Атомы. Ионы. Химические элементы — Гипермаркет знаний. Строение атомов и ионов

Тем, какой состав имеет молекула. То есть какими атомами образована молекула, в каком количестве, какими связями соединены эти атомы. Все это определяет свойство молекулы, и соответственно свойство вещества, которое эти молекулы образуют.

Например, свойства воды: прозрачность, текучесть, способность вызывать ржавчину обусловлено именно наличием двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Поэтому прежде, чем приступить к изучению свойств молекул (то есть свойств веществ), нужно рассмотреть «кирпичики», которыми эти молекулы образованы. Разобраться в строении атома.

Как устроен атом?

Атомы – это частицы, которые, соединяясь друг с другом, образуют молекулы.

Сам атом состоит из положительно заряженного ядра (+) и отрицательно заряженной электронной оболочки (-) . В целом атом электронейтрален. То есть заряд ядра равен по модулю заряду электронной оболочки.

Ядро образовано следующими частицами:

• Протоны . Один протон несет заряд +1. Масса его равна 1 а.е.м (атомная единица массы). Эти частицы обязательно присутствуют в ядре.

• Нейтроны . Нейтрон не имеет заряда (заряд = 0). Масса его равна 1 а.е.м. Нейтронов может не быть в ядре. Это не обязательный компонент атомного ядра.

Таким образом за общий заряд ядра отвечают протоны. Поскольку один нейтрон имеет заряд +1, то заряд ядра равен числу протонов.

Электронная оболочка, как видно из названия образована частицами, которые называются электронами. Если сравнивать ядро атома с планетой, то электроны – это ее спутники. Вращаясь вокруг ядра (пока представим, что по орбитам, а на самом деле по орбиталям), они образуют электронную оболочку.

• Электрон – это очень маленькая частица. Ее масса на столько мала, что принимается за 0. А вот заряд у электрона -1. То есть по модулю равен заряду протона, отличается знаком. Поскольку один электрон несет заряд -1, то общий заряд электронной оболочки равен числу электронов в ней.

Одно важное следствие, раз атом – частица, не имеющая заряда (заряд ядра и заряд электронной оболочки равны по модулю, но противоположены по знаку), то есть электронейтральная, следовательно, число электронов в атоме равно числу протонов .

Чем отличаются атомы разных химических элементов друг от друга?

Атомы разных химических элементов отличаются друг от друга зарядом ядра (то есть числом протонов, и, следовательно, числом электронов).

Как узнать заряд ядра атома элемента? Гениальный отечественный химик Д. И. Менделеев, открыв периодический закон, и разработав таблицу, названную его именем, дал нам возможность сделать это. Его открытие забегало далеко вперед. Когда еще не было известно о строении атома, Менделеев расположил элементы в таблице в порядке возрастания заряда ядра.

То есть порядковый номер элемента в периодической системе – это заряд ядра атома данного элемента. Например, у кислорода порядковый номер 8, соответственно заряд ядра атома кислорода равен +8. Соответственно число протонов равно 8, и число электронов равно 8.

Именно электроны в электронной оболочке определяют химические свойства атома, но об этом чуть позже.

Теперь поговорим о массе .

Один протон – это одна единица массы, один нейтрон – это тоже одна единица массы. Поэтому сумма нейтронов и протонов в ядре называется массовым числом . (Электроны на массу никак не влияют, так как мы пренебрегаем его массой и считаем ее равной нулю).

Атомная единица массы (а. е. м.) – специальная физическая величина для обозначения малых масс частиц, образующих атомы.

Все эти три атома – атомы одного химического элемента – водорода. Поскольку у них одинаковый заряд ядра.

Чем они будут отличаться? У этих атомов разные массовые числа (из-за разного числа нейтронов). У первого атома массовое число равно 1, у второго 2, у третьего 3.

Атомы одного элемента, различающиеся количеством нейтронов (и, следовательно, массовыми числами) называются изотопами .

У представленных изотопов водорода даже есть свои названия:

• Первый изотоп (с массовым числом 1) называется протий.
• Второй изотоп (с массовым числом 2) называется дейтерий.
• Третий изотоп (с массовым числом 3) называется тритий.

Теперь следующий резонный вопрос: почему если число нейтронов и протонов в ядре число целое, масса их по 1 а.е.м., то в периодической системе масса атома – дробное число. У серы, например: 32,066.

Ответ: у элемента есть несколько изотопов, они отличаются друг от друга массовыми числами. Поэтому атомная масса в периодической таблице – это среднее значение атомных масс всех изотопов элемента с учетом их встречаемости в природе. Эта масса, указанная в периодической системе, называется относительной атомной массой .

