Изучив свойства элементов, расположенных в ряд по возрастанию значе­ний их атомных масс, великий русский ученый Д.И. Менделеев в 1869 г. вы­вел закон периодичности:

свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от величины атом­ных весов элементов.

современная формулировка периодического закона Менделеева:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда их ядер.

Число протонов в ядре определяет величину положительного заряда ядра и соответственно порядковый номер Z элемента в периодической системе. Суммарное число протонов и нейтронов, на­зывается массовым числом А, оно примерно равно величине массы ядра. Поэтому число нейтронов (N) в ядре может быть найдено по фор­муле:

N = А - Z.

Электронная конфигурация - формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атомахимического элемента

Или молекулы.

17. Квантовые числа и порядок заполнения энергетических уровней и орбиталей в атомах. Правила Клечковского

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и под­уровням в оболочке атома называют его электронной конфигурацией. Состояние каждого электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами:

1. Главное квантовое число n в наибольшей степени характеризует энергию электрона в атоме. n = 1, 2, 3….. Наименьшей энергией электрон обладает при n = 1, при этом он наиболее близок к ядру атома.

2. Орбитальное (побочное, азимутальное) квантовое число l определяет форму электронного облака и в незначительной степени его энергию. Для каждого значения главного квантового числа n, орбитальное квантовое число может принимать нулевое и ряд целочисленных значений: l = 0…(n-1)

Состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называют энергетическими подуровнями электрона в атоме. Каждый подуровень обозначается определенной буквой, ему соответствует определенная форма электронного облака (орбитали).

3. Магнитное квантовое число m l определяет возможные ориентации электронного облака в пространстве. Число таких ориентаций определяется числом значений, которое может принимать магнитное квантовое число:

m l = -l, …0,…+l

Число таких значений для конкретного l: 2l+1

Сответственно: для s-электронов: 2·0 +1=1 (сферическая орбиталь может быть ориентирована только одним способом);

4. Спиновое квантовое число m s о тражает наличие у электрона собственного момента движения.

Спиновое квантовое число может иметь только два значения:m s = +1/2 или –1/2

Распределение электронов в многоэлектронных атомах происходит в соответствии с тремя принципами:

Принцип Паули

В атоме не может быть электронов имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел.

2. Правило Хунда (трамвайное правило)

В наиболее устойчивом состоянии атома электроны размещаются в пределах электронного подуровня так, чтобы их суммарный спин был максимален. Аналогично порядку заполнения двойных кресел в подошедшем к остановке пустом трамвае – сначала незнакомые друг с другом люди рассаживаются на двойные кресла (а электроны на орбитали) по-одному, и только когда пустые двойные кресла закончатся по-двое.

Принцип минимума энергии (Правила В.М. Клечковского, 1954)

1) При увеличении заряда ядра атома поcледовательное заполнение элект­ронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим.значением сум­мы главного и орбитального квинтовых чисел (n + l) к орбиталям с боль­шим значением этой суммы.

2) При одинаковых значениях суммы (n +l) заполнение орбиталей происхо­дит последовательно в направлении возрастания значения главного кван­тового числа.

18. Методы моделирования химических связей: метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.

Метод валентных связей

Простейшим является метод валентных связей (ВС), предложенный в 1916 г. американским физико-химиком Льюисом.

Метод валентных связей рассматривает химическую связь как результат притяжения ядер двух атомов к одной или нескольким общим для них электронным парам. Такая двухэлектронная и двухцентровая связь, локализованная между двумя атомами, называется ковалентной.

Принципиально возможны два механизма образования ковалентной связи:

1. Спаривание электронов двух атомов при условии противоположной ориентации их спинов;

2. Донорно-акцепторное взаимодействие, при котором общей становится готовая электронная пара одного из атомов (донора) при наличии энергетически выгодной свободной орбитали другого атома (акцептора).

IV - VII - большие периоды , т.к. состоят из двух рядов (четного и нечетного) элементов.

В четных рядах больших периодов располагаются типичные металлы. Нечетный ряд начинается металлом, затем металлические свойства ослабляются и нарастают свойства неметаллические, заканчивается период инертным газом.

Группа - это вертикальный ряд хим. элементов, объединенных по хим. свойствам.

Группа

главная подгруппа побочная подгруппа

В главную подгруппу входят В побочную подгруппу входят

элементы и малых, и больших элементы только больших периодов.

периодов.

H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Cu, Ag, Au

малые большие большие

Для элементов, объединенных в одну и ту же группу, характерны следующие закономерности:

1. Высшая валентность элементов в соединениях с кислородом (за некоторым исключением) соответствует номеру группы.

