Электронные слои таблица. Электронная конфигурация атома. Примеры решения задач

Условное изображение распределения электронов в электронном облаке по уровням, подуровням и орбиталям называется электронной формулой атома .

Правила, на основе|основании| которых|каких| составляют|сдают| электронные формулы

1. Принцип минимальной энергии : чем меньший запас энергии имеет система, тем более стойкой она является.

2. Правило Клечковского : распределение электронов по уровням и подуровням электронного облака происходит в порядке возростания значения суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + 1). В случае равенства значений (n + 1) первым заполняется тот подуровень, который имеет меньшее значение n .

1 s 2 s p 3 s p d 4 s p d f 5 s p d f 6 s p d f 7 s p d f Номер уровня n 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 Орбитальное 1* 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 квантовое число

n+1| 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10

Ряд Клечковского

1* - смотри таблицу №2.

3. Правило Хунда : при заполнении орбиталей одного подуровня низшему уровню энергии отвечает размещение электронов с параллельными спинами.

Составление|сдает| электронных формул

Потенциальный ряд:1 s 2 s p 3 s p d 4 s p d f 5 s p d f 6 s p d f 7 s p d f

(n+1|) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10

Ряд Клечковского

Порядок заполнения Електрони 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 ..

(n+l|) 1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8.

Электронная формула 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 d 10 4s 2 p 6 d 10 f 14 5s 2 p 6 d 10 f 14 6s 2 p 6 d 10 f 14 7s 2 p 6 d 10 f 14 8...

(n+1|) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10

Информативность электронных формул

1. Положение элемента в периодической|периодичной| системе.

2. Возможны степени| окисления элемента.

3. Химический характер элемента.

4. Состав|склад| и свойства соединений элемента.

Положение элемента в периодической |периодичной| системе Д.И.Менделеева:

а) номер периода , в котором находится элемент, отвечает числу уровней, на которых располагаются электроны;

б) номер группы , к которой принадлежит данный элемент, равняется сумме валентных электронов. Валентные электроны для атомов s- и р- элементов – это электроны внешнего уровня; для d – элементов - это электроны внешнего уровня и незаполненного подуровня предыдущего уровня.

в) электронное семейство определяется по символу подуровня, на который поступает последний электрон (s-, p-, d-, f-).

г) подгруппа определяется по принадлежности к электронному семейству: s - и р – элементы занимают главные подгруппы, а d – элементы - побочные, f – элементы занимают отдельные разделы в нижней части периодической системы (актиноиды и лантаноиды).

2. Возможные степени | окисления элементов.

Степень окисления – это заряд, который приобретает атом, если отдает или присоединяет электроны.

Атомы, которые отдают электроны, приобретают положительный заряд, который равняется числу отданных электронов (заряд электрона (-1)

Z Е 0 – ne  Z E + n

Атом, который отдал электроны превращается в катион (положительный заряженный ион). Процесс отрыва электрона от атома называется процессом ионизации. Энергия, необходимая на осуществление этого процесса называется энергией ионизации (Эион, еВ).

Первыми отделяются от атома электроны внешнего уровня, которые на орбитали не имеют пары, - розпарованные. При наличии свободных орбиталей в пределах одного уровня под действием внешней энергии электроны, которые образовывали на данном уровне пары, розпаровываються, а затем отделяются все вместе. Процесс розпаровывания, который происходит в результате поглощения одним из электронов пары порции энергии и переходом его на высший подуровень, называется процессом возбуждения.

Наибольшее количество электронов, которые может отдать атом, равняется числу валентных электронов и отвечает номеру группы, в которой расположен элемент. Заряд, который приобретает атом после потери всех валентных электронов, называется высшей степенью окисления атома.

После освобождения|увольнения| валентного уровня внешним становится|стает| уровень, который|какой| предшествовал валентному. Это полностью заполненный электронами уровень, и потому|и поэтому| энергетически стойкий.

Атомы элементов, которые имеют на внешнем уровне от 4 до 7 электронов, достигают энергетически стойкого состояния не только путем отдачи электронов, но и путем их присоединения. Вследствие этого образуется уровень (.ns 2 p 6) – стойкое инертногазовое состояние.

Атом, который присоединил электроны, приобретает отрицательную степень окисления – отрицательный заряд, который равняется числу принятых электронов.

Z Е 0 + ne  Z E - n

Число электронов, которые может присоединить атом, равняется числу (8 –N|), где N – это номер группы, в которой|какой| расположен элемент (или число валентных электронов).

Процесс присоединения электронов к атому сопровождается выделением энергии, которая называется сродством к электрону (Эсродства, еВ ).