Для химических расчетов используются показатели именно такого «усредненного атома». Атомная масса округляется до целого.

Строение электронной оболочки.

Химические свойства атома определяются строением его электронной оболочки. Электроны вокруг ядра располагаются не абы как. Электроны локализуются на электронных орбиталях.

Электронная орбиталь – пространство вокруг атомного ядра, где вероятность нахождения электрона наибольшая.

У электрона есть один квантовый параметр, который называется спин. Если брать классическое определение из квантовой механики, то спин – это собственный момент импульса частицы. В упрощенном виде это можно представить, как направление вращения частицы вокруг своей оси.

Электрон – это частица с полуцелым спином, у электрона спин может быть либо +½ либо -½. Условно это можно представить, как вращение по часовой и против часовой.

На одной электронной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположенными спинами.

Общепринятым обозначением электронной обитали является клетка либо черточка. Электрон обозначается стрелкой: стрелка вверх – электрон с положительным спином +½, стрелка вниз ↓ – электрон с отрицательным спином -½.

Электрон, одинокий на орбитали называется неспаренным . Два электрона, располагающиеся на одной орбитали, называются спаренными .

Электронные орбитали подразделяются в зависимости от формы на четыре вида: s, p, d, f. Орбитали одинаковой формы формируют подуровень. Число орбиталей на подуровне определяется числом возможных вариантов расположения в пространстве.

1. s-орбиталь.

s-орбиталь имеет форму шара:

В пространстве s-орбиталь может располагаться только одним способом:

Поэтому s-подуровнь формируется только одной s-орбиталью.

1. р-орбиталь.

p-орбиталь имеет форму гантели:

В пространстве p-орбиталь может располагаться только тремя способами:

Поэтому p-подуровнь формируется тремя p-орбиталями.

1. d-орбиталь.

d-орбиталь имеет сложную форму:

В пространстве d-орбиталь может располагаться пятью разными способами. Поэтому d-подуровнь формируется пятью d-орбиталями.

1. f-орбиталь

f-орбиталь имеет еще более сложную форму. В пространстве f-орбиталь может располагаться семью разными способами. Поэтому f-подуровнь формируется семью f-орбиталями.

Электронная оболочка атома похожа на слоеное кондитерское изделие. В нем тоже есть слои. Электроны, находящиеся на разных слоях, имеют разную энергию: на слоях ближе ядру – меньше, на удаленных от ядра – бо̀льшую. Слои эти называются энергетическими уровнями.

Заполнение электронных орбиталей .

Первый энергетический уровень имеет только s-подуровень:

На втором энергетическом уровне есть s-подуровень и появляется p-подуровень:

На третьем энергетическом уровне есть s-подуровень, p-подуровень и появляется d-подуровень:

На четвертом энергетическом уровне, в принципе, прибавляется f-подуровень. Но в школьном курсе f-орбитали не заполняются, поэтому мы можем не изображать f-подуровень:

Число энергетических уровней в атоме элемента равно номеру периода . При заполнении электронных орбиталей нужно следовать следующим принципам:

1. Каждый электрон старается занять в атоме то положение, где его энергия будет минимальной. То есть сначала идет заполнение первого энергетического уровня, потом второго и так далее.

Для описания строения электронной оболочки так же используется электронная формула. Электронная формула – это краткая запись в одну строку распределения электронов по подуровням.

1. На подуровне сначала каждый электрон заполняет свободную орбиталь. И каждый имеет спин +½ (стрелка вверх).

И только после того как на каждой орбитали подуровня будет по одному электрону, следующий электрон становится спаренным – то есть занимает орбиталь, на которой уже есть электрон:

1. d-подуровень заполняется по-особому.

Дело в том, что энергия d-подуровня выше, чем энергия s-подуровня СЛЕДУЮЩЕГО энергетического слоя. А как мы знаем, электрон старается занять то положение в атоме, где его энергия будет минимальной.

Поэтому после заполнения 3p-подуровня, заполняется сначала 4s-подуровень, после чего заполняется 3d-подуровень.

И только после того как 3d-подуровень заполнен полностью, заполняется 4p-подуровень.

Так же и с 4 энергетическим уровнем. После заполнения 4p-подуровня, следующим заполняется 5s-подуровень, после него 4d-подуровень. И после него только 5p.

1. И есть еще один момент, одно правило касаемо заполнения d-подуровня.

То происходит явление, называемое провалом . При провале один электрон с s-подуровня следующего энергетического уровня, в прямом смысле проваливается на d-электрон.

Основное и возбужденное состояния атома.

Атомы, электронные конфигурации которых мы сейчас строили, называются атомами в основнóм состоянии . То есть, это обычное, естественное, если угодно, состояние.

