Распределение электронов по энергетическим уровням онлайн. Электронная формула химических элементов. Взаимосвязь между строением атома и свойствами вещества

Квантовые числа

n – главное квантовое число, оно определяет энергию электронов и размер электронного облака, принимает целочисленные значения. Электроны с одинаковым n образуют энергетический уровень. (n = № периода в табл. Менделеева)

L – орбитальное квантовое число определяет форму орбитали и принимает значение от 0 до n-1

n = 1, L = 0 - S-орбиталь (шар)

n = 2, L = 0 ; 1 - S и Р – орбиталь (гантель)

n = 3, L = 0 ; 1 ; 2 - S,P и d – орбиталь (сложная лепестковая форма) (L=0 – S орбит., L=1 - P орбиталь, L=2 – d орбиталь)

n = 4, L = 0 ; 1 ; 2 ; 3 (F – орб. еще более сложная)

m – магнитное квантовое число, определяет пространственную ориентацию орбитали, принимает значение от –L до +L . L=0 m=0 1(одна) S-орбиталь L=1 m= -1;0;1 3 P-орбиталей L=2 m=-2,-1,0,1,2 5 d-орб. и т.д.

- спиновое квантовое число, характеризует движение электрона вокруг своей оси и имеет 2 ориентации: «право», «лево» = + или-

С помощью 4-х квантовых чисел можно описать состояние любого электрона в вакууме, для этого составляют электронные формулы атомов.

Правила составления электронных формул атомов элементов

1. Принцип наименьшей энергии: электроны располагаются на тех орбиталях в атоме, которые характеризуются наименьшей энергией. (Правило Клечковского) Наименьшей энергией обладает орбиталь с наименьшим квантовым числом (n +L ), если (n +L ) у орбиталей равны, наименьшую энергию имеет имеет та у которой меньше n.

2. Принцип Паули: в атоме не может быть 2-х электронов с одинаковым набором всех 4-х квантовых чисел, это значит, что на одной орбитали может поместиться только 2 электрона с антипараллельными спинами.

S подуровень – 1 орбиталь 2е

P подуровень – 3 орбитали 6е

d подуровень – 5 орбиталей 10е

f подуровень – 7 орбиталей 14е

3. Правило Хунда: сумарное спиновое число на подуровене должно быть максимальным, т.е при заполнении подуровня, сначала на каждую орбиталь садится по одному электрону и у всех одно направление спина (направление вращения), а когда подуровень заполнен, на каждую орбиталь подсаживается еще один электрон уже с противоположным спином.

4) Периодическая система (таблица Менделеева)

Свойства простых веществ, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра и электронной конфигурации атомов элемента. Периодическая система является графическим изображением периодического закона, она состоит из 7-ми периодов (3из них малые 1-й,2 и 3-й) и 8-ми групп.

Физический смысл периодического закона заключается в периодическом изменении свойств элементов в результате периодически возобновляющихся сходных электронных оболочек атомов при возрастании главного квантового числа n

(n = № периода)

В группах расположены элементы с периодически повторяющейся электронной структурой внешнего энергетического уровня и похожими свойствами.

Например: I-гр, А-подгр. :

Na 3s -они все щелочные металлы,

K 4s у них одинаковая структура внешнего

Rb 5s энергетич. уровня s

Cs 6s Металлическая активность возрастает

Fr 7s по ходу вниз

Каждый период (кроме 1-го) начинается двумя s-элементами, заканчивается шестью элементами, причем в малых периодах св-ва элементов изменяются резко.

По табл. вниз металлические св-ва возрастают, т.е легче отдаются электроны, по табл. в право мет. св-ва уменьшаются.

В IV периоде между s и p элементами появляются 10 d-элементов, а в VI и в VII периодах f- элементы.

Электронная структура атомов элементов и их положение в периодической системе тесно взаимосвязаны.

1) Порядковый № элемента =Z(заряду) его ядра и числу электронов в электронной структуре атома.

Например: Z=30(Zn), 30e; 1s,2s,2p,3s,3p,3d,4s (d-элемент)

2)Каждый период начинается с заполнения нового энергетического уровня, поэтому № пер. = главному квантовому числу внешнего энергетического уровня в электронной структуре атома. 4s (Zn)-IVпериод

3)№ гр. совпадает с числом валентных электронов у атомов.

