрицательность атома лития в кДж/моль, если ЭО атома фтора равна 10,2 эВ, а относительные ЭО атомов лития и фтора соответственно равны 1 и 4.
9. Для какого из двух атомов энергия ионизации больше: …6s26p3 или …6s26p4? Ответ объясните.
10. Для какого из двух элементов энергия ионизации меньше: …3p64s1 или …3s23p6? Ответ мотивируйте.
11. Сравните значения атомных радиусов элементов: Ca и Zn, Ca и Sr. Ответ объясните.
12. Для атома алюминия значения последовательных энергий ионизации составляют (эВ): I 1 = 6,0; I 2 = 18,8; I 3 = 28,4; I 4 = 120,0. Объясните, чем вызван резкий скачок при переходе от I 3 к I 4.
13. Сравните энергии ионизации и электроотрицательности у следующих пар атомов: а) …4d45s1 и …4d65s1; б) …5s25p3 и …5s25p4. Ответ объясните.
14. Сравните радиусы частиц: Mg2+, Ca2+, Ba2+. Ответ объясните.
15. Укажите, как изменяется энергия ионизации и атомный радиус при переходе от серы к фосфору.
16. Для какого из атомов энергия ионизации больше и почему: …4d45s2 или …4d55s2?
17. Для какого из элементов энергия ионизации больше: … 3s23p64s1 или …3s23p64s2? Ответ объясните. Сравните значения энергии сродства к электрону для этих элементов.
18. Сравните атомные радиусы элементов: галлия и иттрия; фосфора и ванадия. Ответ объясните.
19. Сравните энергию сродства к электрону у атомов третьего периода. Ответ объясните.
20. Для какой электронной конфигурации радиус атома больше: …6s26p4 или …6s26p5? Ответ мотивируйте.
21. Объясните ход изменения значения энергии ионизации у элементов:
| Элемент | Кальций | Барий | Цинк | Ртуть |
| I 1, эВ | 6,1 | 5,8 | 9,4 | 10,4 |
22. Исходя из величин потенциалов ионизации, докажите какой из приведенных элементов Be, Ca, Mg, Sr, Ba является более сильным восстановителем.
23. Сравните атомные радиусы элементов: скандия и иттрия; фосфора и серы. Ответ объясните.
24. Для какой электронной конфигурации радиус атома меньше: …5s25p5 или …6s26p5? Ответ мотивируйте.
25. Сравните радиусы атомов и значения электроотрицательностей у следующих пар атомов: а) стронций и кадмий; б) гафний и тантал. Ответ объясните.
26. Укажите, как изменяется энергия ионизации и атомный радиус при переходе от мышьяка к селену и почему.
27. Расположите в порядке уменьшения энергии сродства к электрону элементы: Ca, Mg, Zn. Ответ объясните.
28. Исходя из величин потенциалов ионизации, докажите какой из приведенных элементов Р, Na или Ti является более сильным восстановителем.
29. Для какой электронной конфигурации радиус атома больше: …3s23p6 или …3s23p5? Ответ мотивируйте.
30. Укажите, как изменяется энергия ионизации и атомный радиус при переходе от брома к селену и почему.
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
По мере роста заряда ядра происходит закономерная периодическая повторяемость электронных структур валентных подуровней элементов, и как следствие, повторяемость их свойств. Современная формулировка периодического закона гласит:
свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.
Графическим изображением периодического закона является таблица периодической системы элементов Д.И. Менделеева, в которой элементы располагаются в порядке возрастания заряда ядер их атомов и подразделяются на естественные совокупности – периоды и группы.
Период представляет собой горизонтальный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев. Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня и показывает общее число электронных оболочек атома. Каждый период (исключая первый) начинается типичным металлом и заканчивается благородным газом, которому предшествует неметалл. Таким образом, в периоде с увеличением заряда ядра атомов свойства элементов постепенно изменяются от металлических к типично неметаллическим, что связано с увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне.
Первые три периода содержат только s - и p -элементы и называются малыми. Четвертый и последующие периоды кроме s - и p -элементов содержат также d - и f -элементы и называются большими. У атомов s - и p -элементов свойства соседних атомов изменяются отчетливо, поскольку у них идет формирование электронами внешнего слоя. Для d - и в особенности для f -элементов одного и того же периода отличия в свойствах проявляется менее четко, так как у них происходит заполнение электронами внутренних энергетических уровней, тогда как конфигурация внешнего слоя практически не изменятся.