Когда атом получает энергию извне, может произойти возбуждение.

Возбуждение – это переход спаренного электрона на пустую орбиталь, в пределах внешнего энергетического уровня .

Например, у атома углерода:

Возбуждение характерно для многих атомов. Это необходимо помнить, потому как возбуждение определяет способность атомов связываться друг с другом. Главное помнить условие, при котором может произойти возбуждение: спаренный электрон и пустая орбиталь на внешнем энергетическом уровне.

Есть атомы, у которых несколько возбужденных состояний:

Электронная конфигурация иона.

Ионы – это частицы, в которые превращаются атомы и молекулы, приобретая или теряя электроны. Эти частицы имеют заряд, так как у них либо «не хватает» электронов, либо их избыток. Положительно заряженные ионы называются катионами , отрицательные – анионами .

Атом хлора (не имеет заряда) приобретает электрон. У электрона заряд 1- (один минус), соответственно образуется частица, имеющая избыточный отрицательный заряд. Анион хлора:

Cl 0 + 1e → Cl –

Атом лития (тоже не имеющий заряда) теряет электрон. У электрона заряд 1+ (один плюс), образуется частица, с недостатком отрицательного заряда, то есть заряд у нее положительный. Катион лития:

Li 0 – 1e → Li +

Превращаясь в ионы, атомы приобретают такую конфигурация, что внешний энергетический уровень становится «красивым», то есть полностью заполненным. Такая конфигурация наиболее термодинамически стабильная, поэтому атомам есть резон превращаться в ионы.

И поэтому атомы элементов VIII-A группы (восьмой группы главной подгруппы), как сказано в следующем параграфе это благородные газы, такие химически малоактивны. У них в основном состоянии такое строение: внешний энергетический уровень полностью заполнен. Другие атомы, как бы стремятся приобрести конфигурацию этих самых благородных газов, поэтому и превращаются в ионы и образуют химические связи.

Процесс образования частицы H2+ можно представить следующим образом:

Н + Н+ H2+.

Таким образом, на связывающей молекулярной s -орбитали располагается один электрон.

Кратность связи равна полуразности числа электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях. Значит, кратность связи в частице H2+ равна (1 – 0):2 = 0,5. Метод ВС, в отличие от метода МО, не объясняет возможность образования связи одним электроном.

Молекула водорода имеет следующую электронную конфигурацию:

В молекуле H2 имеется два связывающих электрона, значит, связь в молекуле одинарная.

Молекулярный ион H2- имеет электронную конфигурацию:

H2- [(s 1s)2(s *1s)1].

Кратность связи в H2- составляет (2 – 1):2 = 0,5.

Рассмотрим теперь гомоядерные молекулы и ионы второго периода.

Электронная конфигурация молекулы Li2 следующая:

2Li (K2s) Li2 .

Молекула Li2 содержит два связывающих электрона, что соответствует одинарной связи.

Процесс образования молекулы Ве2 можно представить следующим образом:

2 Ве(K2s2) Ве2 .

Число связывающих и разрыхляющих электронов в молекуле Ве2 одинаково, а поскольку один разрыхляющий электрон уничтожает действие одного связывающего, то молекула Ве2 в основном состоянии не обнаружена.

В молекуле азота на орбиталях располагаются 10 валентных электронов. Электронное строение молекулы N2:

Поскольку в молекуле N2 восемь связывающих и два разрыхляющих электрона, то в данной молекуле имеется тройная связь. Молекула азота обладает диамагнитными свойствами, поскольку не содержит неспаренных электронов.

На орбиталях молекулы O2 распределены 12 валентных электронов, следовательно, эта молекула имеет конфигурацию:

Рис. 9.2. Схема образования молекулярных орбиталей в молекуле О2 (показаны только 2р-электроны атомов кислорода)

В молекуле O2, в соответствии с правилом Хунда, два электрона с параллельными спинами размещаются по одному на двух орбиталях с одинаковой энергией (рис. 9.2). Молекула кислорода по методу ВС не имеет неспаренных электронов и должна обладать диамагнитными свойствами, что не согласуется с экспериментальными данными. Метод молекулярных орбиталей подтверждает парамагнитные свойства кислорода, которые обусловлены наличием в молекуле кислорода двух неспаренных электронов. Кратность связи в молекуле кислорода равна (8–4):2 = 2.

Рассмотрим электронное строение ионов O2+ и O2- . В ионе O2+ на его орбиталях размещаются 11 электронов, следовательно, конфигурация иона следующая:

Кратность связи в ионе О2+ равна (8–3):2 = 2,5. В ионе O2- на его орбиталях распределены 13 электронов. Этот ион имеет следующее строение:

O2- .