5) Периодически изменяющиеся св-ва атомов элементов:

1. Радиусы атомов : атом не имеет четких границ из за волнового движ. электрона. Орбитальный радиус атома )≈ теоретически рассчитанному расстоянию от ядра атома до главного максимума плотности внешнего электронного облака. Чаще используют эффективные радиусы атомов ( (это межъядерные расстояния в молекулах).

· У металлических элементов , а у неметаллических (особенно у газов) они значительно отличаются.

В периодах (слева направо) r атомов уменьшаются из-за роста заряда их ядер, а в группах (сверху вниз) – растут из за роста числа электронных слоёв, но эта зависимость немонотонна из за особенностей строения атомов.

· Немонотонность изменений св-в элементов по периоду называется внутренней периодичностью, а в группе -вторичной периодичностью

2. Энергия ионизации и сродство к электрону:

Энергия ионизации - это энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального невозбуждённого атома.

- энергия невозбужд. атома < (при отрыве каждого последующего электрона нужно тратить все больше и больше энергии)

Энергия ионизации характеризует восстановительные св-ва атомов элементов: Чем меньше у атома , тем больше восстановительные св-ва элемента. зависит от атомного радиуса и заряда ядра элемента и от электронной конфигурации атомов элемента. Чем меньше радиус и больше заряд, тем выше значение .

В периоде (слева направо) значение I растёт, но немонотонно. У металлов I меньше чем у неметаллов.

В группах (сверху вниз) значение в целом уменьшается.

F-энергия сродства к электрону – это энергетический эффект присоединения электрона к нейтральному атому. F может быть (+) или (-): СL+e→ (выделяется) Не+е= = -0.22 эв (поглащается)

F характеризует окислительные св-ва атомов элементов: чем выше F, тем выше окислительные св-ва. F зависит от r (радиуса атома), Z (заряда) и от электронной конфигурации атомов элемента. Мах F у р-элементов VIIA группы, Min F у инертных газов.

Электроотрицательность – способность атома элемента оттягивать на себя электроны при образовании хим. связи с атомами других элементов. ЭО = 1/2 (1+F)

В периодах (слева направо) ЭО в целом растет, в главных подгруппах (сверху вниз) уменьшается, но зависимость не монотонна.

Виды химической связи

Ковалентная связь – связь возникающая за счет образования общих электронных пар.

В двухатомных молекулах ( образуется неполярная ковалентная связь, т.к. общая электронная пара в одинаковой степени принадлежит обоим атомам. F + F → F F

Одинарная ковалентная связь - атомы связаны одной общей электронной парой, если двумя, то связь двойная , если тремя то тройная . N + N → N N (число неспареных электронов 8-N = 3, N-номер группы)

Полярная ковалентная связь – связь между атомами различных элементов неметаллов (HCL, , N )

Общие электронные пары в таких соединениях смещены к атомам с большей электроотрицательностью.

Ионная связь – связь возникающая между ионами, за счет электростатического притяжения.

Ионная связь возникает между атомами элементов, резко отличающимися по величине электроотрицательности. Например между типич. металлами и типич. неметаллами (Na CL, Na, F)

Кроме того ионная связь образуется между атомами металла и кислорода в солях кислотосодержащих кислот и в щелочах.

Металлическая связь – связь в металлах между атом-ионами по средством обобществленных электронов.

Атомы металлов на внешнем уровне содержат мало электронов. Эти электроны легко отбрасываются, а атомы превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому связывая их в единое целое.

7) Электрод – это металл или др. токопроводящий материал, погруженный в раствор его соли (электролита), а реакция протекающая на нём, называется электродной реакцией . Если металл привести в контакт с раствором соли, то ионы , гидратируясь, переходят с поверхности металла в раствор, и дегидратируясь, обратно, из раствора в металл (под действием сил кристаллической решётки). Когда скорости этих процессов становятся равными, образуется ДЭС (двойной электро-слой) и возникает электродный потенциал.

Электродный потенциал (𝞿) -это разность электростатических потенциалов между электролитом и электродом.

Значение электродного потенциала зависит от природы веществ – участников электродного процесса, от концентрации этих веществ, от t и определяется по уравнению Нернста.

Уравнение Нернста : = + ox, Red – концентрации окислительной и восстановительной форм

–число электронов, принимающих участие в процессе.

– cтандартный электродный потенциал (тбл. величина)

Уравнение Нернста для металлических электродов: +

для окислительно-восстановительных электродов:

для водородного электрода:

(условно принято) – это НВЭ (нормальный водородный электрод) принят в качестве эталона, для сравнения электродных потенциалов различных электрохимич. систем.