Элементы побочных подгрупп могут проявлять и другую высшую валентность. Например, Cu - элемент I группы побочной подгруппы - образует оксид Cu 2 O. Однако, наиболее распространенными являются соединения двухвалентной меди.

2. В главных подгруппах (сверху вниз) с увеличением атомных масс усиливаются металлические свойства элементов и ослабевают неметаллические.

Строение атома.

Долгое время в науке господствовало мнение, что атомы неделимы, т.е. не содержат более простых составных частей.

Однако, в конце XIX века был установлен ряд фактов, свидетельствовавших о сложном составе атомов и о возможности их взаимопревращений.

Атомы, представляют собой сложные образования, построенные из более мелких структурных единиц.

ядро

р + - протон

атом

n 0 - нейтрон

ē - электрон - вне ядра

Для химии большой интерес представляет строение электронной оболочки атома. Под электронной оболочкой понимают совокупность всех электронов в атоме. Число электронов в атоме равно числу протонов, т.е. порядковому номеру элемента, так как атом электронейтрален.

Важнейшей характеристикой электрона является энергия его связи с атомом. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слой .

Каждый хим. элемент в периодической системе был пронумерован.

Номер, который получает каждый элемент, называется порядковым номером .

Физический смысл порядкового номера:

1. Каков порядковый номер элемента, таков и заряд ядра атома.

2. Столько же электронов вращается вокруг ядра.

Z = р + Z - порядковый номер элемента

n 0 = А - Z

n 0 = А - р + А - атомная масса элемента

n 0 = А - ē

Например, Li.

Физический смысл номера периода.

В каком периоде находится элемент, столько электронных оболочек (слоев) он будет иметь.

Не +2
Li +3 Ве +4 В +5 N +7

Определение максимального числа электронов на одной электронной оболочке.

Периодический закон Д.И Менделеева.

Свойства химических элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости, от величины атомного веса.

Физический смысл периодического закона.

Физический смысл периодического закона заключается в периодичном изменении свойств элементов, в результате периодически повторяющихся e-ых оболочек атомов, при последовательном возрастании n.

Современная формулировка ПЗ Д.И Менделеева.

Свойство химических элементов, а также свойство образованных ими простых или сложных веществ находится в периодичной зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Периодическая система элементов.

Периодическая система – система классификаций химических элементов, созданная на основе периодического закона. Периодическая система – устанавливает связи между химическими элементами отражающие их сходства и различия.

Периодическая таблица(существует два вида: короткая и длинная) элементов.

Периодическая таблица элементов – графическое отображение периодической системы элементов, состоит из 7 периодов и 8 групп.

Вопрос 10

Периодическая система и строение электронных оболочек атомов элементов.

В дальнейшем было установлено, что не только порядковый номер элемента имеет глубокий физический смысл, но и другие понятия, ранее рассмотренные ранее также постепенно приобретали физический смысл. Например, номер группы, указывая на высшую валентность элемента, выявляет тем самым максимальное число электронов атома того или иного элемента, которое может участвовать в образовании химической связи.

Номер периода, в свою очередь, оказался связанным с числом энергетических уровней, имеющихся в электронной оболочке атома элемента данного периода.

Таким образом, например, „координаты" олова Sn (порядковый номер 50, 5 период, главная подгруппа IV группы), означают, что электронов в атоме олова 50, распределены они на 5 энергетических уровнях, валентными являются лишь 4 электрона.

Физический смысл нахождения элементов в подгруппах различных категорий чрезвычайно важен. Оказывается, что у элементов, расположенных в подгруппах I категории, очередной (последний) электрон располагается на s-подуровне внешнего уровня. Эти элементы относят к электронному семейству. У атомов элементов, расположенных в подгруппах II категории, очередной электрон располагается на р-подуровне внешнего уровня. Это, элементы электронного семейства „р". Так, очередной 50-й электрон у атомов олова располагается на р-подуровне внешнего, т. е. 5-го энергетического уровня.

У атомов элементов подгрупп III категории очередной электрон располагается на d-подуровне , но уже пред внешнего уровня, это элементы электронного семейства «d». У атомов лантаноидов и актиноидов очередной электрон располагается на f-подуровне, пред пред внешнего уровня. Это элементы электронного семейства «f».

Не случайно, следовательно, отмеченные выше числа подгрупп этих 4-х категорий, то есть 2-6-10-14, совпадают с максимальными числами электронов на подуровнях s-p-d-f.