Электронные формулы фиксируют занятые электронами уровни и подуровни и количество электронов на них. В электронных формулах используется обозначение уровней и подуровней, т.е. первым, цифровым символом обозначают уровень (номер), а вторым буквенным символом (s, p, d, f) обозначают подуровни. Число электронов на подуровне обозначают верхним первым индексом.

Например: 1Н 1S , для азота N 7 1S 2 2S 2 2p 3

Электронно-графические формулы изображают атом в виде совокупности орбиталей, которые называют квантовыми ячейками. Например, для азота 1S 2 2S 2 2p 3

S-подуровень

S= -1/2 S = +1/2

P-подуровень, l=1 m=-1,m=0,m=+1

Заполнение орбиталей – ячеек электронами осуществляется в соответствии с принципом Паули, минимизация энергии и правилами Хунда

При данном значении l электроны в атоме располагаются так, что суммарное спиновое число их максимально.

∑S = 1/2+ 1/2+1/2 =3/2

Если заполнили так, т.е. s = +1/2 s = - 1/2, спаренные электроны

∑s= 1/2 + (-1/2) + 1/2 =1/2

Химические свойства атомов определяются в основном строением наружных электронных уровней, которые называются валентными.

Заполненные энергетические подуровни, соответствующие электронным структурам атомов благородных газов, называют электронным остовом. Например: для натрия, имеющего электронную формулу 1S 2 2S 2 2p 6 благородного газа неона. Сокращенно электронную формулу благородного газа обозначают его химическим символом в квадратных скобках, например: 1S 2 2S 2 2p 6 =

Это позволяет упростить запись электронных формул, например для калия вместо 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 6 4S 1 можно написать 4S 1 . Одновременно эта запись наглядно выделяет валентные электроны, определяющие химические свойства атомов элемента.

В электронно-графических (структурных) формулах в отличие от электронных изображают не только заполненные, но и вакантные орбитали валентных подуровней. Это позволяет предсказать изменение валентности элемента в результате перехода его атома в возбужденное состояние, что обозначают символом соответствующего элемента со звездочкой.

Например: 15P * 3S 2 3P 3 n=3 ↓ S ↓↓↓ P

В невозбужденном состоянии атом фосфора имеет три неспаренных электрона на p-подуровне. При переходе атома в возбужденное состояние электронная пара s-подуровня может разделиться, и один из электронов с S- подуровня может переходить на d-подуровень. Валентность фосфора при этом меняется с трех в основном состоянии до пяти в возбужденном состоянии.

Контрольные вопросы

1 Какие элементарные частицы входят в состав атома?

2 Что такое электрон, протон, нейтрон?

3 Объясните, почему у многих элементов при одном и том же заряде ядра атома могут быть разные массовые числа. Почему у ряда элементов, например у хлора, нецелочисленные атомные массы?

4 Дайте характеристику квантовым числам. Почему в атоме не могут быть два электрона с одинаковыми квантовыми числами? Принцип Паули.

5 Объясните физический смысл графических изображений

S и р-орбиталей: S p

6 Изобразите электронно-структурные формулы атомов углерода, азота и кислорода. Подсчитайте суммы спиновых квантовых чисел электронов в этих атомах. Как изменяются эти суммы при нарушении правила Хунда.

7 Напишите электронную и электронно-структурную формулу атома бора. Какую дополнительную информацию содержит электронно-структурная формула по сравнению с электронной.

8 Правило Клечковского. Какой энергетический уровень и подуровень заполняется вперед 4S или 3d, 5S или 4p, 4f или 6p?

9 Какое основное отличие р-орбиталей от d-орбиталей?

10 Какое число электронов может находиться в энергетических состояниях 2S, 3p, 3d, 5f?

11 Опишите форму орбитали, характеризующейся квантовыми числами: а) n=3, 1=0, m=0 ; б) n=3, 1=1, m=0+1-1; в) n=3, 1=2, m=0+1-1+2-2 Приведите символы орбиталей

12 Охарактеризуйте набором квантовых чисел каждую из следующих орбиталей: 1S, 2p, 3d.

13 Сформулируйте правила, которыми определяется число орбиталей и электронов данного электронного слоя. Например 1=0,1,2 n=1,2,3

14 Какова максимальная емкость электронных слоев К, М, L, N?

15 Зависит ли число орбиталей с данным значением 1 от номера энергетического уровня? Приведите буквенные обозначения орбиталей с указанными значениями 1.

Основная

1 Хомченко Г.П., Цитович И.К. Неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1998, глава 2, стр 53-75

2 Князев Д.А., Смарыгин С.Н. Неоганическая химия. М.: Высшая школа, 1990, глава 10, стр 102 -112

Дополнительная

3 Глинка Н.Л. Общая химия.(Под ред. А.И.Ермакова, - 28-е изд., перераб. и доп. – М.; Интеграл-Пресс, 2000 – 728с.)