Условие протекания окислительно-восстановительной реакции:

8) Гальванический элемент – прибор, в котором за счет самопроизвольно идущей реакции окисления-восстановления получается электрический ток. Он представляет собой систему из 2-х электродов, соединенных жидкостным мостиком или полупроницаемой перегородкой. Если соединить электроды металлическим проводником, то электроны перетекут от одного электрода (восстановителя) к другому (окислителю) получится электрический ток. Хим. энергия превращается в электрическую. Окислитель - электрод с бОльшим значением потенциала (катод(+)), на катоде идут процессы восстановления.

Восстановитель – электрод с меньшим знач. потенциала (анод(-)), на аноде идут процессы окисления.

Аккумулятор – это обратимый химический источник тока, его можно перезаряжать и использовать многократно.

Например свинцовый аккумулятор (кислотный) - состоит из электродов (положительного и отрицательного)и электролита.

1-й электрод – свинец, 2-й элктрод –диоксид свинца, электролит 30% серной к-ты.

Принцип работы основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца, в водном растворе серной кислоты.

Общее уравнение работы аккумулятора :

9) Электролиз – окислительно-восстановтительный процесс, протекающий на электродах при прохождении тока через электролит.

В электролитеческую ванну, заполненную электролитом, опускают 2 электрода, и присоединяют к источнику тока. Источник тока перекачивает электроны от одного электрода к другому. Электрод с которого снимаются электроны приобретает + заряд (анод), который получает электроны (-) заряд (катод).

Прцессы, протекающие при электролизе определяются свойствами электролита, растворителя и материала электрода. (Если электролиз протекает в водном растворе, то на катоде им аноде могут восстанавливаться и окисляться молекулы Н2О.

Катод: 2Н2О + 2е = 2 ОН

Анод: А2Н2О – 4е = О2 + 4Н

Если возможно протекание нескольких реакций, то в первую очередь протекает та, которая требует минимальных затрат энегрии.

Инертным называется электрод, материал которого не окисляется в ходе электролиза.

На аноде может окисляться материал самого анода, например, елси анод из Ni, Cu,Cd, Pb и др. Такие аноды называюся растворимыми.

Метод с растворимым анодом используется для рафинирования металлов. Анод выполнен из черного металла.

10) Электрохимическая поляризация –явление отклонения потенциала элетродной реакции от равновесного. Перенапряжение – величина на которую идет отклонение ɳ (эта).

Возникновение поляризации связано с замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса. Особенно велика поляризация при выделении газов О2, Н2. Поляризация электрода зависит от материала электрода, чем выше плотность тока i=I/S (I – ток, проходящий через электрод, S- площадь электрода). Поляризационная кривая – зависимость потенциала электрода от плотности тока.

– Величина поляризации.

11) Законы фарадея: 1-й закон: Масса в-ва, образуется при электролизе, пропорциональна кол-ву электричества, прошедшего через электролит. = K*Q где: Q- кол-во электричества, Q=I*t, где: I-cила тока, t-время.

K= где: Э- эквивалентная масса Э = где: М – моль (молярная масса вещества), n – число электронов, перемещаемых при окислении или восстановлении, F – число Фарадея = 26,8 А или 96500 К/моль.

2-й закон: При прохождении через разные электролиты одного и того же количества электричества массы веществ, выделившихся на одноименных электродах пропорциональны их эквивалентным массам.

Применение вэлектрохимических процессов: 1) Принцип г.Э используется в автономных источниках питания. Бывают первичные и вторичные. Первичные – необратимы, не могут вернуться в рабочее состояние посли расхода активного в-ва (батарейки питания). Вторичные – можно регенирировать, пропуская ток в обратном направлении (аккумуляторы).

Электролиз используется в промышленности: для получения щелочей и др. веществ., для получения многих металлов – AL, Mg, Na, Cd., для очистки (рафинирования) Ме, используются загрязнённые Ме, в качестве анода (Cu, Ni, Pb) , используется в гальванотехнике.

Гальваностегия – процесс нанесения на поверхность металлических изделий слоёв других металлов, это делают для защиты от коррозии и для красоты.

Гальванопластика – для получения отпечатков, копий изделий, например для типографических клише.

13) Физические св-ва металлов . Металлический блеск, высокая электропроводность, теплопроводность, ковкость, пластичность. Эти свойства обуславливаются наличием в металлах подвижных электронов и металлической связи.

