Строение атома и периодический закон




Контрольные вопросы

1. Какие модели предшествовали квантово-механической теории строения атома?

2. Как открытия Планка, Бора, де Бройля, Гейзенберга способствовали созданию современной теории строения атома?

3. Сформулируйте основные положения квантово-механической модели строения атома (орбиталь, квантовые числа, их значения и физический смысл).

4. Сформулируйте принципы заполнения атомных орбиталей электронами (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Гунда, правила Клечковского).

5. Дайте современную формулировку периодического закона Д.И. Менделеева. Объясните физический смысл порядкового номера элемента.

6. Опишите строение периодической системы элементов (периоды, ряды, группы, подгруппы). Объясните физический смысл номера периода, группы.

7. Объясните причину периодичности свойств атомов элементов.

8. Охарактеризуйте особенности электронного строения элементов s-, p-, d-, f- семейств, их положение в системе. Дайте определение аналогов.

9. Охарактеризуйте изменение свойств элементов в периодах и группах.

10. Чем характеризуются окислительно-восстановительные свойства элементов, как они изменяются в периодах и группах?

Примеры выполнения упражнений и решения задач

Пример 1. Составьте полные электронные формулы атомов элементов №34 и № 72. Укажите электронное семейство, приведите графическую формулу валентного электронного уровня

 

Положение элемента в системе Строение атома
Порядковый номер   Заряд ядра +34
    Общее число электронов  
Период IV Число энергетических уровней  
Группа VI Число валентных электронов  
Подгруппа Гл.,А Число электронов на внешнем уровне  
    Из них на подуровне s  
    На подуровне p  

34Se 1s22s22p63s23p63d104s24p4, p – семейство

4s 4 p
­¯ ­¯ ­ ­

Валентный уровень атома селена.

 

Положение элемента в системе Строение атома
Порядковый номер   Заряд ядра +72
    Общее число электронов  
Период VI Число энергетических уровней  
Группа IV Число валентных электронов  
Подгруппа Поб.,Б Из них на внешнем s-подуровне  
    На предвнешнем d-подуровне  

72Hf 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d26s2, d – семейство

    5d     6s
¯ ¯       ¯­

Валентный уровень атома Hf

Для элементов побочных подгрупп I, II и, частично, VIII группы число d-электронов предвнешнего слоя нельзя рассчитать по формуле (№ гр-2), т.к. №1 и №2 £ 2, а в VIII Б подгруппе элементы расположены триадами, и только для первого элемента триады число электронов на предвнешнем d-подуровне равно 6 (8-2), а у последующих соответственно d7 и d8.

Наиболее устойчивы для d-элементов состояния d5 и d10. Этим объясняется «провал» s-электрона внешнего уровня на d-подуровень предвнешнего слоя, когда теоретически валентная структура атома должна быть (n-1)d4ns2, а наблюдается (n-1)d5ns1 (Cr, Mo), или предполагается

(n-1)d9 ns2, а практически (n-1)d10ns1 (Cu, Ag, Au).

Пример 2. Укажите порядковые номера, химические знаки и знаки аналогов элементов, атомы которых имеют следующие валентные электронные структуры: 4s24p1, 5d66s2.

Строение валентного уровня атома: 4s24p1 Положение элемента в периодической системе
Число энергетических уровней Число валентных электронов Электронное семейство   2+1=3p Период Группа Подгруппа Порядковый номер Химический элемент IV III Гл, А Ga, галлий
       

Аналоги: B, Al, In, Tl.

Строение валентного уровня атома: 5d66s2 Положение элемента в периодической системе
Число энергетических уровней Число валентных электронов Электронное семейство   6+2=8 d   Период Группа Подгруппа Порядковый номер Химический элемент VI VIII Поб.,Б Os, осмий
       

Аналоги: Fe, Ru.

Пример 3. Укажите элемент и количество нейтронов в ядре его атома, исходя из электронного строения его иона: Э3+ – 5d56s0.