Элементы периодической системы подразделяют на восемь групп. Положение элемента в группе определяется общим числом его валентных электронов. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. В главных подгруппах находятся только s - и p -элементы, побочные подгруппы содержат d -элементы. В соответствии с особенностями электронных структур f -элементов их относят к III побочной подгруппе. В коротком (восьмиклеточном) варианте периодической системы Д.И. Менделеева 4 f -элементы шестого периода и 5 f -элементы седьмого периода вынесены за рамки таблицы как семейства лантаноидов и актиноидов соответственно.
Элементы-аналоги, то есть элементы, расположенные в одной подгруппе, имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня при разных значениях главного квантового числа n и поэтому проявляют сходные химические свойства. В подгруппах с увеличением порядкового номера происходит усиление металлических свойств элементов и ослабление неметаллических свойств.
Пример 1. Дайте общую характеристику элемента с порядковым номером 33. Укажите его основные химические свойства.
Р е ш е н и е
Это элемент As – мышьяк. Его полная электронная формула
33As: 1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 63 d 104 s 24 p 3
Находится в 4-ом периоде (n = 4 - застраивается четвертый энергетический уровень), в V группе главной подгруппы (имеет 5 валентных электронов …4 s 24 p 3, которые располагаются на внешнем слое). Мышьяк относится к семейству p -элементов.
Наличие пяти электронов на внешнем слое атома указывает на то, что мышьяк – неметалл. Однако он также обладает слабо выраженными металлическими свойствами, поскольку в группе сверху вниз происходит ослабление неметаллических свойств.
Высшая степень окисления мышьяка +5, так как он имеет пять валентных электронов. Низшая степень окисления равна –3, так как до электронного октета ему недостает трех электронов.
Пример 2. Объясните, почему селен и хром, находясь в одном и том же периоде и в одной группе, обладают разными свойствами.
Р е ш е н и е
Селен и хром – это элементы шестого периода VI группы. Селен относится к семейству p -элементов и находится в главной подгруппе, тогда как хром – d -элемент, стоящий в побочной подгруппе.
Атом селена имеет на внешнем слое шесть электронов (…4 s 24 p 4), а атом хрома – один электрон (….3 d 54 s 1). Следовательно, у селена сильнее выражены неметаллические свойства, а у хрома – металлические.
З а д а ч и
1. Какое строение электронных слоев у элементов подгруппы скандия при степени их окисления +3? Как изменяются основные свойства гидроксидов этих металлов по подгруппе сверху вниз? Почему?
2. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2,+3,+4,+6,+7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).
3. У какого из р -элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов?
4. Какими химическими свойствами должен обладать элемент с порядковым номером 34? С каким элементом в периодической системе он должен быть наиболее сходен? Дайте обоснованный ответ.
5. Напишите уравнения реакций между: а) селеновой кислотой и гидроксидом стронция; б) хлорной кислотой и карбонатом лития; в) гидроксидом галлия и хромовой кислотой.
6. У какого из элементов I группы, у калия или цезия сильнее выражены металлические свойства? Почему? Какой из них образует более сильный гидроксид? Как можно получить этот гидроксид?
7. У какого из элементов VII группы, у хлора или йода сильнее выражены неметаллические свойства? Почему? Какой из них образует более сильную кислоту? Исходя из максимальной валентности элемента по кислороду, напишите формулы этих кислот.
8. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.
9. С учетом положения элементов в периодической системе поясните, какой их двух гидроксидов является более сильным основанием: Mg (OH)2 или Ba(OH)2; Ca(OH)2 или Fe(OH)2.
10. Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).
11. Почему в середине периодической системы появляется группа элементов (лантаноиды), у которых увеличение порядкового номера не вызывает существенного изменения их химических свойств?
12. Какими химическими свойствами обладает искусственно полученный элемент с порядковым номером 87? С какими из элементов периодической системы он наиболее сходен?
13. Атомы, каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э2О5? Какой из них дает газообразное соединение с водородом?
14. Исходя из положения элементов в периодической системе, определить: а) у какого из гидроксидов – Sn(OH)2 или Pb(OH)2 - более выражены основные свойства; б) какая из солей гидролизуется в большей степени: станнат натрия или плюмбат натрия; в) какой из оксидов является более сильным окислителем: SnO2 или PbO2?
15. Элемент в периодической системе имеет порядковый номер 24. Какие свойства проявляют его оксиды, отвечающие низшей и высшей степеням его окисления? Образует ли этот элемент газообразные соединения с водородом?
16. Укажите, какая из сравниваемых двух кислот является более сильной: а) H3SO3 или H2SO4; б)H3PO4 или H3VO4; Ответ поясните.
17. Напишите уравнения реакций между: а) селеновой кислотой и гидроксидом стронция б) хлорной кислотой и карбонатом лития в) гидроксидом галлия и хромовой кислотой. Ответ мотивируйте.
