Химическая кинетика и равновесие 1 страница

СТРОЕНИЕ АТОМА

Решение типовых задач

Пример 1.1. Дано значение одного из четырех квантовых чи-сел, например, n = 4. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел: n, l, m_l,m_s. Приведите характеристику каждого квантового числа и его возможные значения.

Р е ш е н и е

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Ввиду того, что n определяет основную характеристику электрона в атоме – квантованность его энергии, эта величина получила название главного квантового числа. Главное квантовое число характеризует энергетический уровень, чем больше n, тем выше энергия квантового состояния. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, … ∞.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму орбитали, а также энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальное квантовое число зависит от главного и принимает набор целочисленных значений: 0, 1, 2, 3, …до (n – 1).

Для указания подуровней и соответствующих им орбиталей используют буквенные обозначения: s, p, d, f …

Согласно квантовомеханическим расчетам s -орбитали имеют форму сферы, р -орбитали – форму гантели, d - и f -орбитали более сложные формы.

Следует учесть, что чем выше номер энергетического уровня, тем большим набором форм орбиталей он характеризуется. Например:

Главное квантовое число, n	Орбитальное квантовое число, l	Обозначение орбитали
		1 s
	0, 1	2 s, 2 p
	0, 1, 2	3 s, 3 p, 3 d
	0, 1, 2, 3	4 s, 4 p, 4 d, 4 f

Таким образом, для электрона первого энергетического уровня (n = 1) возможна только одна форма орбитали, для второго (n = 2) возможны две формы орбиталей и т.д.

В зависимости от формы, орбитали одного уровня отличаются по энергии, т.е. каждый энергетический уровень делится на подуровни: 1-й уровень содержит один подуровень, 2-й – два, 3-й – три, 4-й – четыре.

В примере n = 4, следовательно, четвертый энергетический уровень содержит четыре подуровня, а именно 4 s, 4 p, 4 d, 4 f, и орбитальное квантовое число принимает значения 0; 1; 2; 3.

Магнитное квантовое число m_l характеризует расположение (ориентацию) орбитали в пространстве вокруг ядра под действием магнитных полей ядра, других электронов и внешнего магнитного поля. Магнитное квантовое число зависит от l и принимает набор значений от – l, включая 0, до + l.

Таким образом, энергетический подуровень включает то число атомных орбиталей, сколько значений m_l отвечает конкретному значению l_n.

Следовательно, s -состоянию отвечает одна орбиталь, р -состоянию – три, d -состоянию – пять, f -состоянию – семь орбиталей.

Например, для l = 2 возможные значения m_l будут: -2; –1; 0; +1; +2, т.е. на данном подуровне (d -подуровень) существует пять орбиталей.

Спиновое квантовое число или спин m_s характеризует собственный момент количества движения электрона, связанное с вращением вокруг своей оси. Спиновое квантовое число имеет только два значения: +1/2 и –1/2. Положительное и отрицательное значения m_s связаны с направлением движения электрона по часовой или против часовой стрелки. Электроны с разными спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками.

При данном n = 4 запишем значения всех квантовых чисел в виде табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1

n	l	m_e	m_s
			+1/2; -1/2
		-1; 0; +1	+1/2; -1/2
		-2;-1;0;+1;+2	+1/2; -1/2
		-3;-2;-1;0;+1;+2;+3	+1/2; -1/2

Пример 1.2. Для вольфраманапишите распределение элек-тронов в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите валентные электроны. Определите число протонов и нейтронов у .

Р е ш е н и е

Распределение электронов для атома W в нормальном состоянии напишем согласно правилу Клечковского, т. е. с учетом энергии каждого уровня и подуровня:

1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁶5 s ²4 d ¹⁰5 p ⁶6 s ²4 f ¹⁴5 d ⁴.