Решение: В электронной конфигурации указанного иона недостаток 3-х электронов. Эти электроны у атома элемента размещаются на s-подуровне внешнего шестого уровня и на d-подуровне предвнешнего энергетического уровня, т.е. элемент относится к d-семейству. На s-подуровне может находиться 2 электрона, а третий из недостающих электронов должен быть на d-подуровне. Таким образом, электронная формула атома: 5d66s2. Далее находим элемент, анализируя его электронную формулу, как показано в примере 2.

Указанная электронная формула уже анализировалась выше, она принадлежит атому осмия.

Осмий имеет заряд ядра + 76, т.е количество протонов в ядре – 76, их общая масса – 76. Относительная атомная масса Os – 190 (см. периодическую систему). Масса атома равна массе ядра (масса электронов пренебрежительно мала), и складывается из массы протонов и нейтронов. Таким образом, масса нейтронов равна разности масс атома (А) и протонов (р). Поскольку масса нейтрона также как масса протона равна 1, то количество нейтронов(n) в ядре численно равно их массе:

n=A – p; n(Os)=190 – 76 =114.

Ответ: в ядре атома осмия 114 нейтронов.

Пример 4. Сравните теллур с двумя соседними элементами в периоде и электронными аналогами в подгруппе по следующим характеристикам: радиусу атома (r), энергии ионизации (ЭИ), энергии сродства к электрону (ЭСЭ), относительной электроотрицательности (ОЭО), металличности, окислительным и восстановительным свойствам, характеру высшего оксида и гидроксида.

Характеристика Se – Te - Po Sb – Te - I
r ®  
ЭИ   ®
ЭСЭ   ®
ОЭО   ®
Металлические свойства ®  
Восстановительные свойства ®  
Неметаллические свойства   ®
Окислительные свойства   ®
Кислотные свойства высшего оксида и гидроксида   ®

(Стрелка указывает направление возрастания)

Формула высшего оксида – TeO3. Характер кислотный.

Формула гидроксида – Н2ТеО4 - телуровая кислота.

Пример 5. Напишите значения всех квантовых чисел формирующего электрона атома элемента № 76.

Решение: Осмий имеет валентную структуру – 5d66s2. Составим электронографическую формулу валентного слоя атома осмия:

    5d     6s
¯­ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯­
ml=-2 -1       ml=0

Формирующим электроном в атоме осмия является шестой электрон 5d-подуровня.

Главное квантовое число равно номеру энергетического уровня, на котором находится электрон, следовательно n=5.

Орбитальное квантовое число для d-электронов l=2.

Т.к. электрон находится в первой ячейке d-подуровня, магнитное квантовое число ml=-2

Т.к. этот электрон заполняет ячейку вторым, то его спиновое число ms=-1/2.

 

Задания для самостоятельной работы

Задание 1. Составьте полные электронные формулы элементов. Укажите электронное семейство, приведите графическую формулу валентного слоя:

№ варианта                
№№ элементов 16,40 51,25 7,27 6,45 4,74 19,24 33,45 50,75
№ варианта              
№№ элементов 8,47 35,80 5,73 13,26 15,21 53,22 83,39

Задание 2. Укажите порядковый номер, химический знак и химические знаки аналогов элемента, атом которого имеет следующую валентную электронную структуру:

№ варианта              
Электронные структуры 6s26p3 2s22p4 4d15s2 5s25p5 4s24p5 2s22p4 3s23p3
№ варианта              
Электронные структуры 3s23p1 4s24p3 5s25p3 3d54s2 2s22p3 3s23p4 3d34s2
№ варианта              
Электронные структуры 4d25s2            

Задание 3. Сравните указанный химический элемент с двумя соседними в периоде и с двумя ближайшими электронными аналогами в подгруппе по следующим характеристикам: радиусу атомов, энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности, металличности, окислительно-восстановительным свойствам, характеру высшего оксида и гидроксида.

