Електронні сімейства елементів
Належність елемента до електронного сімейства визначається характером заповнення енергетичних підрівнів:
s- елементи - заповнення зовнішнього s - підрівні при наявності на предвнешнего рівні двох або восьми електронів, наприклад:
s-елементи є активними металами, характерні ступені окислення яких чисельно дорівнюють кількості електронів на останньому рівні:
+1 для лужних металів і +2 для елементів другої групи
р- елементи - заповнення зовнішнього p- підрівні, наприклад:
F 1s 2 2s 2 2p5
Елементи від В до Ne включно утворюють першу серію p-елементів (елементи головних підгруп), в атомах яких найбільш віддалені від ядра електрони розташовуються на другому підрівні зовнішнього енергетичного рівня.
d- елементи - заповнення предвнешнего d- підрівня, наприклад:
V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d3
d- елементи відносяться до металів.
f- елементи - заповнення f- підрівні другого зовні рівня, наприклад:
N d 1s 2 2s 2 2p 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f4
f- елементи - це елементи сімейств актиноидов і лантаноїдів.
Квантова механіка, порівнюючи електронні конфігурації атомів приходить до наступних теоретичних висновків:
1. Будова зовнішньої оболонки атома є періодичною функцією зарядового числа атома Z.
2. Оскільки хімічні властивості атома визначаються будовою зовнішньої оболонки, з попереднього пункту випливає: хімічні властивості елементів перебувають у періодичній залежності від заряду ядра.
Контрольні питання
1. Ядерна модель будови атома. Ізотопи (радіонукліди).
2. Квантово - механічна модель будови атома.
3. Квантові числа (головне, орбітальне, магнітне, спінове).
4. Будова електронних оболонок атомів. Принцип Паулі. Принцип найменшої енергії. Правило Гунда.
5. Електронно-структурні формули атомів. Гібридизація атомних орбіталей.
6. Характеристики атома. Атомний радіус. Електронегативність. Спорідненість до електрону. Енергія іонізації. S, p, d, f - електронні семейтсва атомів.
Типові завдання
Завдання № 1. Радіуси іонів Na + і Cu + однакові (0,098 нм). Пояснити відмінність температур плавлення хлориду натрію (801 ° С) і хлориду міді (I) (430 ° С).
При однакових зарядах і розмірах іонів Na + і Cu +, іон Cu + має 18 - електронну зовнішню оболонку і більш сильно поляризує аніон Cl -. ніж іон Na +. володіє електронною структурою благородного газу. Тому в хлориде міді (I) в результаті поляризації з аниона на катіон переноситься більш значна частина електричного заряду, ніж в хлориде натрію. Ефективні заряди іонів в кристалі CuCl стають менше, ніж NaCl, а електростатичне взаємодія між ними - більш слабке. Цим пояснюється більш низька температура плавлення CuCl в порівнянні з NaCl, кристалічна решітка якого близька до чисто іонного типу.
Завдання №2. Як позначається стан електрона а) з n = 4, L = 2; б) з n = 5, L = 3.
Рішення: При записи енергетичного стану цифрою вказують номер рівня (n), а буквою - характер підрівні (s, p, d, f). При n = 4 і L = 2 записуємо 4d; при n = 5 і L = 3 записуємо 5f.
Завдання № 3. Скільки всього орбіталей відповідає третьому енергетичному рівню? Скільки електронів на цьому рівні? На скільки підрівнів розщеплюється цей рівень?
Рішення: Для третього енергетичного рівня n = 3, кількість атомних орбіталей 9 (3 2), що
є сумою 1 (s) +3 (p) +5 (d) = 9. За принципом Паулі кількість електронів на цьому рівні 18. Третій енергетичний рівень розщеплюється на три підрівні: s, p, d (кількість підрівнів збігається з числом значень головного квантового числа).
Завдання №4. На які електронні сімейства класифікуються хімічні елементи?
Рішення: Всі хімічні елементи можна класифікувати в залежності від характеру заповнюваних підрівнів на 4 типи:
s-елементи-заповнюють електронами ns підрівень;
p-елементи -заполняют електронами np підрівень;
d-елементи-заповнюють електронами (n-1) d підрівень;
f-елементи -заполняют електронами (n-2) f підрівень;
Завдання № 5. Який підрівень заповнюється в атомі електронами після заповнення підрівні: а) 4р; б) 4s
Рішення: А) подуровню 4р відповідає сума (n + 1), що дорівнює 4 + 1 = 5. Такий же сумою характеризуються підрівні 3d (3 + 2 = 5) і 5s (5 + 0 = 5). Однак станом 3d відповідає менше значення n (n = 3), ніж станом 4р, тому підрівень 3d буде заповнюватися раніше, ніж підрівень 4р. Отже, після заповнення підрівні 4р буде заповнюватися підрівень 5s, якому відповідає на одиницю більше значення n (n = 5).
Б) подуровню 4s відповідає сума n + 1 = 4 + 0 = 4. Такий же сумою n + 1 характеризується підрівень 3р, але заповнення цього підрівня передує заповнення підрівні 4s, тому що останньому відповідає більше значення головного квантового числа. Отже, після підрівня 4s буде заповнюватися підрівень з сумою (n + 1) = 5, причому з усіх можливих комбінацій n + l, які відповідають цій сумі (n = 3, l = 2; n = 4; l = 1; n = 5 ; l = 0), першою буде реалізуватися комбінація з найменшим значенням головного квантового числа, тобто слідом за подуровнем 4s буде заповнюватися підрівень 3d.
Висновок: таким чином, заповнення підрівні d відстає на один квантовий рівень, заповнення підрівні f відстає на два квантових рівня.
Для написання електронної формули елемента необхідно: арабською цифрою вказати номер енергетичного рівня, написати буквене значення підрівні, кількість електронів записати у вигляді показника ступеня.
Наприклад: 26 Fe 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6
Електронна формула складена з урахуванням конкуренції підрівнів, тобто правила мінімуму енергії. Без врахування останнього електронна формула буде записуватися. 26 Fe 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2.
Завдання № 6. Електронна структура атома описується формулою 1s22s22p63s23d74s2. Який це елемент?
Рішення: Цей елемент належить до електронного типу d-елементів 4 періоди. тому відбувається забудова електронами 3d-підрівня; число електронів 3d 7 свідчить про те, що це сьомий елемент по порядку. Загальна кількість електронів 27, значить порядковий номер 27. Цей елемент кобальт.