4 Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. М.;1988.

5 Павлов Н.Н Теоретические основы общей химии. М.,Высшая химия 1978.

Задача 11.
Напишите электронно-графическую формулу для 17 элемента, определите его валентные электроны и охарактеризуйте их с помощью квантовых чисел.
Решение:
Электронная конфигурация nlx , где n – главное квантовое число, l x n+1 (правило Клечковского

1s>2s>2р>3s>3р>4s>3d>4р>5s>4d>5р>6s>(5d1) >4f>5d>6р>7s>(6d1-2)>5f>6d>7р

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для 17 элемента - хлора(Сl –порядковый № 17) электронная формула имеют вид:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Валентные электроны хлора 3s 2 3p 5 - находятся на 3s и3p подуровнях На валентных орбиталях атома Сl находится 7 электронов. Поэтому элемент помещают в седьмую группу периодической системы Д.И.Менделеева.

Электронная формула для атома титана

Задача 12.
Напишите электронную формулу для атома титана, определите валентные электроны и охарактеризуйте их с помощью квантовых чисел.
Решение:
Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов nlx , где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f), x – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n+1 (правило Клечковского ). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s>2s>2р>3s>3р>4s>3d>4р>5s>4d>5р>6s>(5d1) >4f>5d>6р>7s>(6d1-2)>5f>6d>7р

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для 22 –го элемента -Тi электронная формула имеет вид:

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

Валентные электроны титана 4s 2 3d 2 находятся на 4s 3d подуровнях. В электронно-графических формулах атомов каждая атомная орбиталь обозначается квадратом ().

Согласно представлениям Гейтлера и Лондона, валентность элементов определяется числом неспаренных электронов. Рассмотрим электронно-графические формулы некоторых элементов, в которых орбитали представляют в виде ячеек- квадратов, а электрон в виде стрелок + ½; -1/2.

Из этих формул следует, что в нормальном (неспаренном) состоянии углерод имеет II валентность, Sc – I.Атомы могут переходить в возбуждённое состояние, при котором с ниже лежащих подуровней могут переходить выше лежащие пустые подуровне (в пределах одного подуровня).

6. Периодический закон и периодическая система д.И. Менделеева Структура периодической системы (период, группа, подгруппа). Зна­чение периодического закона и периодической системы.

Периодический закон Д. И. Менделеева: Свойства простых тел , а также формы и свойства соеди­ нений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов .(Свойства эл-тов находятся в периодической зависимости от заряда атомов их ядер).

Периодическая система элементов. Ряды элементов, в пре­делах которых свойства изменяются последовательно, как, напри­мер, ряд из восьми элементов от лития до неона или от натрия до аргона, Менделеев назвал периодами. Если напишем эти два периода один под другим так, чтобы под литием находился натрий, а под неоном - аргон, то получим следующее расположение эле­ментов:

При таком расположении в вертикальные столбцы попадают элементы, сходные по своим свойствам и обладающие одинаковой валентностью, например, литий и натрий, бериллий и магний и т. д.

Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы Сходные по свойствам и типу образуемых соединений элементы приходились друг под другом, Менделеев со­ставил таблицу, названную им периодической системой элементов по группам и рядам.

Значение периодической систе мы. Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они обра­зуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с дру­гом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследо­ваний.

7. Периодическое изменение свойств химических элементов. Атомные и ионные радиусы. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность.

Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Z имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличе­нием Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах

С началом застройки нового электронного слоя, более удален­ного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают (сравните, например, радиусы атомов фтора и натрия). В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются.

Потеря атомов электронов приводит к уменьшению его эф­фективных размеров, а присоединение избыточных электронов - к увеличению. Поэтому радиус положительно заряженного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательно заряженного нона (аниона) всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома.

В пределах одной подгруппы радиусы ионов одинакового за­ряда возрастают с увеличением заряда ядра Такая закономерность объясняется увеличением числа элек­тронных слоев и растущим удалением внешних электронов от ядра.

Наиболее ха­рактерным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, а неметаллы, наоборот, харак­теризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов. Для отрыва электрона от атома с превраще­нием последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, называемую энергией ионизации.

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наи­меньшее напряжение поля, при котором скорость электронов ста­новится достаточной для ионизации атомов, называется потен­циалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах.