Для проявления возбужденного состояния нарисуем электронную формулу валентного слоя:

нормальное состояние

6 s

При возбуждении атома электроны переходят в более высокое энергетическое состояние в пределах внешнего уровня:

возбужденное состояние

6 p

6 s

Протон (р) – это частица, имеющая массу 1,67·10^-27 кг и положительный заряд.

Нейтрон (n) – незаряженная частица, обладающая массой 1,67·10^-27 кг.

Число протонов в ядре характеризует его заряд (z) и принадлежность атома данному химическому элементу, соответствует порядковому номеру элемента. Его пишут слева внизу у символа элемента.

Сумму протонов (z) и нейтронов (n), содержащихся в ядре атома, называют массовым числом (А), А = z + n. Массовое число обычно пишут слева вверху у символа элемента.

Следовательно, у атома вольфрама имеется 74 протона и 110 нейтронов.

Пример 1.3. Напишите распределение электронов для ₈₀Hg и ₅₆Ва. Определите, к каким периоду, группе, семейству они относятся, укажите их валентные электроны. Объясните, в чем сходство и различие элементов с учетом следующих параметров: возможные степени окисления, радиус атома, энергия ионизации, относительная электроотрицательность, восстановительная и окислительная способности.

Р е ш е н и е

Напишем распределение электронов:

для ₅₆Ва 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁶5 s ²4 d ¹⁰5 p ⁶6 s ²

для ₈₀Hg 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁶5 s ²4 d ¹⁰5 p ⁶6 s ²4 f ¹⁴5 d ¹⁰.

Выпишем отдельно валентные электроны:

для ₅₆Ва это 6 s ², для ртути ₈₀Hg – 5 d ¹⁰6s².

Оба элемента находятся в шестом периоде и во II группе, но барий в главной подгруппе, а ртуть – в побочной. Поскольку у Ва последним заполняется s -подуровень, этот элемент относится к s -се-мейству. У ртути (Hg) идет заполнение d -подуровня, следовательно, это ds -элемент.

Валентный слой Ва, содержащий 2 электрона, представим графически:

в нормальном состоянии

6 s,

В возбужденном состоянии

6 p

6 s.

Теоретически возможные степени окисления бария будут 0 и +1; +2.

У ртути валентный слой содержит 12 электронов:

в нормальном состоянии:

6 s

;

5 d

в возбужденном состоянии:

6 р

6 s

5 d.

Возможные степени окисления ртути будут 0; +1; +2.

Воспользуемся табличными данными и приведем значения радиуса атома, энергии ионизации и электроотрицательности элементов.

	Ва	Hg
r _ат, нм	0,221	0,160
I ₁, кДж/моль	502,8	1007,1
ОЭО	0,9	1,9

Видно, что радиус атома Ва значительно больше радиуса атома Hg. Энергия ионизации и относительная электроотрицательность у атома Ва практически в два раза меньше, чем у атома Hg. Это свидетельствует о том, что восстановительная способность атома Ва выше, чем у атома Hg.

Оба элемента относятся к металлам и являются восста-новителями. Как сильный восстановитель барий энергично взаимо-действует с большинством неметаллов уже при комнатной температуре. Взаимодействие с водой, даже на холоде, сопровождается образованием гидроксида Ва.

Ртуть плохо окисляется на воздухе, но при нагревании взаимодействует с серой и галогенами, растворяется в HNO₃, горячей концентрированной H₂SO₄, царской водке и не растворима в HCl и разбавленной H₂SO₄. Ртуть образует комплексные ионы, для которых характерно координационное число 4. Ртуть и ее соединения очень ядовиты.

Сходные признаки и различия указанных элементов могут быть представлены в виде таблицы.

Пример 1.4. Объясните, что характеризуют и как изменяются радиус атома, энергия ионизации, восстановительная способность, сродство к электрону, электроотрицательность: а) по периоду слева направо, б) по группе сверху вниз?

а) ₇₃Та – ₈₁Тl; б) ₃₁Ga – ₈₁Tl.

