Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Распределение электронов по уровням при различных степенях окисления элементов VIB группы




Степень окисления   -2 +4 +6
  Распределение электронов по уровням при различных степенях окисления элементов
S [Ne]3 s 23 p 4 2)8)6) 2)8)8) 2)8)2) 2)8)0)
Se [Ar]3 d 104 s 24 p 4 2)8) 18)6) 2)8) 18)8) 2)8) 18)2) 2)8) 18)0)
Te [Kr]4 d 105 s 25 p 4 2)8)18) 18)6) 2)8)18) 18)8) 2)8)18) 18)2) 2)8)18) 18)0)
Cr [Ar]3 d 54 s 1 2)8)13)1) - - 2)8) 8)0)
Mo [Kr]4 d 55 s 1 2)8)18)13)1) - - 2)8)18) 8)0)
W [Xe]4 f 145 d 46 s 1 2)8)18)32)12)2) - - 2)8)18)32) 8)0)

 

Например, простые вещества сера и хром (нулевая степень окисления) - типичные неметалл и металл соответственно, но в высшей степени (+6) хром становится электронным аналогом серы, что приводит к аналогии в химических свойствах (H2SO4, H2CrO4 –сильные кислоты, SO3, CrO3 – ангидриды кислот и т.д.). Подобные отношения характерны для элементов III, IV, V, VII групп периодической системы.

Таким образом, физический смысл периодического закона состоит в том, что при последовательном возрастании зарядов ядер атомов элементов периодически повторяется конфигурация внешних электронных оболочек и как следствие – периодически повторяются химические свойства элементов.

Не только химические свойства элементов, но и многие их важнейшие характеристики: радиусы атомов и ионов, энергии ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, оптические и магнитные свойства периодически повторяются с ростом заряда ядра атомов.

Атомные радиусы. В связи с волновой природой электрона атом не имеет строгих размеров, поэтому радиус атома – условное понятие. Различают ковалентные, металлические, ван-дер-ваальсовы и ионные радиусы. Их определяют как полусумму соответствующих расстояний между ядрами соседних атомов в молекулах или кристаллах. Существуют орбитальные радиусы, рассчитанные на основе атомных волновых функций. Радиусы различных типов значительно отличаются друг от друга, поэтому можно сравнивать радиусы атомов в однотипных структурах. Радиус – наиболее важное свойство атома. Чем больше атомный радиус, тем слабее удерживаются внешние электроны.

В периоде радиусы атомов уменьшаются слева направо. Это можно объяснить увеличением силы притяжения электронов к ядру с ростом его заряда, что приводит к сжатию электронной оболочки, а значит, к уменьшению радиуса. К концу периодов радиусы атомов возрастают, так как заметную роль играет взаимное отталкивание электронов.

III период Na Mg Al Si P Ar

Атомный радиус., Ǻ 1,89 1,60 1,43 1,34 1,30 1,92

Заряд ядра +11 +12 +13 +14 +15 +16

В больших периодах (IV – VII) у d - и f -элементов атомный радиус. изменяется более плавно вследствие заполнения электронами второй и третьей снаружи электронной оболочки.

IV период Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni

Атомный радиус., Ǻ 1,61 1,45 1,32 1,25 1,24 1,26 1,25 1,24

В группах при движении сверху вниз атомный радиус возрастает, так как увеличивается число слоев в электронной оболочке атомов. У элементов главных подгрупп увеличение радиуса выражено сильнее, чем в побочных подгруппах. При переходе от V к VI периоду радиусы атомов практически не изменяются. Это является следствием сжатия электронной оболочки при заполнении d- и f- орбиталей (d- и f- сжатие).

 

V период Zr Nb Mo

Атомный радиус., Ǻ 1,57 1,43 1,36

VI период Hf Ta W

Атомный радиус., Ǻ 1,57 1,43 1,37

 

Энергия ионизации. Сродство к электрону. Химическая активность элементов определяется способностью их атомов терять или приобретать электроны. Количественно это характеризуется энергией ионизации (Е и)или потенциалом ионизации (I) и сродством к электрону (Ее).

Энергия ионизации – это минимальная энергия, которую необходимо затратить для удаления электрона из невозбужденного атома, иона или молекулы:

Э(г) + Е и → Э(г)+ + е -

Еи обычно выражается в электроновольтах (эВ). Энергия ионизации, выраженная в электроновольтах, численно равна потенциалу ионизации в вольтах, т.е. наименьшему напряжению электрического поля, при котором происходит ионизация атомов (I1). Первый потенциал ионизации соответствует ионизации атома нейтрального атома. Второй, третий и т.д. потенциалы ионизации соответствуют ионизации катионов. Следовательно, I1< I2< I3<…< In.