Но можно, оказывается, решить вопрос о порядке заполнения электронной оболочки и вывести электронную формулу для атома любого элемента и на основе периодической системы, которая с достаточной ясностью указывает уровень и подуровень каждого очередного электрона. Периодическая система указывает и на размещение одного за другим элементов по периодам, группам, подгруппам и на распределение их электронов по уровням и подуровням, потому что каждому элементу соответствует свой собственный, характеризующий его последний электрон. В качестве примера разберем составление электронной формулы для атома элемента циркония (Zr). Периодическая система дает показатели и „координаты" этого элемента: порядковый номер 40, период 5, группа IV, побочная подгруппа. Первые выводы: а) всех электронов 40, б) эти 40 электронов распределены на пяти энергетических уровнях; в) из 40 электронов только 4 являются валентными, г) очередной 40-й электрон поступил на d-подуровень пред внешнего, т. е. четвертого энергетического уровня. Подобные выводы можно сделать о каждом из 39 элементов, предшествующих цирконию, только показатели и координаты будут каждый раз иными.

Вариант 1

А1. Каков физический смысл номера группы таблицы Д.И.Менделеева?

2.Это заряд ядра атома

4.Это число нейтронов в ядре

А2. Чему равно число энергетических уровней?

1. Порядковому номеру

2. Номеру периода

3. Номеру группы

4. Числу электронов

А3.

2. Это число энергетических уровней в атоме

3. Это число электронов в атоме

А4. Укажите число электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме фосфора:

1. 7 электронов

2. 5 электронов

3. 2 электрона

4. 3 электрона

А5. В каком ряду расположены формулы гидридов?

1. H 2 O, CO, C 2 H 2 , LiH

2. NaH, CH 4 , H 2 O, CaH 2

3. H 2 O, C 2 H 2 , LiH, Li 2 O

4. NO, N 2 O 3 , N 2 O 5 , N 2 O

A 6. В каком соединении степень окисления азота равна +1?

1. N 2 O 3

2. NO

3. N 2 O 5

4. N 2 O

А7. Какое соединение соответствует оксиду марганца (II):

1. MnO 2

2. Mn 2 O 7

3. MnCl 2

4. MnO

А8. В каком ряду расположены только простые вещества?

1. Кислород и озон

2. Сера и вода

3. Углерод и бронза

4. Сахар и соль

А9. Определите элемент, если в его атоме 44 электрона:

1. кобальт

2. олово

3. рутений

4. ниобий

А10. Что имеет атомную кристаллическую решетку?

1. иод

2. германий

3. озон

4. белый фосфор

В1. Установите соответствие

Число электронов на внешнем энергетическом уровне атома

Символ химического элемента

А. 3

Б. 1

В. 6

Г. 4

1) S 6) C

2) Fr 7) He

3) Mg 8) Ga

4) Al 9) Te

5) Si 10) K

В2. Установите соответствие

Название вещества

Формула вещества

А . Оксид серы (VI)

Б. Гидрид натрия

В. Гидроксид натрия

Г . Хлорид железа (II)

1) SO 2

2) FeCl 2

3) FeCl 3

4) NaH

5) SO 3

6) NaOH

Вариант 2

А1. Каков физический смысл номера периода таблицы Д.И.Менделеева?

1.Это число энергетических уровней в атоме

2.Это заряд ядра атома

3.Это число электронов на внешнем энергетическом уровне атома

4.Это число нейтронов в ядре

А2. Чему равно число электронов в атоме?

1. Порядковому номеру

2. Номеру периода

3. Номеру группы

4. Числу нейтронов

А3. Каков физический смысл порядкового номера химического элемента?

1. Это число нейтронов в ядре

2. Это заряд ядра атома

3. Это число энергетических уровней в атоме

4. Это число электронов на внешнем энергетическом уровне атома

А4. Укажите число электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме кремния:

1. 14 электронов

2. 4 электрона

3. 2 электрона

4. 3 электрона

А5. В каком ряду расположены формулы оксидов?

1. H 2 O, CO, C О 2 , Li О H

2. NaH, CH 4 , H 2 O, CaH 2

3. H 2 O, C 2 H 2 , LiH, Li 2 O

4. NO, N 2 O 3 , N 2 O 5 , N 2 O

A 6. В каком соединении степень окисления хлора равна -1?

1. Cl 2 O 7

2. HClO

3. HCl

4. Cl 2 O 3

А7. Какое соединение соответствует оксиду азота (II I ):

1. N 2 O

2. N 2 O 3

3. NO

4. H 3 N

А8. В каком ряду расположены простое и сложное вещества?

1. Алмаз и озон

2. Золото и углекислый газ

3. Вода и серная кислота

4. Сахар и соль

А9. Определите элемент, если в его атоме 56 протонов:

1. железо

2. олово

3. барий

4. марганец

А10. Что имеет молекулярную кристаллическую решетку?