№ вар                              
Эл-нт Mg Pb In Sn Ca Si As Al S Sb Sr Ge P Se Ga

Задание 4. Укажите элемент и количество нейтронов в ядре его атома, исходя из электронного строения его иона:

№ варианта                
ион Э3+ Э3+ Э1- Э3+ Э2+ Э3+ Э4+ Э3+
электронная структура 3s2 3d54s0 3s23p6 3s23p2 3d64s0 3d64s0 4d05s0 4d25s0
№ варианта              
ион Э2+ Э2+ Э4+ Э2- Э3+ Э3+ Э3-
электронная структура 4s0 3d74s0 3d34s0 4s24p6 4d45s0 4d05s0 2s22p6

Задание 5*. Напишите значения всех квантовых чисел формирующего электрона атома элемента №:

№ варианта                
№ элемента                
№ варианта              
№ элемента              

 

Тестовые задания для самоконтроля

1. Заполнение энергетических уровней электронами в атоме идет в порядке увеличения энергии уровней – это:

1) Принцип наименьшей энергии;

2) Принцип Паули;

3) Правило Гунда.

2. Формула высшего оксида элемента, образующего водородное соединение ЭН2, имеет вид:

1) ЭО4;

2) ЭО;

3) ЭО3.

3. Укажите квантовое число, описывающие форму орбитали:

1) l;

2) n;

3) ml.

4. Номер периода системы Менделеева, в котором находится элемент, указывает на…

1) количество валентных электронов в атоме данного элемента;

2) количество энергетических уровней в атоме, заполненных электронами;

3) количество валентных электронов на внешнем уровне атома элемента.

5. Номер группы, в которой находится элемент, указывает на…

1) количество валентных электронов в атоме данного элемента;

2) количество энергетических уровней в атоме, заполненных электронами;

3) количество валентных электронов на внешнем уровне атома элемента.

6. Аналогами элемента Fe являются:

1) Co, Ni;

2) Kr, Ru, Xe, Os, Rn;

3) Ru, Os.

7. Областьпространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона – это:

1) орбита;

2) орбиталь;

3) подуровень.

8. Энергию и размеры орбиталей определяет…

1) главное квантовое число;

2) орбитальное квантовое число;

3) спиновое квантовое число

9. Собственный механический момент движения электрона характеризует …

1) главное квантовое число;

2) орбитальное квантовое число;

3) спиновое квантовое число.

10. Валентный электронный уровень 2s2p2 имеет атом…

1) углерода;

2) бора;

3) азота.

Ключи к тестовым заданиям

№ вопроса                    
№ ответа                    

Химическая связь

Контрольные вопросы

1. Дайте определение химической связи. Перечислите виды химической связи.

2. Охарактеризуйте такие свойства ковалентной связи как длина, прочность, полярность, поляризуемость.

3. Чем объясняется направленность ковалентной связи? Изложите основные положения теории гибридизации атомных орбиталей Л. Полинга.

4. Охарактеризуйте σ-, π-, δ-связь и механизм образования кратных связей.

5. Охарактеризуйте обменный и донороно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи.

6. Опишите свойства ионной связи и строение ионной кристаллической решетки.

7. Объясните особенности металлической связи и строение кристаллической решетки металлов.

8. Сформулируйте основные положения метода валентных связей В.Гейтлера и Ф. Лондона.

9. Сформулируйте основные понятия метода молекулярных орбиталей (молекулярные орбитали, связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали, порядок связи).

10. Охарактеризуйте силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса, водородная связь).

Примеры выполнения заданий

Пример 1. Укажите тип химической связи в соединениях: I2, Cs2O, CH4.

Решение: тип химической связи определяется степенью ее полярности, которая зависит от разности относительных электроотрицательностей атомов, образующих связь (DОЭО).

I2 – связь между атомами йода осуществляется перекрыванием р -облаков. Т.к. атомы, образующие связь, одинаковы, имеют одинаковую относительную электроотрицательность (ОЭО), общее электронное облако в равной степени принадлежит обоим атомам. Связь – ковалентная неполярная.

