Строение электронной оболочки атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер.

Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (90-95%) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО).

Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами, значения которых связаны с физическими свойствами электрона:

n – главное квантовое число. Характеризует энергию данного уровня и его удаленность от ядра. Может принимать значения целых чисел от 1 до ∞ (реально от 1 до 7). Чем больше n, тем выше энергия.

l – орбитальное квантовое число. Характеризует форму электронного облака и орбитальный момент количества движения электрона. Принимает значения целых чисел от 0 до (n – 1). Энергетический уровень делится на подуровни, каждый из которых характеризуется определенным значением l. Для s – подуровня l = 0; для р - подуровня l = 1; для d – подуровня l = 2; для f – подуровня l=3.

m – магнитное квантовое число. Определяет ориентацию электронного облака в пространстве под действием магнитного поля. Принимает значения целых чисел: –l,... 0,... +l.

s – спиновое квантовое число (спин). Отражает движение электрона вокруг своей оси. Принимает значения: или -1/2, или +1/2.

Указанными четырьмя квантовыми числами можно охарактеризовать всю совокупность сложных движений электрона в атоме.

Запись распределения электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням получила название электронной конфигурации (электронной формулы) элемента.

Электронная конфигурация элемента обозначается группой символов nl^х,

где n- главное квантовое число, l-орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение подуровня: s, p, d, f), х-число электронов на данном подуровне.

При составлении электронных конфигураций многоэлектронных атомов учитывают принцип минимальной энергии, принцип Паули, правила Гунда и Клечковского.

Принцип минимальной энергии. Согласно этому принципу электроны в основном состоянии заполняют орбитали в порядке повышения уровня энергии орбиталей.

Правило Клечковского. Увеличение энергии и соответственно заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел (n + l), а при равной сумме (n + l) в порядке возрастания числа n.

В соответствии с этим правилом последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→(5d)¹→4f→5d→6p→7s→(6d^1-2) →5f→6d

Принцип Паули. В атоме не может быть электронов, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Отсюда следует, что на каждой орбитали может быть не более двух электронов, причем они должны иметь противоположные (антипараллельные) спины.

Правило Гунда. В соответствии с этим правилом заполнение орбиталей одного подуровня в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами.После того как одиночные электроны займут все орбитали в данном подуровне, заполняются орбитали вторыми электронами с противоположными спинами.

 

ПРИМЕР 1: Приведите электронную конфигурацию атома серы в нормальном состоянии. Опишите формирующий электрон набором квантовых чисел.

РЕШЕНИЕ: Сера находится в периодической системе элементов под №16. Порядковый номер соответствует числу электронов в атоме. Составим электронную конфигурацию атома серы: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Распределим валентные электроны (электроны, которые находятся на внешнем энергетическом уровне) по энергетическим ячейкам:

3p⁴

↑↓

↑

↑

3s²

↑↓

 

Формирующий электрон (последний электрон) находится на 3p-подуровне во 2-ой энергетической ячейке, поэтому набор квантовых чисел для него будет следующий: n=3, l=1, m=0, s=+1/2.

 

В 1869г. Д. И. Менделеевым был открыт периодический закон, современная формулировка которого следующая: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов.

Наглядным выражением закона служит периодическая система элементов (ПСЭ). ПСЭ состоит из периодов, групп и подгрупп.

Период – горизонтальный ряд элементов, размещенных в порядке возрастания заряда ядра атомов, электронная конфигурация которых изменяется от ns¹(у щелочных металлов) до ns²np⁶ (у инертных газов).

Группа – вертикальный ряд элементов, у которых на внешнем энергетическом уровне находится одинаковое число электронов. Такие элементы называются электронными аналогами. Номер группы соответствует высшей степени окисления элемента. Низшая степень окисления неметаллов определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns²np⁶). Низшая степень окисления металлов равна нулю.

Группы делятся на главные и побочные подгруппы. К главным подгруппам относятся только s- и р-элементы. К побочным подгруппам принадлежат d- и f-элементы.

