Строение многоэлектронных атомов и ионов

    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 m_l и спинового m_s.

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 m_l, 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 m_l, 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 m_s = +1/2 и m_s = – 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 m_s. 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 Э^2- равны

Номер электрона            n             l              m_l          m_s

                       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 Э^2-: …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              m_l          m_s

                       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⁺, V^3-. 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 S^2- 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: Zn^4-, 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⁺, Mn^2-. 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 N_A – 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