Различие в природе металлов, их структуре приводит к различию некоторых физ свойств. Щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs) при малой плотности упаковки и малом заряде мЯгки, а d- металлы (Cr) очень твердые. Большое различие есть в t плавления, от 28°C (Cs) до 3370°C (W).

12) Положение металлов в периодической системе.

Классификация металлов

не активные (Cu-Au, и т.д…)

Особенности кристаллов металлов : атомы металлов выстраиваются в кристаллические решетки

Виды кристаллических решеток : Объемно центрированная (кубическая), гранецентрированная (кубич.), плотнейшая гексагональная.

Особенности строения атомов: на внешнем энергетическом уровне малое кол-во электронов.

Методы получения металлов: 1. Металлотермия - восстановление руд, с помощью алюминия, магния, и др. металлов

2.Пирометалургия – востанивление руд с помощью угля, СО, при высоких t:

+ → 2 Fe + 3 (при температуре)

3.Электролиз : а) Сu (Сu – катод, CL – анод)

б) 2NaCL → 2Na + (2Na – катод,

4.Гидрометалургический метод – так же часто включает стадию получения металлов электрохимическим восстановлением.

2ZnS + 3 (при переработке сульфидных руд, сначала сульфиды

переводят в оксиды при высокой t.)

2Zn + 2 (2Zn – катод, )

Современные технологии направлены на получение металлов высокой чистоты (зонная плавка, плавка электронными лучами и т.д.)

14) Химические св-ва металлов . По хим. св-вам металлы являются восстановителями и реагируют с окислителями.

В период. системе большинство элементов – металлы. К металлам относятся все s,d,f-элементы (кроме и He) а так же р-элементы. К р-элементам относят элементы III A гр – AL, Ga, In, IV A гр – Ge, Sn, Pb, в V A гр Sb, Bi, и в VI A – Ро (полоний).

Классификация металлов : 1.По электронной структуре: s,p,d и f – металлы.

2. По восстановительной активности: активные (Li-AL)(по ряду напряжений), средние (AL-H),

не активные (Cu-Au, и т.д…)

Восстановительная активность свободных атомов металлов характеризуется энергией ионизации (). Чем меньше , тем выше восстановительная актив. металла. В гр. А, (для s и р-металлов) восстановительная актив. растет сверху вниз, а в гр. В (для d-металлов) –уменьшается.

В растворах восстановительная активность атомов металлов характеризуется значением электродного потенциала (). Чем отрицательнее, тем выше восст. актив.. Самые активные восстановители – щелочные металлы.

1) Металлы энергично реагируют с простыми веществами: , галогены(фтор, хлор, бром, йод), сера, водород.

С кислородом: Большинство металлов окисляются на воздухе, покрываясь оксидной плёнкой, если плёнка плотная, она предохраняет металл от коррозии. все щелочные металлы : Li,Na,К, и т.д. активно реагируют с кислородом, Rb, Cs – самовоспламеняются.

С хлором : энергично реагируют (Mg+ =Mg )

C серой : менее энергично (при нагревании) (Fe+S→FeS cульфид железа)

С водородом : реагируют только щелочные и щелочно-земельные металлы. (2Li+ =2LiH) (Ca+ )

2) Реакции с водой : Ме+ металлы реагируют с если их электродный потенциал ниже чем у водорода (ниже 0) реагируют вытесняя . Например: -2,714в, поэтому 2Na+

Если на поверхности металла находится оксидная пленка взаимодействие с водой протекает при нагревании.

3) Реакции с растворами солей : металлы реагируют с растворами солей, вытесняя из них менее активный металл:

() Cu = 0,337 в, () /Ni = - 0,25в

4)Реакции с щелочами : реакции протекают с выделением , электродный потенциал должен быть , металл должени иметь амфотерную природу своих оксидов и гидрооксдов (это AL,Zn,Cr,Be и др.)

5) Реакции с кислотами : взаимодействие металлов с кислотами зависит от активности металла, концентрации к-ты и t.

HCL-взаимодействует только с металлами у которых , с выделением водорода, хлорид металла должен быть растворим в воде.

(разбавленая серная к-та реагирует с металлами так же, как соляная: Zn+

Концентрированная серная кислота окисляет металлы за счет сульфат-иона () продукты восстановления зависят от активности металла. к Mg + (активные восстанавливают до , средние до , малоактивные до .

Серная к-та пассивирует металлы: Fe, Co, Ni, Cr, AL, Be. (с этими металлами реакция идет только при нагревании).