При затрате достаточной энергии можно оторвать от атома два, три и более электронов. Поэтому говорят о первом потен­циале ионизации (энергия отрыва от атома первого элек­трона).втором потенциале ионизации (энергия отрыва второго электрона)

Как отмечалось выше, атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоедине­нии электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону. Сродство к электрону, как и энергия ионизации, обычно выражается в электронвольтах. Так, сродство к электрону атома водорода равно 0,75 эВ, кислорода-1,47 эВ, фтора -3,52 эВ.

Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно; из этого следует, что для атомов боль­шинства металлов присоединение электронов энергетически невы­годно. Сродство же к электрону атомов неметаллов всегда поло­жительно и тем больше, чем ближе к благородному газу распо­ложен неметалл в периодической системе; это свидетельствует об усилении неметаллических свойств по мере приближения к концу периода.

"

При графическом изображении формул веществ указывается последовательность расположения атомов в молекуле с помощью, так называемых валентных штрихов (термин «валентный штрих» предложил в 1858 г. А. Купер для обозначения химических сил сцепления атомов), иначе называемых валентной чертой (каждая валентная черта, или валентный штрих, эквивалентны одной паре электронов в ковалентных соединениях или одному электрону, участвующему в образовании ионной связи). Часто неправильно принимают графическое изображение формул за структурные формулы, приемлемые только для соединений с ковалентной связью и показывающие взаимное расположение атомов в молекуле.

Так, формула N а—С L не является структурной, так как N аСI — ионное соединение, в его кристаллической решетке отсутствуют молекулы (молекулы N аС L существуют только в газовой фазе). В узлах кристаллической решетки N аСI находятся ионы, причем каждый N а + окружен шестью хлорид-ионами. Это графическое изображение формулы вещества, показывающее, что ионы натрия не связаны между собой, а с хлорид-ионами. Не соединяются между собой и хлорид-ионы, они соединены с ионами натрия.

Покажем это на примерах. Мысленно предварительно «разбиваем» лист бумаги на несколько столбцов и выполняем действия согласно алгоритмам по графическому изображению формул оксидов, оснований, кислот, солей в следующем порядке.

Графическое изображение формул оксидов (например, А l 2 O 3 )

III II

1. Определяем валентность атомов элементов в А l 2 O 3

2. Записываем химические знаки атомов металлов на первое место (первый столбец). Если атомов металлов больше одного, то записываем и в один столбец и обозначаем валентность (число связей между атомами) валентными штрихами

З. Второе место (столбец), тоже в один столбец, занимают химические знаки атомов кислорода, причем к каждому атому кислорода должно подходить по два валентных штриха, так как кислород двухвалентен

lll ll l

Графическое изображение формул оснований (например F е(ОН) 3)

1. Определяем валентность атомов элементов F е(ОН) 3

2. На первом месте (первый столбец) пишем химические знаки атомов металла, обозначаем их валентность F е

З. Второе место (столбец) занимают химические знаки атомов кислорода, которые присоединяются одной связью к атому металла, вторая связь пока «свободна»

4. Третье место (столбец) занимают химические знаки атомов водорода, присоединяющихся на«свободную» валентность атомов кислорода

Графическое изображение формул кислот (например, Н 2 SO 4 )

l Vl ll

1. Определяем валентность атомов элементов Н 2 SO 4 .

2. На первом месте (первый столбец) пишем химические знаки атомов водорода в один столбец с обозначением валентности

Н—

Н—

З. Второе место (столбец) занимают атомы кислорода, присоединяясь одной валентной связью к атому водорода, при этом вторая валентность каждого атома кислорода пока «свободна»

Н— О —

Н— О —

4. Третье место (столбец) занимают химические знаки атомов кислотообразователя с обозначением валентности

5. На «свободные» валентности атома кислотообразователя присоединяются атомы кислорода согласно правилу валентности

Графическое изображение формул солей

Средние соли (например, Fe 2 SO 4 ) 3) В средних солях все атомы водорода кислоты замещены на атомы металла, поэтому при графическом изображении их формул первое место (первый столбец) занимают химические знаки атомов металла с обозначением валентности, а далее — как в кислотах, то есть второе место (столбец) занимают химические знаки атомов кислорода, третье место (столбец) — химические знаки атомов кислотообразователя, их три и они присоединяются к шести атомам кислорода. На «свободные» валентности кислотообразователя присоединяются атомы кислорода согласно правилу валентности

Кислые соли ( например, Ва(Н 2 PO 4 ) 2) Кислые соли можно рассматривать как продукты частичного замещения атомов водорода в кислоте атомами металла, поэтому при составлении графических формул кислых солей на первое место (первый столбец) записывают химические знаки атомов металла и водорода с обозначением валентности

Н—

Н—

Ва =

Н—

Н—

Второе место (столбец) занимают химические знаки атомов кислорода