Р е ш е н и е

Радиус атома орбитальный – теоретически рассчитанное положение главного максимума плотности внешних электронных облаков. Практически приходится пользоваться эффективным. Эффективный радиус – 1/2 расстояния между ядрами атомов химически связанных элементов.

В периодах атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра, в общем, уменьшаются, так как при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а следовательно, притяжение им электронов.

В пределах каждой подгруппы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, так как возрастает число электронных уровней.

Энергией ионизации называется количество энергии I, необ-ходимое для отрыва электрона от атома или иона: Э ⁰ + I = Э ⁺+ .

По периоду энергия ионизации немонотонно возрастает. Резкие максимумы соответствуют атомам благородных газов, которые обладают наиболее устойчивой электронной конфигурацией s ² p ⁶.

В пределах одной группы с увеличением порядкового номера энергия ионизации обычно убывает, что связано с увеличением расстояния внешнего электронного уровня от ядра.

Энергия ионизации является мерой восстановительной способ-ности атома.

Сродством к электрону называется энергетический эффект F процесса присоединения электрона к атому: Э ⁰ + = Э^- ± F.

В периодах сродство к электрону и окислительные свойства элементов возрастают, в группах, как правило, уменьшаются.

Понятие электроотрицательности (ОЭО) позволяет оценить способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения. Эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно Малликену, электроотрица-тельность атома может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону: ОЭО = 1/2 (I + F). В периодах наблюдается общая тенденция роста величины электроотрица-тельности, а в группах – ее падение.

Задачи

1.1. Дано значение одного из четырех квантовых чисел. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел: n, l, m_e,m_s. Приведите характеристику каждого квантового числа и его возможные значения.

Т а б л и ц а 1.2

Вариант	Значения	Вариант	Значения
	n = 2	1’	l = 2
	n = 3	2’	n = 1
	n = 4	3’	n = 3
	n = 5	4’	n = 4
	n = 6	5’	n = 5
	n = 7	6’	n = 6
	l = 0	7’	n = 7
	l = 1	8’	l = 0
	l = 3	9’	l = 1
	m = 0	10’	l = 3
	m = 1	11’	m = 0
	m = 2	12’	m = 1
	m = 3	13’	m = 2
	n = 1	14’	m = 3
	l = 2	15’	n = 2

1.2. Для элемента напишите распределение электронов в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите валентные электроны. Определите число протонов и нейтронов у данного атома.

Т а б л и ц а 1.3

Вариант	Элемент	Вариант	Элемент
	₃₂Ge	1’	₄₀Zr
	₅₁Sb	2’	₅₃I
	₃₃As	3’	₅₅Cs
	₃₁Ga	4’	₄₃Tc
	₂₆Fe	5’	₅₆Ba
	₃₄Se	6’	₄₆Pd
	₄₂Mo	7’	₃₀Zn
	₃₅Br	8’	₄₇Ag
	₅₂Te	9’	₄₈Cd
	₃₈Sr	10’	₅₇La
	₄₄Ru	11’	₅₈Ce
	₅₀Sn	12’	₅₉Pr
	₄₉In	13’	₆₀Nd
	₄₁Nb	14’	₆₁Pm
	₄₅Rh	15’	₆₂Sm

1.3. Напишите распределение электронов для ₈₀Hg и ₅₆Ва. Определите, к каким периоду, группе, семейству они относятся, укажите их валентные электроны. Объясните, в чем сходство и различие элементов с учетом следующих параметров: возможные степени окисления, радиус атома, энергия ионизации, относительная электроотрицательность, восстановительная и окислительная способности.