В периодах энергия ионизации атомов возрастает слева направо. Это вызвано сжатием электронной оболочки с ростом заряда ядра, которое приводит к более прочной связи внешних электронов с ядром. В пределах декад переходных элементов, а также f -элементов значения Еи также увеличиваются, но незначительно, так как мало изменяются радиусы атомов. Наименьшая энергия ионизации у s -элементов I группы - щелочных металлов, имеющих наибольший радиус и один валентный электрон (ns1), наибольшая – у р -элементов VIII группы (благородные газы). Изменение энергии ионизации по периоду носит немонотонный характер. Например, Е и уменьшается при начале заполнения p -орбиталей (B, Al, Ga и т.д.) и при появлении спаренных электронов на внешних p-орбиталях.

Li Be B C N O F Ne

I1, эВ 5,39 9,32 8,30 11,26 14,53 13,61 17,42 21,56

В подгруппах сверху вниз энергия ионизации уменьшается. Это объясняется увеличением числа электронных слоёв в оболочке атомов, а значит – возрастанием атомного радиуса, что, в свою очередь, ослабляет притяжение внешних электронов к ядру.

Сродство к электрону. Способность атома присоединять электрон с образованием отрицательно заряженного иона количественно характеризуется изменением энтальпии (энергии) процесса:

Э(г) + е → Э(г)- ± Ее

Такой процесс может быть как эндо-, так и экзотермическим. Сродство к электрону выражается в кДж или эВ. Сродство к электрону измерить достаточно трудно, поэтому оно известно не для всех элементов. По сравнению с энергией ионизации сродство к электрону невелико, поскольку присоединение избыточного электрона приводит к усилению межэлектронного отталкивания и повышению энергии атомной орбитали.

Минимальное сродство к электрону наблюдается у атомов, имеющих завершенные s 2- и s 2 p 6-орбитали, мало оно и у атомов с конфигурацией s 2 p 3 (N, P, As). Наибольшим сродством к электрону обладают атомы р -элементов VIIА группы, имеющие конфигурацию s 2 p 5. Как правило, у элементов III периода сродство к электрону больше, чем у элементов II периода.

В большинстве случаев сродство к электрону в ряду атомов элементов изменяется в той же последовательности, что и их энергия ионизации: по периоду увеличивается слева направо, по группе уменьшается сверху вниз.

Энергия ионизации и сродство к электрону связаны также с химическими свойствами элементов. Так, элементы, имеющие небольшие значения Е и и Ее обладают ярко выраженными металлическими свойствами.

Электроотрицательность (χ) характеризует относительную способность атомов перетягивать к себе электроны, связывающие их с другими атомами в гетероатомной молекуле. Существует несколько способов количественной оценки электроотрицательности.

Наиболее часто используется шкала относительной электроотрицательности Полинга, который впервые ввел это понятие. По шкале Полинга относительная электроотрицательность Li равна 1, а наиболее электроотрицательного элемента F – 4,01. Маликен предложил определять электроотрицательность (χ м) как полусумму энергий ионизации (Е и) и сродства к электрону:

χ м =(Е и + Ее)/2.

Значения электроотрицательности, полученные разными способами, не совпадают, однако общие тенденции их изменения по периодической системе сохраняются. В периоде с увеличением заряда ядра атома элемента электроотрицательность возрастает, в группе сверху вниз – уменьшается. Электроотрицательность служит мерой неметалличности элемента: чем больше χ, тем сильнее элемент проявляет неметаллические свойства. Следует отметить, что элементы двойственны по своей природе, поэтому деление на металлы и неметаллы условно. Принято считать границей между металлами и неметаллами относительную электроотрицательность, примерно равную двум.

Пользуясь значениями электроотрицательности, можно определить направление перехода электронов в различных реакциях. Так, в реакции между водородом и фтором:

H2 + F2 = 2HF

водород будет восстановителем, а фтор – окислителем, так как

χ H F. Это можно записать в форме электронных уравнений:

H2 – 2 е - = 2H+

F2 + 2 e - = 2F-

Таким образом, чем больше величина относительной электроотрицательности элемента, тем сильнее его окислительные свойства, а чем меньше эта величина, тем сильнее элемент проявляет восстановительные свойства.

Степень окисления относится к основным понятиям химии. При определении степени окисления условно предполагают, что в соединениях связывающие (валентные) электроны перешли к более электроотрицательному атому, а потому соединения состоят только из ионов. В действительности же в большинстве случаев происходит не отдача или присоединение электронов, а только смещение электронных пар от одного атома к другому.

Степень окисления - это условный заряд атома элемента в соединении, вычисленный исходя из предположения о том, что вещество состоит только из ионов.

Пользуясь периодической системой, можно определить основные возможные степени окисления элементов. Максимальная положительная степень окисления элементов в подавляющем большинстве случаев численно равна номеру группы. Исключение составляют элементы VII группы (Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Ir, Pt), инертные газы (He, Ne, Ar, Kr), кислород O и фтор F, для которых максимальная степень окисления меньше номера группы, а также элементы побочной подгруппы I группы (Cu, Ag, Au), для которых максимальная степень окисления больше номера группы. Например, для хлора (Cl) и марганца (Mn), находящихся в VII группе, максимальная степень окисления равна +7. Их высшие оксиды имеют формулы Mn2O7, Cl2O7, свойства этих соединений также во многом похожи. Минимальная степень окисления для элементов главных подгрупп IV – VII групп может быть определена как (8- N), где N – номер группы. Например, для элементов V группы (азот, фосфор и др.) такая степень окисления равна -3 (NH3, Ca3P2), для VII группы (галогены) равна -1 (HF, KCl).

