I Реакционная способность веществ

Атом представляет собой сложную микросистему, состоящую из ядра и движущихся вокруг него электронов. Число электронов в атоме равно заряду его ядра и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме. Пространство, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называют атомной орбиталью. Энергетическое состояние электрона в изолированном атоме описывается четырьмя квантовыми числами: главным n, орбитальным l, магнитным m_l, спиновым m_s.

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, 4, 5, …- и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше n, тем выше энергия. Переходы электронов с одной оболочки (уровня) на другую сопровождаются выделением квантов энергии.

Орбитальное квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Орбитальные квантовые числа принимают целочисленные значения от 0 до(n- 1). Электроны с орбитальным квантовым числом 0 называются s-электронами. Орбитали и электронные облака имеют сферическую форму.

Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются р-электронами. Орбитали и соответствующие электронные облака имеют форму, напоминающую гантель.

Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называют d -электронами. Орбитали имеют более сложную форму, чем р-орбитали.

Электроны с орбитальным квантовым числом 3 получили название f- орбиталей. Форма их орбиталей ещё сложнее, чем у d- орбиталей.

Магнитное квантовое число m характеризует ориентацию орбитали в пространстве. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Соответственно, для s-подуровня имеется одна орбиталь (m_l=0), у р-подуровня – три орбитали (m_l=-1, 0, +1), у d-подуровня – пять орбиталей (m_l=-2, -1, 0, +1, +2).

Каждый электрон характеризуется также собственным механическим моментом движения, называемым спином.

Спиновое квантовое число m_s имеет только два значения +1/2 и -1/2. Положительные и отрицательные значения спина связаны с его направлением.

Запись распределения электронов в атоме по уровням, подуровням и орбиталям называют электронной конфигурацией элемента. Обычно электронная конфигурация приводится для основного состояния атома. В случае, когда один или несколько электронов находятся в возбужденном состоянии, то и электронная конфигурация характеризует возбужденное состояние атома.

Заполнение энергетических уровней электронами в многоэлектронных атомах подчиняется трём принципам:

1. Принцип Паули. В любой атомной или молекулярной системе не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

2. Принцип наименьшей энергии. Электроны при заполнении орбиталей занимают прежде всего те орбитали, энергия которых меньше (энергия же орбиталей определяется значением главного n и орбитального l квантовых чисел). Последовательность заполнения атомных орбиталей очередными электронами в соответствии с принципом наименьшей энергии следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→5d¹→+4f→ 5d^2-10→ 6p→7s→6d¹→5f→6d²…

3. Правило Гунда. Все орбитали заполняются электронами по возможности по одному, и только после этого электроны спариваются.

В соответствии с тем, какое состояние заполняется очередным электроном, отличающим данный элемент от предыдущего в периодической системе, все элементы делятся на s-, p-, d- и f- семейства. К s- семейству относятся элементы главных подгрупп I и II групп периодической системы, а также водород и гелий; к p - семейству – элементы главных подгрупп III – VIII групп, к d- семейству – элементы побочных подгрупп, к f- семейству – лантаноиды и актиноиды.

Для составления электронной формулы атома данного элемента необходимо знать положение его в периодической системе. Порядковый номер указывает на заряд ядра его атома, а, следовательно, и на общее число электронов в атоме. Номер периода соответствует количеству энергетических уровней в атоме. Номер группы отвечает числу валентных электронов (электронов, участвующих в образовании химических связей). В атомах элементов главных подгрупп валентные электроны заполняют наружный энергетический уровень (s- или s- и p- состояния). В атомах элементов побочных подгрупп валентные электроны находятся в s- состоянии внешнего энергетического уровня и в d- состоянии предыдущего уровня.

Электронными аналогами называются элементы, у которых валентные электроны расположены на орбиталях, описываемых общей для всех элементов формулой. В периодической системе элементов электронные аналоги входят в состав одной подгруппы.

Пример 1. Составить электронную формулу атома магния Mg (элемент s-семейства).

Порядковый номер магния 12, значит, в атоме двенадцать электронов. Магний – элемент III периода – три энергетических уровня в атоме. Элемент главной подгруппы II группы, следовательно, два валентных электрона в s-состоянии находятся в наружном, третьем, энергетическом уровне. Отсюда электронная формула атома магния:

1s²2s²2p⁶3s².

Пример 2. Составить электронную формулу атома углерода С (элемент p- семейства).

Порядковый номер 6 – 6 электронов. Период II – два энергетических уровня. Главная подгруппа IV группы – 4 валентных электрона в s- и p- состояниях внешнего энергетического уровня. Электронная формула атома С:

1s²2s²2p²

Пример 3. Составить электронную формулу титана (элемент d- семейства).

Порядковый номер 22 – двадцать два электрона. IV период – четыре энергетических уровня. Побочная подгруппа IV группы - четыре валентных электрона (два в s-состоянии наружного четвёртого энергетического уровня и два в d-состоянии третьего энергетического уровня). Электронная формула атома титана:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Пример 4. Составить электронную формулу атома гадолиния (элемент f- семейства).

Порядковый номер 64 – шестьдесят четыре электрона. VI период – шесть энергетических уровней. Побочная подгруппа III группы – три валентных электрона (два в s-состоянии шестого энергетического уровня и один в d-состоянии пятого энергетического уровня). Очередной электрон, отличающий атом гадолиния от атома предыдущего элемента, заполняет 4f-орбитали:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f⁷5s²5d¹6s².

Дата добавления: 2014-11-25