18. Структура внешнего и предвнешнего электронных слоев атома отражается формулой 3s23p63d54s1. Назовите элемент. Каковы кислотно-основные свойства его оксидов?
19. Как изменяется сила кислот в ряду H2SO4→ H2SeO4→H2TeO4? Ответ мотивируйте.
20. Исходя из положения молибдена и ниобия в ПС, составьте формулы их высших оксидов и соответствующих кислот. Укажите основность кислот и дайте им название.
21. Какую низшую и высшую степени окисления проявляет кремний и селен. Почему? Приведите примеры соединений данных элементов, где бы они проявляли указанные степени окисления.
22. Структура валентного слоя атомов элементов выражается формулами: …4d55s2 и …5s25p5. Определите порядковые номера и назовите элементы. В каких периодах и группах они находятся и почему? Дайте краткую характеристику их химических свойств.
23. Укажите элементы, электронные формулы внешнего слоя которых соответствуют …(n -1)d2 n s2. Запишите для них формулы высших оксидов и гидрооксидов. Запишите для них структурные схемы.
24. Исходя их положения в ПС, укажите максимальную и минимальную степени окисления элементов: азот и кремний. Приведите примеры соединений с такими степенями окисления.
25. Марганец проявляет следующие положительные степени окисления: 2, 3, 4, 6, 7. Запишите формулы соответствующих оксидов марганца и укажите, как изменяются их кислотно-основные свойства.
26. В каких группах периодической системы находятся элементы, образующие газообразные соединения с водородом? Какие из этих соединений обладают кислотными свойствами?
27. Назовите элемент пятого периода, высший оксид которого Э2О7, который образует газообразное соединение с водородом. Запишите его полную электронную формулу. Составьте формулы соединений данного элемента с водородом и кальцием и назовите их.
28. Назовите элемент четвертого периода, высший оксид которого ЭО2, который не образует с водородом газообразное соединение. Запишите его полную электронную формулу.
29. Назовите элемент четвертого периода, высший оксид которого ЭО, который образует с водородом солеподобное соединение состава ЭН2.
30. Высший оксид элемента побочной подгруппы имеет состав ЭО3 и содержит 33 % мас. кислорода. Назовите данный элемент и укажите, к какому семейству он относится.
МНОГОВАРИАНТНАЯ ЗАДАЧА
По одному из вариантов табл.2 ответьте на следующие вопросы:
1. Запишите полную электронную конфигурацию элемента по его порядковому номеру в периодической системе;
2. Укажите квантовые числа валентных электронов для элемента с данным символом;
3. Назовите электронные аналоги элемента;
4. Какова окислительно-восстановительная способность элемента относительно водорода (для ответа следует использовать таблицу относительных электроотрицательностей элементов, приведенную в приложении).
Таблица 2
Таблица исходных данных
| Номер варианта | Номер вопроса
| |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 1 | 2 | Pt | 5 p 6 | F |
| 2 | 54 | Fe | 4 f 7 | Ba |
| 3 | 77 | Xe | 2 s 1 | La |
| 4 | 12 | Eu | 3 d 6 | Te |
| 5 | 23 | Ku | 6 p 1 | Be |
| 6 | 18 | Ti | 4 s 2 | S |
| 7 | 14 | He | 5 d 1 | Se |
| 8 | 83 | Fr | 2 p 2 | Mn |
| 9 | 38 | Mn | 5 f 14 | Mg |
| 10 | 56 | Am | 4 d 3 | Cl |
| 11 | 89 | Re | 6 s 2 | C |
| 12 | 53 | Zr | 2 p 3 | Sr |
| 13 | 86 | Ba | 3 d 2 | Te |
| 14 | 5 | Ce | 6 s 1 | Cr |
| 15 | 3 | Gd | 6 p 5 | N |
| 16 | 85 | Li | 3 d 10 | I |
| 17 | 46 | Ca | 2 p 4 | Y |
| 18 | 33 | U | 7 s 2 | Hf |
| 19 | 31 | Mo | 5 f 7 | Tl |
| 20 | 20 | Po | 4 d 9 | Rb |
| 21 | 50 | Na | 2 p 6 | W |
| 22 | 17 | Nb | 3 s 1 | B |
| 23 | 21 | Ge | 3 d 8 | K |
| 24 | 36 | Ra | 5 d 4 | O |
| 25 | 27 | Rb | 6 p 1 | Lu |
| 26 | 48 | At | 7 d 7 | Ca |
| 27 | 4 | Rh | 3 s 2 | Br |
| 28 | 10 | Be | 4 f 14 | Al |
| 29 | 88 | Te | 2 p2 | As |
| 30 | 82 | Cs | 5 d 6 | Si |
ПРИЛОЖЕНИЕ