Cs2O – связь между атомом цезия и атомом кислорода ионная, т.к. ее образуют типичный металл и типичный неметалл. DОЭО=3,5-0,7=2,8 (см. табл.2). Электрон от атома металла переходит к атому кислорода, обладающему большим значением ОЭО.

СН4 – связи в молекуле ковалентные полярные, поскольку атомы углерода и водорода отличаются по электроотрицательности незначительно (DОЭО=2,5-2,1=0,4). Общее электронное облако связи С-Н смещено к углероду.

Пример 2. Расположите связи Cs-H, Ba-H, а также Ge-F, Si-F, C-F, Sn-F в порядке возрастания их длины (d), укажите, как изменяется в этих рядах прочность (Есв), полярность (DОЭО), и поляризуемость связи.

Связь Характеристика связи
Длина Энергия Полярность Поляризуемость
Ba – H Cs - H ¯ ­ ¯ ¯
C – F Si – F Ge – F Sn – F   ¯   ­   ­   ¯

 

Пример 3. Пользуясь методом валентных связей, проведите анализ химической связи в соединениях а) H3PO4, б) C2H2.

Предлагаем следующую последовательность выполнения задания:

1. Определите степень окисления атомов элементов по химической формуле соединения.

2. Постройте графические формулы валентного электронного уровня атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, оцените их валентные возможности.

3. Постройте графическую формулу молекулы вещества и оцените ее достоверность с учетом валентных возможностей всех атомов, входящих в состав соединения. Обозначьте s и p-связи.

4.Определите координационное число центрального атома по числу образованных им s-связей, укажите его ковалентность.

5. Укажите тип гибридизации орбиталей центрального атома (если она имеет место в данном соединении). Для этого в соответствии с числом -связей атома отделите на графической формуле его валентного слоя необходимое число орбиталей, начиная с s- орбитали. Так, если атом образует две -связи, то при этом происходит sp –гибридизация; РР три -связи осуществляются тремя гибридными sp2 –орбиталями, четыре – четырьмя sp3- орбиталями и т.д. Каждому типу гибридизации атомных орбиталей соответствует определенный валентный угол и пространственное строение частицы. Укажите их.

6. Определите орбитали центрального атома, идущие на образование -связей. Это негибридизованные p- или d- орбитали с неспаренными электронами, оставшиеся после образования -связей.

7. На графической формуле вещества обозначьте орбитали атомов, участвующие в образовании каждой связи.

а) H3+P+5O4-2

В соответствии со степенью окисления атома фосфора от него оттянуто пять электронов к атомам более электроотрицательного элемента (кислорода). Чтобы образовать пять химических связей, атом фосфора должен иметь пять неспаренных электронов.Это возможно при переходе одного s-электрона на свободную d-орбиталь (возбужденное состояние атома, Р*).

 

  1s     2s   2p  
Н ¯   O ¯­ ¯­ ¯ ¯

 

  3s   3p       3d         3s   p       d    
P ¯­ ¯ ¯ ¯             P* ¯ ¯ ¯ ¯ ¯        

Составим графическую формулу фосфорной кислоты.

Из формулы следует, что координационное число атома фосфора равно 4, так как он образует 4 σ-связи. Для этого необходимы 4 орбитали. Близкие по энергии одна s- и три р-орбитали валентного слоя выравниваются по форме и энергии – гибридизуются, образуя 4sp3-гибридных орбитали, направленные в пространстве под углом 109о28’, в результате чего фосфат-ион имеет форму тетраэдра.

Негибридизованная одноэлектронная d-орбиталь атома фосфора образует p-связь с р-орбиталью атома кислорода за счет бокового перекрывания.

Атомы кислорода и водорода образуют химические связи перекрыванием соответственно p и s-облаков с орбиталями соседних атомов.