Т а б л и ц а 1.4

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
	₉F	₈₅At	1’	₁₇Cl	₈₅At
	₂₀Ca	₃₀Zn	2’	₁₉K	₂₉Cu
	₂₁Sc	₃₁Ga	3’	₂₃V	₃₃As
	₂₂Ti	₃₂Ge	4’	₃₉Y	₄₉In
	₅₇La	₈₁Tl	5’	₄₄Ru	₅₂Te
	₇₂Hf	₈₂Pb	6’	₂₀Ca	₂₇Co
	₇₃Ta	₈₃Bi	7’	₂₀Ca	₂₈Ni
Окончание табл. 1.4
	₄₁Nb	₅₁Sb	8’	₇₄W	₈₄Po
	₄₂Mo	₅₂Te	9’	₇₆Os	₈₄Po
	₄₀Zr	₅₀Sn	10’	₇₇Ir	₈₅At
	₂₄Cr	₃₄Se	11’	₇₈Pt	₈₄Po
	₂₅Mn	₃₅Br	12’	₃₇Rb	₄₇Ag
	₄₃Tc	₅₂Te	13’	₅₅Cs	₇₉Au
	₂₆Fe	₃₆Kr	14’	₃₈Sr	₄₈Cd
	₇₅Re	₈₅At	15’	₄₁Nb	₅₀Sn

1.4. Объясните, что характеризуют и как изменяются радиус атома, энергия ионизации, восстановительная способность, сродство к электрону, электроотрицательность а) по периоду слева направо (табл. 1.5); б) по группе сверху вниз (табл. 1.6).

Т а б л и ц а 1.5

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
	₈₇Fr - ₁₀₈Hs	1'	₈₈Ra - ₁₀₉Mt
	₅₅Cs - ₈₆Rn	2'	₅₆Ba - ₈₅At
	₃₇Rb - ₅₄Xe	3'	₃₈Sr - ₅₂Te
	₁₉K - ₃₆Kr	4'	₂₀Ca - ₃₅Br
	₁₁Na - ₁₈Ar	5'	₁₂Mg - ₁₈Ar
	₃Li - ₁₀Ne	6'	₄Be - ₉F
	₃₈Sr - ₅₃I	7'	₂₂Ti - ₃₄Sе
	₂₁Sc - ₃₅Br	8'	₄₀Zr - ₅₃I
	₁₂Mg - ₁₇Cl	9'	₇₂Hf - ₈₅At
	₇₄W - ₈₄Po	10'	₂₆Fe - ₃₅Br
	₄₆Pd - ₅₃I	11'	₄₄Ru - ₅₃I
	₅₈Ce - ₇₁Lu	12'	₁₃Al - ₁₇Cl
	₉₀Th - ₁₀₃Lr	13'	₇₆Os - ₈₄Po
	₃₇Rb - ₅₃I	14'	₂₀Ca - ₃₃As
	₂₅Mn - ₃₆Kr	15'	₃₇Rb - ₅₂Te

Т а б л и ц а 1.6

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
	₂₃V - ₇₃Ta	1'	₄₁Nb - ₁₀₄Db
	₂₆Fe - ₇₆Os	2'	₃₉Y - ₈₉Ac
	₂₉Cu - ₇₉Au	3'	₁₁Na - ₅₅Cs
Окончание табл. 1.6
	₃Li - ₈₇Fr	4'	₁₇Cl - ₈₅At
	₆C - ₈₂Pb	5'	₆C - ₅₀Sn
	₈O - ₈₄Po	6'	₂₇Co - ₇₇Ir
	₂₄Cr - ₇₄W	7'	₁₉K - ₈₇Fr
	₉F - ₈₅At	8'	₁₂Mg - ₅₆Ba
	₂₁Sc - ₅₇La	9'	₉F - ₅₃I
	₂₈Ni - ₇₈Pt	10'	₄₀Zr - ₇₂Нf
	₂₃V - ₇₃Ta	11'	₂₀Ca - ₈₈Ra
	₄Be - ₈₈Ra	12'	₁₃Al - ₈₁Tl
	₂₂Ti - ₇₂Hf	13'	₁₄Si - ₅₀Sn
	₂₅Mn - ₇₅Re	14'	₃Li – ₃₇Rb
	₃₀Zn - ₈₀Hg	15'	₇N - ₅₁Sb