В реакцию с концентрированной серной кислотой вступает медь

Реакция с разбавленной азотной кислотой . Разбавл. азот. к-та более сильный окислитель чем серная, окисляет большинство металлов при комнатной t. Восстанавливается с активными металлами до , с металлами средней активности до или , с неактивным до –NO.

Концентрированная азотная к-та восстанавливается с большинством металлов до бурого газа –NO, и еще она пассивирует те же металлы при обычной t. (Fe,Ni,Co,Cr,AL,Be)

Неактивные d-металлы не окисляются азотной к-той, их можно окислить «царской водкой» + .

В реакциях металлов с азотной к-той любой концентрации и концентрированной серной к-той водород не выделяется.

Запись, отражающая распределение электронов в атоме химического элемента по энергетическим уровням и подуровням, называется электронной конфигурацией этого атома. В основном (невозбужденном) состоянии атома все электроны удовлетворяют принципу минимальной энергии. Это значит, что сначала заполняются подуровни, для которых:

1) Главное квантовое число n минимально;

2) Внутри уровня сначала заполняется s- подуровень, затем p- и лишь затем d- (l минимально);

3) Заполнение происходит так, чтобы (n + l) было минимально (правило Клечковского);

4) В пределах одного подуровня электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарный спин был максимален, т.е. содержал наибольшее число неспаренных электронов (правило Гунда).

5) При заполнении электронных атомных орбиталей выполняется принцип Паули. Его следствием является, что энергетическому уровню с номером n может принадлежать не более чем 2n 2 электронов, расположенных на n 2 подуровнях.

В записи электронных формул (или конфигураций), отражающих эту последовательность, первая цифра равна n , буква после нее соответствует l , а правый верхний индекс равен числу электронов в этом состоянии.

Например , цезий (Сs) находится в 6 периоде, его 55 электронов (порядковый номер 55) распределены по 6 энергетическим уровням и их подуровням, соблюдая последовательность заполнения электронами орбиталей получим: 55 Cs 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 4 p 6 4 d 10 5 s 2 5 p 6 5 d 10 6 s 1

В свою очередь электронная формула лития – 1 s 2 2 s 1 , углерода – 1 s 2 2 s 2 2 p 2 , хлора – 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5 .

Заселенность электронных оболочек может быть представлена в виде квантовых ячеек (квадратов или горизонтальных линий). В отличие от электронных формул, здесь используются не два, а все четыре квантовых числа. Видно, что энергия электронов в многоэлектронных атомах определяется как квантовым числом n , так и l ; электроны отличаются значениями m l , а у спаренных электронов различны только спины. Свободные ячейки в нашем примере означают свободные p -орбитали, которые могут занимать электроны при возбуждении атома (рис. 8).

Рис. 8. Графическое изображение электронной формулы бора.

Исследуя изменение химических свойств элементов в зависимости от величины их относительной атомной массы (атомного веса), Д. И. Менделеев в 1869 г. открыл закон периодичности этих свойств: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов ». Поскольку химические свойства обусловлены строением электронных оболочек атома, периодическая система Менделеева – это естественная классификация элементов по электронным структурам их атомов (прил. 4). Простейшая основа такой классификации – число электронов в нейтральном атоме, которое равно заряду ядра. Но при образовании химической связи электроны могут перераспределяться между атомами, а заряд ядра остается неизменным, поэтому современная формулировка периодического закона гласит: «Свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов» .

Это обстоятельство отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.

Период – горизонтальный ряд, имеющий одинаковое число электронных уровней, номер периода совпадает со значением главного квантового числа n внешнего уровня (слоя); таких периодов в периодической системе семь. Второй и последующие периоды начинаются щелочным элементом (ns 1) и заканчивается благородным газом (ns 2 np 6).

По вертикали периодическая система подразделяется на восемь групп, которые делятся на главные – А , состоящие из s - и p -элементов, и побочные – B-подгруппы , содержащие d -элементы. Подгруппа III B, кроме d -элементов, содержит по 14 4f - и 5f -элементов (семейства 4f -лантаноидов и 5f -актиноидов). Главные подгруппы содержат на внешнем электронном слое одинаковое число электронов, которое равно номеру группы. В главных подгруппах валентные электроны (электроны, способные образовывать химические связи) расположены на s - и p -орбиталях внешнего энергетического уровня, в побочных – на s -орбиталях внешнего и d -орбиталях предвнешнего слоя. Для f -элементов валентными являются (n – 2)f - (n – 1)d - и ns -электроны. Сходство элементов внутри каждой группы – наиболее важная закономерность в периодической системе. Следует, кроме того, отметить такую закономерность, как диагональное сходство у пар элементов Li и Mg, Be и Al, B и Si и др. Эта закономерность обусловлена тенденцией смены свойств по вертикали (в группах) и их изменением по горизонтали (в периодах).