 

Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то соответственно периодически изменяются и свойства элементов. В периодах слева направо возрастает энергия ионизации, следовательно, увеличивается окислительная способность элементов. В группах сверху вниз увеличивается радиус атома, а следовательно, возрастает восстановительная способность элементов.

 

ПРИМЕР 2: У какого из элементов четвертого периода-марганца или брома - сильнее выражены восстановительные свойства? Дайте мотивированный ответ, рассмотрев строение атомов соответствующих элементов.

РЕШЕНИЕ:

₂₅Mn – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²

₃₅Br – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

У атома марганца на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона, которые легче отдать, чем принимать электроны на свободный р-подуровень. Поэтому марганец проявляет только восстановительные свойства и не может образовывать элементарные отрицательные ионы.

У атома брома на внешнем энергетическом уровне находятся семь электронов, ему легче принять (до завершения р-подуровня) один электрон. Поэтому бром в большей степени будет проявлять свойства окислителя (по сравнению с марганцем).

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Приведите электронную конфигурацию атома азота. Чем определяется минимальная валентность элемента? Чему равна максимальная валентность атома азота и как она определяется?

2. Напишите электронную конфигурацию для атома железа и иона Fe²⁺. Опишите формирующий электрон этого иона набором квантовых чисел.

3. Объясните, почему фтор в своих соединениях проявляет постоянную валентность, а хлор – переменную. Дайте обоснованный ответ, рассмотрев электронную конфигурацию данных элементов. Приведите примеры соответствующих кислородных соединений данных элементов.

4. Напишите электронную конфигурацию атома кремния. Назовите валентные электроны его атома, изобразите их графически в нормальном и возбуждённом состоянии, назовите возможные степени окисления.

5. Напишите электронную формулу атома алюминия. Назовите валентные электроны его атома, изобразите их графически. Охарактеризуйте формирующий электрон набором квантовых чисел. Приведите примеры электронных аналогов для алюминия

6. Запишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами №35 и №58. Назовите валентные электроны в их атомах, распределите их по магнитным ячейкам (в возбуждённом и невозбуждённом состояниях). Укажите и объясните возможные валентности для них.

7. Напишите электронную конфигурацию для атома хрома и иона Cr³⁺. Опишите формирующий электрон этого иона набором квантовых чисел.

8. Объясните, почему кислород в своих соединениях проявляет постоянную валентность, а сера – переменную. Дайте обоснованный ответ, рассмотрев электронную конфигурацию данных элементов.

9. Запишите электронную конфигурацию атомов элементов №24 и №34. Почему они расположены в одном периоде (в каком?) и в одной группе (в какой?).

10. Определить место элемента в ПСЭ, его свойства, формулу и характер оксида в высшей степени окисления, если порядковый номер элемента в ПСЭ равен 35.

11. Какую низшую степень окисления проявляют водород и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

12. У какого из элементов четвертого периода-марганца или брома - сильнее выражены восстановительные свойства? Дайте мотивированный ответ, рассмотрев строение атомов соответствующих элементов.

13. Определить место элемента в ПСЭ, его свойства, формулу и характер оксида в высшей степени окисления, если порядковый номер элемента в ПСЭ равен 15.

14. Составьте графические схемы заполнения электронами внешних орбиталей атома хлора в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите все возможные значения валентности хлора.

15. У какого из р-элементов пятой группы ПСЭ – фосфора или сурьмы-сильнее выражены неметаллические свойства? Ответ мотивируйте, рассмотрев строение атомов этих элементов.

16. Почему марганец проявляет металлические свойства, а хлор – неметаллические? Ответ мотивируйте, рассмотрев строение атомов этих элементов. Напишите формулы оксидов и гидроксидов хлора и марганца в низшей и высшей степени окисления этих элементов.

17.. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

18.. Какую низшую степень окисления проявляют фтор и сера? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

19. Хром образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).

20. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3,+4, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV)..