Итак, в молекуле Н3РО4 центральный атом фосфора имеет:

степень окисления +5;

валентность 5;

координационное число 4;

тип гибридизации sp3.

б)

  2s   2p       2s   2p  
C ¯­ ¯ ¯     C* ¯ ¯ ¯ ¯

 

Известно, что во всех органических соединениях углерод четырехвалентен.

Следовательно, графическая формула ацетилена имеет вид:

Из трех связей между атомами углерода лишь одна s, а две -p. Каждый атом углерода образует по две s-связи (одну с атомом углерода, другую – с атомом водорода). Координационное число атома углерода равно двум, тип гибридизации – sp, валентный угол (<НСС) – 180о, молекула линейна.

Итак, в молекуле С2Н2 атомы углерода имеют:

степень окисления –1;

валентность 4;

координационное число 2;

тип гибридизации sp.

 

Пример 4. Предположите возможность существования частиц Li2+ и NO с позиций метода молекулярных орбиталей. Приведите электронные формулы этих частиц, оцените их прочность.

Li2+ - каждый атом лития содержит 3е-, катион Li2+ должен содержать 5е- и его электронная формула в соответствии с порядком заполнения молекулярных орбиталей имеет следующий вид:

Li2+[(sсв1s)2(sразр1s)2(sсв2s)1]

Для оценки прочности связи рассчитывают ее кратность (w). Она равна полуразности чисел электронов, находящихся на связывающих и на разрыхляющих орбиталях.

w(Li2­+)

Кратность связи меньше 1, прочность связи мала, не велика и вероятность существования катиона Li2+.

NO: Se-=7+8=15

NO [(sсв1s)2(sразр1s)2(sсв2s)2(sразр2s)2(pсв2py=pсв2pz)4(sсв2px)2(pразр2py)1

w(NO)= , молекула NO достаточно прочная.

 

Задания для самостоятельного выполнения

Задание 1. Укажите тип химической связи в соединениях:

№ вар Соединения № вар Соединения
  MgCl2, N2, PCl5, HCl   CsI, NH3, Cl2, CaO
  H2O, I2, BaCl2, AlF3   Na2O, HI, O2, KBr
  Al2O3, H2S, CO2, F­2   NaI, CO2, Br2, BaO
  SO2, CaBr2, S2, BI3   CH4, BBr3, CaCl2, P2
  Rb2O, PH3, NO, Cl2   NH3, K2O, SiO2, N2
  KCl, HBr, P2, Na2S   AlF3, H2S, Cr2O3, I2
  SiH4, KI, N2, BeO   NaCl, MgO, CCl4, O2
  BaF2, Br2, PCl3, SrO

Задание 2. Расположите указанные химические связи в порядке возрастания их…

№ варианта Свойства связи Химические связи
  прочности полярности H-Se, H-S, H-Te, H-O Be-F, B-F, C-F
  прочности длины H-I, H-F, H-Cl, H-Br C=C, C-C, CºC
  полярности длины H-Cl, H-P, H-Si, H-S H-S, H-Te, H-Se
  поляризуемости прочности H-Cl, H-F, H-I, H-Br P-H, As-H, N-H, Sb-H
  прочности длины C=C, C-C, CºC B-F, Al-F, Ga-F, In-F
  длины полярности Na-H, Al-H, Mg-H, Si-H Be-Cl, Ca-Cl, Mg-Cl, Sr-Cl
  длины полярности P-H, As-H, N-H, Sb-H Mg-H, Al-H, Na-H, Si-H
  длины прочности Al-F, Ga-F, B-F, In-F N-H, O-H, F-H, C-H
  длины прочности H-Br, H-I, H-F, H-Cl S-H, Si-H, P-H, Cl-H
  поляризуемости прочности H-Se, H-S, H-O, H-Te Br-H, Ge-H, As-H, Se-H
  прочности поляности As-H, N-H, P-H, Sb-H H-Br, H-I, H-F, H-Cl
  прочности полярности Ca-F, Mg-F, Be-F, Sr-F C-H, F-H, O-H, N-H
  длины полярности Be-F, Mg-F, Ca-F, Sr-F H-Te, H-S, H-O, H-Se
  прочности полярности Li-H, B-H, Be-H, C-H Ba-I, Mg-I, Be-I, Sr-I
  полярности длины K-F, Li-F, Na-F, Rb-F O-H, N-H, F-H, C-H