Структура электронной оболочки атомов элемента изменяется периодически с ростом порядкового номера элемента, с одной стороны, и, с другой стороны, свойства определяются строением электронной оболочки и, следовательно, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.

Периодичность атомных характеристик

Периодический характер изменения химических свойств атомов элементов зависит от изменения радиуса атома и иона.

За радиус свободного атома принимают положение главного максимума плотности внешних электронных оболочек. Это так называемый орбитальный радиус . Если рассматривать относительные величины атомных радиусов, то легко обнаружить периодичность их зависимости от номера элемента.

В периодах орбитальные атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра Z в общем монотонно уменьшаются из-за роста степени взаимодействия внешних электронов с ядром. В подгруппах радиусы в основном увеличиваются из-за возрастания числа электронных оболочек.

У s - и p -элементов изменение радиусов, как в периодах, так и в подгруппах более выражены, чем у d - и f -элементов, так как d - и f -электроны внутренние. Уменьшение радиусов у d - и f-элементов в периодах называется d - и f -сжатием . Следствием f -сжатия является то, что атомные радиусы электронных аналогов d -элементов пятого и шестого периодов практически одинаковы.

Эти элементы из-за близости их свойств называются элементами-близнецами.

Образование ионов приводит к изменению ионных радиусовпо сравнению с атомными. При этом радиусы катионов всегда меньше, а радиусы анионов всегда больше соответствующих атомных радиусов.

Свойства атомов рассматриваются, как способность отдавать, или принимать электроны из-за стремления атомов приобрести устойчивую электронную конфигурацию, аналогичную инертным газам. Металлические свойства рассматриваются, как способность атомов элементов отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства, а неметаллические свойства – присоединять электроны и проявлять окислительные свойства.

Энергией ионизации атома I называется энергия, необходимая для перевода нейтрального атома в положительно заряженный ион. Ее величина зависит от величины заряда ядра, от радиуса атома и от взаимодействия между электронами. Энергия ионизации выражается в кДж∙моль –1 или эВ. Для химических исследований наибольшее значение имеет потенциал ионизации первого порядка – энергия, затрачиваемая на полное удаление слабосвязанного электрона из атома в невозбужденном, состоянии.

Э о – e – = Э + , I 1 – первый потенциал ионизации;

Э + – e – = Э 2+ , I 2 – второй потенциал ионизации и т.д. I 1 < I 2 < I 3 < I 4 ...

Энергия ионизации определяет характер и прочность химической связи, и восстановительные свойства элементов (табл. 28).

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 ).

Алгоритм составления электронной формулы элемента:

1. Определите число электронов в атоме используя Периодическую таблицу химических элементов Д.И. Менделеева .

2. По номеру периода, в котором расположен элемент, определите число энергетических уровней; число электронов на последнем электронном уровне соответствует номеру группы.

3. Уровни разбить на подуровни и орбитали и заполнить их электронами в соответствии с правилами заполнения орбиталей :

Необходимо помнить, что на первом уровне находится максимум 2 электрона 1s 2 , на втором - максимум 8 (два s и шесть р: 2s 2 2p 6 ), на третьем - максимум 18 (два s , шесть p , и десять d: 3s 2 3p 6 3d 10 ).

• Главное квантовое число n должно быть минимально.
• Первым заполняется s- подуровень, затем р-, d- b f- подуровни.
• Электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей (правило Клечковского).
• В пределах подуровня электроны сначала по одному занимают свободные орбитали, и только после этого образуют пары (правило Хунда).
• На одной орбитали не может быть больше двух электронов (принцип Паули).

Примеры.

1. Составим электронную формулу азота. В периодической таблице азот находится под №7.

2. Составим электронную формулу аргона. В периодической таблице аргон находится под №18.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 .

3. Составим электронную формулу хрома. В периодической таблице хром находится под №24.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5

Энергетическая диаграмма цинка.

4. Составим электронную формулу цинка. В периодической таблице цинк находится под №30.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10

Обратим внимание, что часть электронной формулы, а именно 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 - это электронная формула аргона.

Электронную формулу цинка можно представить в виде.

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.

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