Пример 1. Мышьяк находится в 4-ом периоде и V группе периодической системы элементов. Напишите электронную конфигурацию валентных электронов атома в основном состоянии, предскажите формулу его высшего оксида и водородного соединения. Сравните радиус его атома с радиусом атома фосфора.

Решение: Мышьяк относится к p -элементам. Главное квантовое число для его внешних электронов равно номеру периода, а их число – номеру группы. У элементов IV периода, расположенных до As, произошло заполнение 3 d -подуровня. Следовательно, электронная конфигурация As: [Ar]3 d 104 s 24 p 3. Максимальная степень окисления мышьяка равна +5, формула его высшего оксида AsH3. Радиус атома мышьяка больше, чем атома фосфора.

Задачи для самостоятельного решения

21. Покажите на примере атомов азота и серы, как при заполнении электронами энергетических уровней атомов действует принцип Паули и правило Хунда?

22. Какую информацию дает электронная формула элемента? Для атома Zn и иона Mn2+ запишите электронные конфигурации (в длинной и сокращенной форме), укажите распределение электронов по энергетическим уровням, отметьте (подчеркиванием) валентные электроны.

23. Для атома Cr и иона S2- запишите электронные конфигурации (в длинной и сокращенной форме), укажите валентные электроны и приведите для них наборы квантовых чисел.

24. Какое квантовое число определяет число атомных орбиталей на энергетическом уровне? Приведите электронографическую формулу (в виде квантовых ячеек) для атома железа. Как располагаются электроны в невозбужденном атоме железа и в ионе Fe3+?

25. Приведите электронные конфигурации (в длинной и сокращенной форме), для атомов меди и хрома. Чем объясняется “провал” с внешнего на предвнешний уровень одного из валентных электронов? Какая электронная конфигурация соответствует наибольшей устойчивости атома или иона?

26. Что представляют собой электронные семейства элементов? Запишите электронные формулы для атомов элементов с зарядом ядра 9 и 28. Укажите валентные электроны. К какому электронному семейству относится каждый из этих атомов?

27. Какие элементы называют электронными аналогами? Перечислите электронные аналоги в седьмой группе периодической системы. Запишите электронные формулы для атомов хлора и марганца, укажите распределение электронов по уровням (например, 2)8)…). В каком случае данные элементы можно считать электронными аналогами?

28. В чем состоит отличие между понятиями “степень окисления” и “валентность”? Дайте пояснение на примере атомов фтора и серы.

29. Почему при одинаковой конфигурации внешнего валентного слоя атомов азота и фосфора, кислорода и серы, фтора и хлора элементы этих пар различаются по валентным возможностям?

30. Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда как свойства простых веществ, образуемых этими элементами, изменяются периодически. Чем это можно объяснить?

31. Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, почему в периодической системе элементы аргон, кобальт, теллур помещены соответственно перед кальцием, никелем, йодом, хотя их атомная масса больше?

32. Почему число элементов (N) в периодах периодической системы неодинаково? Какие периоды называют малыми и большими? Почему? Докажите, что число элементов в периоде соответствует формуле: N = 2 n 2, где n – главное квантовое число.

33. В чем заключается отличие между атомами элементов главной и побочной подгрупп периодической системы? Как изменяются металлические свойства элементов главной и побочной подгрупп с увеличением заряда ядра атомов? Поясните на примере элементов V группы.

34. Что понимают под радиусом атома? Как изменяется радиус атомов элементов в периодах периодической системы при движении слева направо? Является ли это изменение монотонным? Дайте пояснения на примере элементов второго периода.

35. Что понимают под энергией ионизации? В каких единицах она выражается? Почему в ряду C – Pb проявляется тенденция к уменьшению энергии ионизации атома?

36. Сравните энергии ионизации атомов элементов второго периода. Почему в ряду элементов периода энергия ионизации атомов изменяется немонотонно? Например, энергия ионизации (потенциал ионизации первого порядка) атомов бора и кислорода меньше, чем соответственно атомов бериллия и азота?

37. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно измеряется? Как изменяется сродство к электрону в периодах и группах периодической системы, какое свойство простых веществ характеризует? Почему атомы с конфигурацией валентных электронов (s 2 p 6) не проявляют сродства к электрону?

38. Объясните, почему сродство к электрону атома углерода намного больше, чем атома азота? Дайте ответ на основе сопоставления строения электронных оболочек атомов.

39. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность элементов в периодах и группах периодической системы? Ответ подтвердите примерами.

40. Сера образует химические связи с калием, водородом, бором и углеродом. Какие из связей наиболее и наименее полярные? Почему? Ответ подтвердите сравнением значений электроотрицательности атомов.

 

Раздел 3




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-11-07; Просмотров: 2194; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.011 сек.