Задание 3. В соединениях, формулы которых приведены в таблице, а) укажите степень окисления атомов, б) приведите графические формулы валентного слоя атомов, в) составьте графическую формулу молекулы с учетом валентных возможностей атомов, г) обозначьте s и p-связи, д) укажите, перекрыванием каких электронных облаков они образованы, е) укажите тип гибридизации орбиталей центрального атома (если таковая имеет место) и пространственную конфигурацию молекулы:

№ вар                
В-ва H2SeO4 BeCl2 H2CO3 GeCl4 H2SO4 BCl3 HPO3 BeBr2 SF6 SiH4 H3AsO4 BeF2 NH4+, CS2 SiCl4 CO2
№ вар              
В-ва CH3OH N2 H4P2O7 PH3 H4SiO4 C2H4 HCOH CF4 CH4 SnO2   GeCl4 BF3 HCOOH CCl4

Задание 4*. Составьте энергетические диаграммы распределения электронов по молекулярным орбиталям реальных или гипотетических частиц, формулы которых указаны в таблице, оцените прочность этих частиц.

№ вар                
частицы F2-,CO C2,H2 Ne2+,Li2 O2,H2+ NO+,B2 F2-,Na2+ N2+,He2+ O2+,H2
№ вар              
частицы O2-,He2 F2-,N2 F2,CO- He2+, NO- N2+2,Ne2 Na2+,O22- O2+, Na2
                       

 

Тестовые задания для самоконтроля

1. В какой строке приведены формулы веществ только с ковалентной полярной связью?

1) KCl, HCl, SO2;

2) Br2, CO2, Cl2O7;

3) HCl, CH4, P2O5.

2. Укажите строку, в которой связи расположены в порядке увеличения их прочности:

1) С-С, С=С, СºС;

2) СºС,С=С, С-С;

3) СºС,С-С, С=С.

3. Укажите гибридизацию центрального атома серы в молекуле H2SO4:

1) sp;

2) sp2;

3) sp3.

4. Укажите связи, расположенные в порядке увеличения поляризуемости:

1) H-F, H-I, H-Br, H-Cl;

2) H-Br, H-F, H-I, H-Cl;

3) H-F, H-Cl, H-Br, H-I.

5. Укажите связи, расположенные в порядке увеличения их длинны:

1) H-F, H-I, H-Br, H-Cl;

2) H-Br, H-F, H-I, H-Cl;

3) H-F, H-Cl, H-Br, H-I;

6. Укажите связи, расположенные в порядке увеличения их прочности:

1) H-I, H-Br, H-Cl, H-F

2) H-Br, H-F, H-I, H-Cl;

3) H-F, H-Cl, H-Br, H-I.

7. Укажите связи, расположенные в порядке увеличения их полярности:

1) H-I, H-Br, H-Cl, H-F

2) H-Br, H-F, H-I, H-Cl;

3) H-F, H-Cl, H-Br, H-I.

8. В какой строке приведены соединения только с ионным типом связи?

1) KCl, CO, BaO;

2) CaCl2, NH3, HCl;

3) CaO, SrCl2, NaF.

9. Какая связь характеризуется наличием делокализованных электронов?

1) ковалентная неполярная;

2) ковалентная полярная;

3) металлическая.

10. Химическая связь характеризуемая ненасыщаемостью и ненаправленностью – это:

1) ковалентная неполярная;

2) ионная;

3) металлическая.

 

Ключи к тестовым заданиям

№ вопроса                    
№ ответа                    

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-07 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: