Работа 2 строение атома вариант 1. Химия (Строение атома) (презентация)
«Строение атома»
Вариант №1
Задание 1.
4d; 3р; 3d; 4s; 5s; 4p
Задание 2.
Задание 3.
11 кл. Самостоятельная работа №1
Вариант №2
Задание 1.
В каком порядке будут заполняться подуровни:
4d; 3р; 3d; 4s; 5s; 4p
Задание 2.
Задание 3.
Определить атомы каких элементов имеют электронную конфигурацию:
а) 4s 2 4p 5 б) 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2
11 кл. Самостоятельная работа №1
Вариант №1
Задание 1.
В каком порядке будут заполняться подуровни:
4d; 3р; 3d; 4s; 5s; 4p
Задание 2.
Построить электронную и графическую конфигурацию атомов аргона и титана. К какому семейству относятся эти элементы?
Задание 3.
Определить атомы каких элементов имеют электронную конфигурацию:
а) 3s 2 3p 6 4s 2 б) 4s 2 4p 6 4d 1 5s 2
11 кл. Самостоятельная работа №1
Вариант №2
Задание 1.
В каком порядке будут заполняться подуровни:
4d; 3р; 3d; 4s; 5s; 4p
Задание 2.
Построить электронную и графическую конфигурацию атомов кальция и кобальта. К какому семейству относятся эти элементы?
Задание 3.
Определить атомы каких элементов имеют электронную конфигурацию:
а) 4s 2 4p 5 б) 3s 2 3p 6 3d 5 4s
лабораторные работы
практические занятия
самостоятельная аудиторная работа
самостоятельная домашняя работа (типовой расчет)
контроль (защиты, коллоквиумы, зачет, экзамен)
Учебники и учебные пособия
Н.В.Коровин. Общая химия
Курс общей химии. Теория и задачи (под ред. Н.В.Коровина, Б.И.Адамсона)
Н.В.Коровин и др. Лабораторные работы по химии
Календарный план
Электролиты, |
||||||||||||||||||||
Хим.эквива |
||||||||||||||||||||
гидролиз, ПР |
||||||||||||||||||||
Электр.форму- |
13(2 ) |
|||||||||||||||||||
ГЭ, электролиз, |
||||||||||||||||||||
27(13,16) |
14(2 ) |
|||||||||||||||||||
коррозия |
||||||||||||||||||||
Квант.числа |
||||||||||||||||||||
17(2 ) |
||||||||||||||||||||
18(2 ) |
||||||||||||||||||||
Хим.связь |
||||||||||||||||||||
Комплексы |
||||||||||||||||||||
Термодинамика |
||||||||||||||||||||
Кинетика. |
||||||||||||||||||||
6(2,3 ) |
||||||||||||||||||||
Равновесие |
||||||||||||||||||||
Введение в курс химии
Химия в энергетическом институте – фундаментальная общетеоретическая дисциплина.
Химия – естественная наука, изучающая состав, строение, свойства и превращения веществ, а также явления, сопровождающие эти превращения.
М.В.Ломоносов |
Д.И.Менделеев |
|||||||
“Химическая |
||||||||
“Основах химии” 1871 |
||||||||
рассматривает |
свойства |
|||||||
г.) – “Химия – |
||||||||
изменения |
||||||||
учение об элементах и |
||||||||
объясняет |
||||||||
их соединениях”. |
||||||||
химических |
||||||||
превращениях происходит”.
«Золотой век химии» (конец XIX начало XX веков)
Периодический закон Д.И.Менделеева (1896)
Понятие о валентности введенное Э.Франкландом (1853)
Теория строения органических соединений А.М.Бутлерова (1861-1863)
Теория комплексных соединений А.Вернера
Закон действующих масс М.Гультберга и Л.Вааге
Термохимия, разработанная в основном Г.И.Гессом
Теория электролитической диссоциации С. Аррениуса
Принцип подвижного равновесия А.Ле Шателье
Правило фаз Дж.В.Гиббса
Теория сложного строения атома Бора-Зоммерфельда (1913-1916)
Значение современного этапа развития химии
Понимание законов химии и их применение позволяет создавать новые процессы, машины, установки и приборы.
Получение электроэнергии, топлива, металлов, различных материалов, продуктов питания и т.п. непосредственно связано с химическими реакциями. Например, электрическую и механическую энергии в настоящее время в основном получают преобразованием химической энергии природного топлива (реакции горения, взаимодействия воды и ее примесей с металлами и т.п.). Без понимания этих процессов невозможно обеспечить эффективную работу электростанций и двигателей внутреннего сгорания.
Познание химии необходимо для:
- формирования научного мировоззрения,
- для развития образного мышления,
- творческого роста будущих специалистов.
Современный этап развития химии характеризуется широким использованием квантовой (волновой) механики для интерпретации и расчета химических параметров веществ и систем веществ и основан на квантово-механической модели строения атома.
Атом - сложная электромагнитная микросистема, являющаяся носителем свойств химического элемента.
СТРОЕНИЕ АТОМА
Изотопы – разновидности атомов одного химического
элемента, имеющие одинаковый порядковый номер, но разные атомные числа
Мr (Cl)=35*0,7543 + 37*0,2457 = 35,491
Основные положения квантовой механики
Квантовая механика - поведение движущихся микрообъектов (в том числе и электронов) – это
одновременное проявление, как свойств частиц, так и свойств волн – двойственная (корпускулярноволновая) природа.
Квантование энергии: Макс Планк (1900 г., Германия) –
вещества испускают и поглощают энергию дискретными порциями (квантами). Энергия кванта пропорциональна частоте излучения (колебания) ν :
h – постоянная Планка (6,626·10-34 Дж·с); ν=с/λ , с – скорость света, λ – длина волны
Альберт Эйнштейн (1905 г.) : любое излучение - это поток квантов энергии (фотонов) E = m· v 2
Луи де Бройль (1924 г., Франция): электрон также характеризуется корпускулярно-волновой двойственностью - излучение распространяется как волна и состоит из мелких частиц (фотонов)
Частица – m, |
mv , E =mv 2 |
||||
Волна - , |
E 2 = h = hv / |
||||
Связал длину волны с массой и скоростью: |
|||||
Е1 = Е2 ; |
H/ mv |
||||
неопределенности |
Вернер Гейзенберг (1927г., |
||||
Германия) |
произведение |
неопределенностей |
положения |
||
(координаты) |
частицы х и |
импульса (mv) не |
может быть |
меньше h/2
х (mv) h/2 (- погрешность, неопределенность) Т.е. положение и импульс движения частицы принципиально невозможно определить в любой момент времени с абсолютной точностью.
Электронное облако Атомная орбиталь (АО)
Т.о. точное нахождение частицы (электрона) заменяется понятием статистической вероятности нахождения ее в определенном объеме (около ядерного) пространства.
Движение е- имеет волновой характер и описывается
2 dv - плотность вероятности нахождения е- в определенном объеме около ядерного пространства. Это пространство называется атомной орбиталью (АО) .
В 1926 г Шредингер предложил уравнение, которое математически описывает состояние е - в атоме. Решая его
находят волновую функцию . В простом случае она зависит от 3-х координат
Электрон несет отрицательный заряд, его орбиталь представляет собой определенное распределение заряда и называется электронное облако
КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА
Введены для характеристики положения электрона в атоме в соответствии с уравнением Шредингера
1. Главное квантовое число (n )
Определяет энергию электрона - энергетический уровень
показывает размер электронного облака (орбитали)
принимает значения – от 1 до
n (номер энергетического уровня): 1 2 3 4 и т.д.
2. Орбитальное квантовое число (l ) :
определяет – орбитальный момент количества движения электрона
показывает – форму орбитали
принимает значения – от 0 до (n -1)
Графически АО изображается Орбитальное квантовое число: 0 1 2 3 4
Энергетический подуровень: s p d f g
Е увеличивается
l =0 |
s –подуровень s –АО |
|
p- подуровень р -АО |
||
Каждому n соответствует определенное число значений l , т.е. каждый энергетический уровень расщепляется на подуровни. Число подуровней равно номеру уровня.
1-ый энерг.уровень → 1 подуровень → 1s 2-ой энерг.уровень → 2 подуровня → 2s2p 3-ий энерг.уровень → 3 подуровня → 3s 3p 3d
4-ый энерг.уровень → 4 подуровня → 4s 4p 4d 4f и т.д.
3. Магнитное квантовое число (m l )
определяет – значение проекции орбитального момента количества движения электрона на произвольно выделенную ось
показывает – пространственную ориентацию АО
принимает значения – от –l до + l
Любому значению l соответствует (2l +1) значений магнитного квантового числа, т.е. (2l +1) возможных расположений электронного облака данного типа в пространстве.
s - состояние – одна орбиталь (2 0+1=1) - m l = 0, т.к. l = 0
p - состояние – три орбитали (2 1+1=3)
m l : +1 0 -1, т.к. l =1
ml =+1 |
m l =0 |
m l = -1 |
Все орбитали, принадлежащие одному подуровню, имеют одинаковую энергию и называются вырожденными.
Вывод: АО характеризуется определенным набором n, l, m l , т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве.
4. Cпиновое квантовое число (m s )
«спин» - «веретено»
определяет - собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси
принимает значения – (-1/2· h/2) или (+1/2· h/2)
n = 3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
l = 1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
m l = -1, 0, +1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
m s = + 1/2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Принципы и правила
Электронные конфигурации атомов
(в виде формул электронных конфигураций)
Указывают цифрами номер энергетического уровня
Указывают буквами энергетический подуровень (s, p, d, f );
Показатель степени подуровня означает число
электронов на данном подуровне
19 К 1s2 2s2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1
минимальной
Электроны в атоме занимают наиболее низкое энергетическое состояние, отвечающее наиболее устойчивому его состоянию.
1s 2s 2 p 3 s 3 p 3 d 4 s 4 p 4 d 4 f
Увеличение Е
Клечковского
Электроны размещаются последовательно на орбиталях, характеризуемых возрастанием суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l) ; при одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется орбиталь с меньшим значением главного квантового числа n
1 s <2 s < 2 p = 3 s < 3 p = 4 s < 3 d = 4 p и т. д
Вариант 1
Часть А.
А 1. Ядро атома (39 К) образовано
1) 19 протонами и 20 электронами 2) 20 нейтронами и 19 электронами
3) 19 протонами и 20 нейтронами 4) 19 протонами и 19 нейтронами
А 2 . Атому элемента фосфор отвечает электронная формула
1) 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 2 2) 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 3 3) 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 4 4) 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 5
А 3. Химические элементы расположены в порядке уменьшения их атомных радиусов
1) Ва, Cd, Sb 2) In,Pb,Sb 3) Cs,Na, H 4) Br, Se, As
А 4. Верны ли следующие суждения о химических элементах?
А. Все химические элементы-металлы относятся к S- и d- элементам.
Б. Неметаллы в соединениях проявляют только отрицательную степень окисления.
А 5. Среди металлов главной подгруппы II группы наиболее сильным восстановителем является
1) барий 2) кальций 3) стронций 4) магний
А 6. Число энергетических слоев и число электронов во внешнем энергетическом слое атома хрома равны соответственно
А 7. Высший гидроксид хрома проявляет
А 8. Электроотрицательность элементов возрастает слева направо по ряду
1) O-S-Se-Te 2) B-Be-Li-Na 3) O-N-P-As 4) Ge-Si-S-Cl
А 9. Степень окисления хлора в Ba(ClO 3) 2 равна
1) +1 2) +3 3) +5 4) +7
А 10. Элемент мышьяк относится к
Ответами к заданию В1-В2
В 1. Возрастание кислотных свойств высших оксидов происходит в рядах:
1) CaOSiO 2 SO 3 2) CO 2 Al 2 O 3 MgO 3) Li 2 OCO 2 N 2 O 5
4) As 2 O 5 P 2 O 5 N 2 O 5 5) BeOCaOSrO 6) SO 3 P 2 O 5 Al 2 O 3
В 2 . Установите соответствие.
Состав ядра Электронная формула
А. 7 р + 1 , 7 n 0 1 1. 2S 2 2p 3
Б. 15 р + 1 , 16 n 0 1 2. 2S 2 2p 4
В. 9 р + 1 , 10 n 0 1 3. 3S 2 3p 5
Г. 34 р + 1 , 45 n 0 1 4. 2S 2 2p 5
С 1. Составьте формулу высшего оксида и высшего гидроксида брома. Запишите электронную конфигурацию атома брома в основном и возбужденном состоянии, определите его возможные валентности.
Составьте электронные формулы атома брома в максимальной и минимальной степенях.
Контрольная работа № 1 по теме «Строение атома»
Вариант 2
Часть А. Выберите один правильный ответ
А 1. Число протонов, нейтронов и электронов изотопа 90 Sr соответсвенно равно
1. 38, 90, 38 2. 38, 52, 38 3. 90, 52, 38 4. 38, 52,90
А 2 . Электронная формула 1S 2 2S 2 2p 6 3S 2 3p 6 4S 1 отвечает атому элемента
1. сера 2. бром 3.калий 4. марганец
А 3. В порядке уменьшения атомного радиуса расположены элементы
1) бор, алюминий, галлий 3) бор, углерод, кремний
2) калий, натрий, литий 4) криптон, ксенон, радон
А 4. Верны ли следующие суждения об изменении свойств элементов в ряду
Be-Mg-Ca-Sr-Ba?
А. Металлические свойства усиливаются.
Б. Радиус атомов и число валентных электронов не изменяется.
1) верно только А 2) верно только Б 3) верны оба суждения 4) оба суждения неверны
А 5. Среди неметаллов третьего периода наиболее сильным окислителем является
1) фосфор 2) кремний 3) сера 4) хлор
А 6. Число энергетических слоев и число электронов во внешнем энергетическом слое атома марганца равны соответственно
1) 4, 2 2) 4, 1 3) 4, 6 4) 4, 5
А 7. Высший гидроксид марганца проявляет
1) кислотные свойства 3) основные свойства
2) амфотерные свойства 4) не проявляет кислотно-основных свойств
А 8. Электроотрицательность элементов уменьшается слева направо по ряду
1) O-Sе-S-Te 2) Bе-Bе-Li-Н 3) O-N-P-As 4) Ge-Si-S-Cl
А 9. Степень окисления азота в Ba(NO 2) 2 равна
1) +1 2) +3 3) +5 4) +7
А 10. Элемент марганец относится к
1) s-элементам 2) р-элементам 3) d-элементам 4) переходным элементам
Ответами к заданию В1-В2 является последовательность цифр, которая соответствует номерам правильных ответов.
В 1. Возрастание основных свойств высших гидроксидов происходит в рядах образующих их элементов:
1) MgAl ) AsР 3) PSCl
4)BBeLi 5) MgCaBa 6)CaKCs
В 2 . Установите соответствие.
Состав ядра Электронная формула
А. 19 р + 1 , 20 n 0 1 1. 4S 1
Б. 20 р + 1 , 20 n 0 1 2. 4S 2
В. 14 р + 1 , 14 n 0 1 3. 5S 1
Г. 35 р + 1 , 45 n 0 1 4. 4S 2 4p 5
При выполнении задания С 1 подробно запишите ход его решения и полученный результат.
С 1. Составьте формулу высшего оксида и высшего гидроксида мышьяка. Запишите электронную конфигурацию атома мышьяка в основном и возбужденном состоянии, определите его возможные валентности.
Составьте электронные формулы атома мышьяка в максимальной и минимальной степенях.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1 Тема «Строение атома» 11 класс
Вариант 1
1.Номер периода в Периодической системе определяется:
А. Зарядом ядра атома
Б. Числом электронов в наружном слое атома.
В. Числом электронных слоев в атоме
Г. Числом электронов в атоме.
А. S и Cl Б.Be и B В. Kr и Xe Г. Mo и Se
3. р – Элементом является:
А. Скандий.
Б. Барий.
В. Мышьяк
Г. Гелий
10 4s 2 соответствует элементу:
А. Кальцию.
Б. Криптону.
В.Кадмию.
Г. Цинку.
A. Zn(OH) 2
Б. Mg(OH) 2
В. Ca(OH) 2
Г. Cr(OH) 2
А.Mg – Ca – Zn.
Б.Al – Mg – Ca.
В.Sr – Rb – K.
Г.Ge - Si – Sb.
2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1
А.Э 2 О
Б.Э 2 О 3
В.ЭО 2
Г.ЭО 3
8. Изотоп кальция, в ядре которого содержится 22 нейтрона, обозначают:
А. 20 40 Са
Б. 20 42 СаВ. 20 44 Са
Г. 20 48 Са
9. Установите соответствие:
Элемент:
- Алюминий. II. Калий. III. Селен. IV. Магний.
Электронная формула:
А.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
Б.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
В.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4
Г.1s 2 2s 2 3s 2 3p 6 4s 1
Формула высшего оксида:
- Э 2 О 2.Э 2 О 3 3.ЭО 4.ЭО 3
Формула высшего гидроксида:
а. ЭОН. б. Э(ОН) 2 . в. Э(ОН) 3 г. Н 2 ЭО 4
10. На основании положения в Периодической системе расположите элементы: германий, мышьяк, сера, фосфор – в порядке убывания окислительных свойств. Объясните ответ.
11. Как и почему в Периодической системе изменяются металлические свойства?
А. В пределах периода.
Б. В пределах главной подгруппы.
12. Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 30 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
13. Какие химические свойства характерны для высшего оксида элемента 3-го периода, главной подгруппы VI группы Периодической системы? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.
Контрольная работа №1 Тема «Строение атома» 11 класс
Вариант 2
- Номер группы (для элементов главных подгрупп) в Периодической системе определяет:
А.Число протонов в атоме.
Б.Число электронов в наружном слое атома.
В.Число электронных слоев в атоме.
Г.Число нейтронов в атоме.
2. Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергетических уровней:
А.Ba и K В.Ti и Ge
Б.Sb и Bi Г.Kr и Fe
3. р – Элементом является:
А.Калий
Б. Кремний
В.Аргон
Г.Медь
4. Электронная конфигурация. . .3d 5 4s 2 соответствует элементу:
А. Брому
Б. Кальцию
В. Марганцу
Г. Хлору
5. Амфотерным оксидом является вещество, формула которого:
А. CrO Б.Сr 2 О 3 В. СrО 3 Г.FeO
6. Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств:
А. Al – Ga – Ge.
Б. Ca – Sr –Ba.
В. K –Na –Li.
Г. Mg - Ca – Zn.
7.Элемент Э с электронной формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 образуется высший оксид, соответствующий формуле:
А.ЭО
Б.Э 2 О 3
В.Э 2 О 5
Г.ЭО 3
8. Изотоп железа, в ядре которого содержится 30 нейтронов, обозначают:
А. 26 54 Fe
Б. 26 56 Fe
В. 26 57 Fe
Г. 26 58 Fe
9. Установите соответствие:
Элемент:
- Бор. II. Бром. III. Фосфор. IV. Литий.
Электронная формула:
А.1s 2 2s 2 2p 1
Б.1s 2 2s 1
В. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
Г. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5
Формула высшего оксида:
- Э 2 О 2.Э 2 О 3 3.Э 2 О 5 4.Э 2 О 7
Формула высшего гидроксида:
а. ЭОН. б. НЭО 3 . в. Н 3 ЭО 3 г. НЭО 4
ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом
10. На основании положения в Периодической системе расположите элементы: алюминий, калий, кальций, магний – в порядке возрастания восстановительных свойств. Объясните ответ.
11. Почему заряды ядер атомов элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых номеров в Периодической системе, изменяются монотонно, а свойства элементов - периодически?
12. Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 38 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
13. Какие химические свойства характерны для гидроксидов металлов? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.
Вариант 3
1.Общее число электронов в атоме элемента определяют, используя Периодическую систему, по номеру:
А. Группы.
Б. Периода.
В. Ряда.
Г. Порядковому.
2. Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергетических уровней:
А. Sn и Si Б.As и Se В. Zn и Ca Г. Mo и Te
3. f – Элементом является:
А. Германий.
Б. Калий.
В. Селен.
Г. Уран.
4. Электронная конфигурация. . .4s 2 4p 6 соответствует элементу:
А. Брому.
Б. Железу.
В.Неону.
Г. Криптону.
5. Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого:
A. Ga(OH) 3.
Б. Mg(OH) 2.
В. LiOH.
Г. Sc(OH) 2
6. Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств:
А. K – Rb – Sr.
Б.Al – Mg – Ca.
В. Be –– Li - Cs.
Г.Ge - Sn – Sb.
7.Элемент Э с электронной формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 образуется высший оксид, соответствующий формуле:
А.Э 2 О
Б.Э 2 О 3
В.ЭО 2
Г.ЭО 3
8. Изотоп кальция, в ядре которого содержится 24 нейтрона, обозначают:
А. 20 40 Са
Б. 20 42 Са
В. 20 44 Са
Г. 20 48 Са
9. Установите соответствие:
Элемент:
- Азот. II. Кальций. III. Кремний. IV. Сера.
Электронная формула:
А.1s 2 2s 2 2p 3
Б.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
В.1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Г.1s 2 2s 2 3s 2 3p 6 4s 2
Формула высшего оксида:
- ЭО 2.ЭО 2 3.Э 2 О 5 4.ЭО 3
Формула высшего гидроксида:
а. Н 2 ОЭ 4 . б. Э(ОН) 2 . в. Н 2 ЭО 3 г. НЭО 3
ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом
10. На основании положения в Периодической системе расположите элементы: кислород, мышьяк, сера, фосфор – в порядке убывания окислительных свойств. Объясните ответ.
11. Перечислите основные правила(законы), в соответствии с которыми происходит заполнение электронами уровней, подуровней и орбиталей в электронной оболочке атомов элементов.
12. Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 34 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
13. Какие химические свойства характерны для гидроксидов неметаллов? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.
Электроны
Понятие атом возникло еще в античном мире для обозначения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».
Ирландский физик Стони на основании опытов пришел к выводу, что электричество переносится мельчайшими частицами, сущеетвующими в атомах всех химических элементов. В 1891 г. Стони предложил эти частицы назвать электронами, что по-гречески означает «янтарь». Через несколько лет после того, как электрон получил свое название, английский физик Джозеф Томсон и французский физик Жан Перрен доказали, что электроны несут на себе отрицательный заряд. Это наименьший отрицательный заряд, который в химии принят за единицу (-1). Томсон даже сумел определить скорость движения электрона (скорость электрона на орбите обратно пропорциональна номеру орбиты n. Радиусы орбит растут пропорционально квадрату номера орбиты. На первой орбите атома водорода (n=1; Z=1) скорость равна ≈ 2,2·106 м/с, то есть примерно в сотню раз меньше скорости света с=3·108 м/с.) и массу электрона (она почти в 2000 раз меньше массы атома водорода).
Состояние электронов в атоме
Под состоянием электрона в атоме понимают совокупность информации об энергии определенного электрона и пространстве, в котором он находится . Электрон в атоме не имеет траектории движения, т. е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра .
Он может находиться в любой части этого пространства, окружающего ядро, и совокупность его различных положений рассматривают как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Образно это можно представить себе так: если бы удалось через сотые или миллионные доли секунды сфотографировать положение электрона в атоме, как при фотофинише, то электрон на таких фотографиях был бы представлен в виде точек. При наложении бесчисленного множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью там, где этих точек будет больше всего.
Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключено приблизительно 90 % электронного облака , и это означает, что около 90 % времени электрон находится в этой части пространства. По форме различают 4 известных ныне типа орбиталей , которые обозначаются латинскими буквами s, p, d и f . Графическое изображение некоторых форм электронных орбиталей представлено на рисунке.
Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром . Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слои, или энергетический уровень. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра, - 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.
Целое число n, обозначающее номер энергетического уровня, называют главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня, электроны последующих уровней будут характеризоваться большим запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внешнего уровня.
Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
N = 2n 2 ,
где N - максимальное число электронов; n - номер уровня, или главное квантовое число. Следовательно, на первом, ближайшем к ядру энергетическом уровне может находиться не более двух электронов; на втором - не более 8; на третьем - не более 18; на четвертом - не более 32.
Начиная со второго энергетического уровня (n = 2) каждый из уровней подразделяется на подуровни (подслои), несколько отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый энергетический уровень имеет один подуровень; второй - два; третий - три; четвертый - четыре подуровня . Подуровни в свою очередь образованы орбиталями. Каждому значению n соответствует число орбиталей, равное n.
Подуровни принято обозначать латинскими буквами, равно как и форму орбиталей, из которых они состоят: s, p, d, f.
Протоны и нейтроны
Атом любого химического элемента сравним с крохотной Солнечной системой. Поэтому такую модель атома, предложенную Э. Резерфордом, называют планетарной .
Атомное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из частиц двух видов - протонов и нейтронов .
Протоны имеют заряд, равный заряду электронов, но противоположный по знаку (+1), и массу, равную массе атома водорода (она принята в химии за единицу). Нейтроны не несут заряда, они нейтральны и имеют массу, равную массе протона.
Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Сумма числа протонов и нейтронов в атоме называется массовым числом . Например, массовое число атома алюминия:
13 + 14 = 27
число протонов 13, число нейтронов 14, массовое число 27
Так как массой электрона, ничтожно малой, можно пренебречь, то очевидно, что в ядре сосредоточена вся масса атома. Электроны обозначают e — .
Поскольку атом электронейтрален , то также очевидно, что число протонов и электронов в атоме одинаково. Оно равно порядковому номеру химического элемента, присвоенному ему в Периодической системе. Масса атома складывается из массы протонов и нейтронов. Зная порядковый номер элемента (Z), т. е. число протонов, и массовое число (А), равное сумме чисел протонов и нейтронов, можно найти число нейтронов (N) по формуле:
N = A — Z
Например, число нейтронов в атоме железа равно:
56 — 26 = 30
Изотопы
Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называются изотопами . Химические элементы, встречающиеся в природе, являются смесью изотопов. Так, углерод имеет три изотопа с массой 12, 13, 14; кислород - три изотопа с массой 16, 17, 18 и т. д. Обычно приводимая в Периодической системе относительная атомная масса химического элемента является средним значением атомных масс природной смеси изотопов данного элемента с учетом их относительного содержания в природе. Химические свойства изотопов большинства химических элементов совершенно одинаковы. Однако изотопы водорода сильно различаются по свойствам из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы; им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки.
Элементы первого периода
Схема электронного строения атома водорода:
Схемы электронного строения атомов показывают распределение электронов по электронным слоям (энергетическим уровням).
Графическая электронная формула атома водорода (показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням):
Графические электронные формулы атомов показывают распределение электронов не только по уровням и подуровням, но и по орбиталям.
В атоме гелия первый электронный слой завершен - в нем 2 электрона. Водород и гелий - s-элементы; у этих атомов заполняется электронами s-орбиталь.
У всех элементов второго периода первый электронный слой заполнен , и электроны заполняют s- и р-орбитали второго электронного слоя в соответствии с принципом наименьшей энергии (сначала s, а затем р) и правилами Паули и Хунда.
В атоме неона второй электронный слой завершен - в нем 8 электронов.
У атомов элементов третьего периода первый и второй электронные слои завершены, поэтому заполняется третий электронный слой, в котором электроны могут занимать 3s-, 3р- и 3d- подуровни.
У атома магния достраивается 3s- электронная орбиталь. Na и Mg - s-элементы.
У алюминия и последующих элементов заполняется электронами 3р-подуровень.
У элементов третьего периода остаются незаполненными 3d-орбитали.
Все элементы от Al до Ar - р-элементы. s- и р-элементы образуют главные подгруппы в Периодической системе.
Элементы четвертого — седьмого периодов
У атомов калия и кальция появляется четвертый электронный слой, заполняется 4s-подуровень, т. к. он имеет меньшую энергию, чем 3d-подуровень.
К, Са - s-элементы, входящие в главные подгруппы. У атомов от Sc до Zn заполняется электронами 3d-подуровень. Это 3d-элементы. Они входят в побочные подгруппы, у них заполняется предвнешний электронный слой, их относят к переходным элементам.
Обратите внимание на строение электронных оболочек атомов хрома и меди. В них происходит «провал» одного электрона с 4s- на 3d-подуровень, что объясняется большей энергетической устойчивостью образующихся при этом электронных конфигураций 3d 5 и 3d 10:
В атоме цинка третий электронный слой завершен - в нем заполнены все подуровни 3s, 3р и 3d, всего на них 18 электронов. У следующих за цинком элементов продолжает заполняться четвертый электронный слой, 4р-подуровень.
Элементы от Ga до Кr - р-элементы.
У атома криптона внешний слой (четвертый) завершен, имеет 8 электронов. Но всего в четвертом электронном слое может быть 32 электрона; у атома криптона пока остаются незаполненными 4d- и 4f-подуровни.У элементов пятого периода идет заполнение по-дуровней в следующем порядке: 5s — 4d — 5р. И так-же встречаются исключения, связанные с «провалом » электронов, у 41 Nb, 42 Мо, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.
В шестом и седьмом периодах появляются f-элементы, т. е. элементы, у которых идет заполнение соответственно 4f- и 5f-подуровней третьего снаружи электронного слоя.
4f-элементы называют лантаноидами.
5f-элементы называют актиноидами.
Порядок заполнения электронных подуровней в атомах элементов шестого периода: 55 Cs и 56 Ва - 6s-элементы; 57 La … 6s 2 5d x - 5d-элемент; 58 Се - 71 Lu - 4f-элементы; 72 Hf — 80 Hg - 5d-элементы; 81 Т1 — 86 Rn - 6d-элементы. Но и здесь встречаются элементы, у которых «нарушается» порядок заполнения электронных орбиталей, что, например, связано с большей энергетической устойчивостью наполовину и полностью заполненных f-подуровней, т. е. nf 7 и nf 14 . В зависимости от того, какой подуровень атома заполняется электронами последним, все элементы делят на четыре электронных семейства, или блока:
- s-элементы . Электронами заполняется s-подуровень внешнего уровня атома; к s-элементам относятся водород, гелий и элементы главных подгрупп I и II групп.
- p-элементы . Электронами заполняется р-подуровень внешнего уровня атома; к р-элементам относятся элементы главных подгрупп III- VIII групп.
- d-элементы . Электронами заполняется d-подуровень предвнешнего уровня атома; к d-элементам относятся элементы побочных подгрупп I-VIII групп, т. е. элементы вставных декад больших периодов, расположенных между s- и р-элементами. Их также называют переходными элементами.
- f-элементы . Электронами заполняется f-подуровень третьего снаружи уровня атома; к ним относятся лантаноиды и антиноиды.
Швейцарский физик В. Паули в 1925 г. установил, что в атоме на одной орбитали может находиться не более двух электронов, имеющих противоположные (антипараллельные) спины (в переводе с английского - «веретено»), т. е. обладающих такими свойствами, которые условно можно представить себе как вращение электрона вокруг своей воображаемый оси: по часовой или против часовой стрелки.
Этот принцип носит название принципа Паули . Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны, т. е. электроны с противоположными спинами. На рисунке показана схема подразделения энергетических уровней на подуровни и очередность их заполнения.
Очень часто строение электронных оболочек атомов изображают с помощью энергетических или квантовых ячеек - записывают так называемые графические электронные формулы. Для этой записи используют следующие обозначения: каждая квантовая ячейка обозначается клеткой, которая соответствует одной орбитали; каждый электрон обозначается стрелкой, соответствующей направлению спина. При записи графической электронной формулы следует помнить два правила: принцип Паули и правило Ф. Хунда , согласно которому электроны занимают свободные ячейки сначала по одному и имеют при этом одинаковое значение спина, а лишь затем спариваются, но спины, при этом по принципу Паули будут уже противоположно направленными.
Правило Хунда и принцип Паули
Правило Хунда - правило квантовой химии, определяющее порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: суммарное значение спинового квантового числа электронов данного подслоя должно быть максимальным. Сформулировано Фридрихом Хундом в 1925 году.
Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю.
Другая формулировка : Ниже по энергии лежит тот атомный терм, для которого выполняются два условия.
- Мультиплетность максимальна
- При совпадении мультиплетностей суммарный орбитальный момент L максимален.
Разберём это правило на примере заполнения орбиталей p-подуровня p -элементов второго периода (то есть от бора до неона (в приведённой ниже схеме горизонтальными чёрточками обозначены орбитали, вертикальными стрелками - электроны, причём направление стрелки обозначает ориентацию спина).
Правило Клечковского
Правило Клечковского — по мере увеличения суммарного числа электронов в атомах (при возрастании зарядов их ядер, или порядковых номеров химических элементов) атомные орбитали заселяются таким образом, что появление электронов на орбитали с более высокой энергией зависит только от главного квантового числа n и не зависит от всех остальных квантовых чисел, в том числе и от l. Физически это означает, что в водородоподобном атоме (в отсутствие межэлектронного отталкивания) орбитальная энергия электрона определяется только пространственной удаленностью зарядовой плотности электрона от ядра и не зависит от особенностей его движения в поле ядра.
Эмпирическое правило Клечковского и вытекающее из него схема очерёдностей несколько противоречатреальной энергетической последовательности атомых орбиталей только в двух однотипных случаях: у атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au имеет место “провал” электрона с s-подуровня внешнего слояна d-подуровень предыдущего слоя, что приводит к энергетически более устойчивому состоянию атома, аименно: после заполнения двумя электронами орбитали 6s