алмаз

кремний

горный хрусталь

бор

В1. Установите соответствие

Число энергетических уровней в атоме

Символ химического элемента

А . 5

Б . 7

В . 3

Г . 2

1) S 6) C

2) Fr 7) He

3) Mg 8) Ga

4) B 9) Te

5) Sn 10) Rf

В2. Установите соответствие

Название вещества

Формула вещества

А. Гидрид углерода (I V)

Б. Оксид кальция

В. Нитрид кальция

Г. Гидроксид кальция

1) H 3 N

2) Ca(OH) 2

3) KOH

4) CaO

5) CH 4

6) Ca 3 N 2

1. Укажите название элемента, его обозначение. Определите порядковый номер элемента, номер периода, группу, подгруппу. Укажите физический смысл параметров системы – порядкового номера, номера периода, номера группы. Обоснуйте положение в подгруппе.

2. Укажите количество электронов, протонов и нейтронов в атоме элемента, заряд ядра, массовое число.

3. Составьте полную электронную формулу элемента, определите электронное семейство, отнесите простое вещество к классу металлов или неметаллов.

4. Изобразите графически электронную структуру элемента (или двух последних уровней).

5. Графически изобразите все возможные валентные состояния.

6. Укажите число и тип валентных электронов.

7. Перечислите все возможные валентности и степени окисления.

8. Напишите формулы оксидов и гидроксидов для всех валентных состояний. Укажите их химический характер (подтвердите ответ уравнениями соответствующих реакций).

9. Приведите формулу водородного соединения.

10. Назовите область применения данного элемента

Решение. В ПСЭ элементу с порядковым номером 21 соответствует скандий .

1. Элемент находится в IV периоде. Номер периода означает число энергетических уровней в атоме этого элемента, у него их 4. Скандий расположен в 3-й группе – на внешнем уровне 3-го электрона; в побочной подгруппе. Следовательно, его валентные электроны находятся на 4s- и 3d-подуровнях. Порядковый номер численно совпадает с зарядом ядра атома.

2. Заряд ядра атома скандия +21.

Число протонов и электронов – по 21.

Число нейтронов А–Z = 45 – 21 = 24.

Общий состав атома: ().

3. Полная электронная формула скандия:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 .

Электронное семейство: d-элемент, так как в стадии заполнения
d-ор­би­тали. Электронное строение атома заканчивается s-электрона­ми, поэтому скандий проявляет металлические свойства; простое вещество – металл.

4. Электронно-графическая конфигурация имеет вид:

5. Возможные валентные состояния, обусловленные числом неспаренных электронов:

– в основном состоянии:

– у скандия в возбужденном состоянии электрон с 4s-орбитали перейдет на свободную 4p-орбиталь, один неспаренный d-электрон увеличивает валентные возможности скандия.

Sc имеет в возбужденном состоянии три валентных электрона.

6. Возможные валентности в данном случае определяются числом неспаренных электронов: 1, 2, 3 (или I, II, III). Возможные степени окисления (отражают число смещенных электронов) +1, +2, +3 (так как скандий – металл).

7. Наиболее характерная и устойчивая валентность III, степени окисления +3. Наличие лишь одного электрона в d-состоянии обусловливает малую устойчивость 3d 1 4s 2 -конфигурации.

Скандий и его аналоги, в отличие от других d-элементов проявляет постоянную степень окисления +3, это высшая степень окисления и соответствует номеру группы.

8. Формулы оксидов и их химический характер:

форма высшего оксида – (амфотерный);

формулы гидроксидов: – амфотерный.

Уравнения реакций, подтверждающих амфотерный характер оксидов и гидроксидов:

(скандат лития),

(хлорид скандия),

(гексагидроксоскандиат (III) калия),

(сульфат скандия).

9. Соединения с водородом не образует, так как находится в побочной подгруппе и является d-элементом.

10. Соединения скандия применяются в полупроводниковой технике.

Пример 2. У какого из двух элементов, марганца или брома, сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Данные элементы находятся в четвертом периоде. Записываем их электронные формулы:

Марганец – d-элемент, т. е. элемент побочной подгруппы, а бром –
р-элемент главной подгруппы этой же группы. На внешнем электронном уровне у атома марганца только два электрона, а у атома брома – семь. Радиус атома марганца меньше радиуса атома брома при одинаковом числе электронных оболочек.

Общей закономерностью для всех групп, содержащих р- и d-эле­мен­ты является преобладание металлических свойств у d-элементов.
Таким образом, у марганца металлические свойства выражены сильнее, чем у брома.