Электронное строение атомов в основном состоянии

Cходные по составу атомы

Сведения об элементарных частицах

Частица	Заряд	Масса
Kл	Условные единицы	г	а.е.м.
Электрон e	–1,6•10^–19	–1	9,1•10^–28	0,00055
Протон p	1,6•10^–19	+1	1,67•10^–24	1,007825
Нейтрон n			1,67•10^–24	1,00866

Примечание. A – массовое число, Z – заряд ядра атома, N – число нейтронов в ядре, A = Z + N.

Таблица

Порядковый номер элемента	Элемент	Главное квантовое число
Электронный слой
K	L	M	N
Энергетический подуровень
1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p
Число электронов на данном уровне
1 2	Н He	1 2
3 4 5 6 7 8 9 10	Li Be B C N O F Ne	2 2 2 2 2 2 2 2	1 2 2 2 2 2 2 2	0 0 1 2 3 4 5 6
11 12 13 14 15 16 17 18	Na Mg Al Si P S Cl Ar	2 2 2 2 2 2 2 2	2 2 2 2 2 2 2 2	6 6 6 6 6 6 6 6	1 2 2 2 2 2 2 2	0 0 1 2 3 4 5 6
19 20 21	K Ca Sc	2 2 2	2 2 2	6 6 6	2 2 2	6 6 6	0 0 1	1 2 2

Данные о строении ядра и распределении электронов в атомах позволяют рассмотреть ПСХЭ Д.И.Менделеева с фундаментальных физических позиций. Однозначным признаком химического элемента является заряд ядра Z, определяемый числом протонов в ядре и равный порядковому номеру элемента в ПСХЭ. Относительная атомная масса – усредненное значение Ar изотопов природной смеси.

Общее число электронов в электронейтральных атомах равно числу протонов в ядре или порядковому номеру элемента.
Число энергетических уровней, на которых располагаются электроны в атоме, определяется номером периода. Чем больше номер периода у элемента, тем больше энергетических уровней в его атоме.

Число элементов в периодах можно определить по следующим формулам:

для нечетных периодов

L_n = (n + 1)²/2,

где L_n – число элементов в периоде, n – номер периода;

для четных периодов

L_n = (n + 2)²/2.

Задание 1. Определить число химических элементов в каждом периоде ПСХЭ.

Задание 2. Определить число главных и побочных подгрупп в ПСХЭ.

Решение

Число главных подгрупп определяется максимальным числом электронов на s - и p -подуровнях.
Число переходных элементов в 4-м периоде (от ₂₁Sc до ₃₀Zn), в 5-м (от ₃₉Y до ₄₈Cd) и
6-м (₅₇La и от ₇₂Hf до ₈₀Hg) периодах равно 10 в каждом случае.
Число переходных элементов равно максимальному числу электронов на d -подуровне (10). Именно поэтому на 3-м (М) уровне на 10 электронов больше, чем на 2-м (L). Поскольку в каждом большом периоде периодической системы Д.И.Менделеева одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных элемента, близких по химическим свойствам:

4-й период – Fe–Co–Ni,
5-й период – Ru–Rh–Pd,
6-й период – Os–Ir–Pt,

то число побочных подгрупп....
(Проверить по периодической системе, сколько в ней главных и побочных подгрупп.)

Задание 3. Определить (по аналогии с переходными элементами) число лантаноидов и актиноидов, вынесенных в виде самостоятельных рядов вниз периодической системы.
Оно должно быть равно разности между максимальным числом электронов на … и … энергетических уровнях. Это число равно максимальному числу электронов на …-подуровне.
(Сверить вывод с периодической системой.)

Таким образом, строгая периодичность расположения элементов в ПСХЭ полностью
объясняется....
Периодическое изменение характера заполнения электронами внешних энергетических уровней вызывает периодические изменения химических свойств элементов и их соединений.

Электронные формулы элементов 2-го периода:

3Li – 1 s ^22 s ^1, 6С – 1 s ^22 s ^22 p ^2, 9F – 1 s ^22 s ^22 p ^5,

4Be – 1 s ^22 s ^2, 7N – 1 s ^22 s ^22 p ^3, 10Ne – 1 s ^22 s ^22 p ^6,

5B – 1 s ^22 s ^22 p ^1, 8O – 1 s ^22 s ^22 p ^4.

При переходе от Li к Ne заряд ядра (Z) постепенно увеличивается от +3 до +10, что вызывает увеличение сил притяжения электронов к ядру. В результате радиусы атомов в этом ряду уменьшаются.

Элемент	Li	Be	B	C	N	O	F
r (атома), в нм	0,156	0,111	0,083	0,065	0,055	0,047	0,042

Поэтому способность отдавать электроны, ярко выраженная у лития, постепенно ослабевает при переходе к фтору, являющемуся типичным неметаллом. Элемент фтор в реакциях присоединяет электроны. Он имеет самую высокую электроотрицательность, равную 4. Начиная со следующего за неоном элемента натрия (Na, Z = 11), электронные структуры атомов повторяются. Как следствие, внешние электронные орбитали можно представить в общем виде, где n – номер периода:

для Li и Na – ns ^1, для B и Al – ns ^2 np ^1, для N и P – …….……., для F и Cl – …….…….,

для Be и Mg – ns ^2, для C и Si – …….……., для O и S – …….……., для Ne и Ar – …….……..

В 4-м периоде появляются переходные элементы, принадлежащие побочным подгруппам. Элементы одной и той же подгруппы имеют идентичный характер расположения электронов на внешних электронных уровнях, а принадлежащие к разным подгруппам одной и той же
группы – ….
Например, галогены (главная подгруппа VIIa) – ns ² np ⁵ (идентичная конфигурация), элементы побочной подгруппы VIIб – (n – 1) s ²(n – 1) p ⁶(n – 1) d ⁵ ns ² (cходная конфигурация). Сходство состоит в наличии у атомов обеих подгрупп семи валентных электронов, но их расположение по подуровням существенно отличается.

Задание 4. Указать и обосновать сходство и различие элементов главной и побочной подгрупп: а) V группы ПСХЭ; б) VI группы ПСХЭ; принадлежность этих элементов к s-, p-, d-, f-типам.

Задание 5. Привести конкретные примеры важнейших направлений развития химии на основе периодического закона и системы химических элементов Д.И.Менделеева.

Дата добавления: 2014-01-15