Кратность связи в ионе О2- равна (8 – 5):2 = 1,5. Ионы О2- и О2+ являются парамагнитными, так как содержат неспаренные электроны.

Электронная конфигурация молекулы F2 имеет вид:

Кратность связи в молекуле F2 равна 1, так как имеется избыток двух связывающих электронов. Поскольку в молекуле нет неспаренных электронов, она диамагнитна.

В ряду N2, O2, F2 энергии и длины связей в молекулах составляют:

Увеличение избытка связывающих электронов приводит к росту энергии связи (прочности связи). При переходе от N2 к F2 длина связи возрастает, что обусловлено ослаблением связи.

В ряду О2- , О2, О2+ кратность связи увеличивается, энергия связи также повышается, длина связи уменьшается.

ВВЕДЕНИЕ

Соединения высшего порядка - так называл знаменитый шведский химик И.Я. Берцелиус (1779-1848) сложные многокомпонентные химические соединения, строение которых очень долго оставалось загадкой для ученых. Данный термин широко использовал А.Вернер и многие другие ученые прошлого и начала настоящего века. Термин «комплексные соединения» введен в химическую литературу выдающимся химиком В. Оствальдом.

Комплексные соединения химики обнаруживали прежде всего среди неорганических веществ. Поэтому химия этих соединений долго считалась разделом неорганической химии. В середине прошедшего столетия она оформилась в самостоятельную отрасль химической науки. В последующие десятилетия комплексные соединения стали играть интегрирующую роль для отдельных отраслей химии. Во второй половине прошлого столетия выяснилось, что комплексные соединения являются объектами изучения различных отраслей химии: аналитической, металлорганической, биологической, гомогенного катализа. На базе общего интереса специалисты этих отраслей химии стали налаживать тесные контакты, организовывать общие конференции.

Время рождения координационной химии как науки связывают со случайным получением в 1798 году Тассером соединения кобальта, состав которого можно записать СоСl 3 6NH 3 .Однако человеку были известны соединения высшего порядка и до открытия Тассера. Вероятно, первым подобным соединением, синтезированным в лаборатории, является берлинская лазурь Fe 4 3 . Она случайно получена художником Дисбахом в 1704 году и использована как красящий пигмент.

В становление и развитие химии комплексных соединений большой вклад внесли шведские и датские химики Берцелиус, Бломстранд, Клеве, Иергенсен и другие. В конце 19 века центром по изучению комплексных соединений стал Цюрих, где работал создатель координационной теории Альфред Вернер. После кончины Вернера важные исследования по химии координационных соединений выполнены в Германии его учеником Паулем Пфейффером. В начале 20 века наибольший прогресс в этой области химии достигнут в нашей стране благодаря Льву Александровичу Чугаеву, который создал уникальную советскую школу химиков - комплексников. После Второй мировой войны в связи с необходимостью создания производств редких металлов в мире резко возрос интерес к химии комплексных соединений.

Таким образом, в данной курсовой работе синтезировано комплексное соединение гексанитрокобальтат (III) натрия и изучены некоторые его свойства.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Химическая связь и строение иона 3- с позиции валентных связей

Для комплексов с координационным числом 6 характерно октаэдрическое расположение лигандов, что отвечает sp 3 d 2 - или d 2 sp 3 - гибридизации атомных орбиталей комплексообразователя.

Октаэдрическим строением обладают ионы 2- , 3- - , 2- , 3- и многие другие. Октаэдрическое строение комплексов с координационным числом 6 является наиболее энергетически выгодным.

Таблица 1. Степени окисления и пространственная конфигурация комплексов (структурных единиц) элементов подгруппы кобальта .

Степени окисления	Электронная конфигурация	Координационное число	Пространственная конфигурация комплексов	Примеры соединений
			Тетраэдр	- , -
		Тетраэдр
			Тетраэдр	2+ , 2+
				3- , 3-

К элементам VIII группы семейства железа относятся железо, кобальт и никель. Эти элементы проявляют сходные свойства, отраженные в таблице 2.

Таблица 2. Краткая характеристика элементов VIII группы.

Рассматриваемые элементы образуют химические связи за счет орбиталей внешнего и предвнешнего электронных слоев (табл. 1). У атома кобальта валентные электроны заполняют орбитали следующим образом:

Во внутренней сфере между комплексообразователем и лигандами формируются полярные ковалентные связи. Частицы внешней сферы удерживаются около комплекса за счет электростатического ионного взаимодействия, т.е. характер связи - преимущественно ионный.

Для объяснения химической связи в комплексных соединениях используют: метод валентных связей (ВС),теорию кристаллического поля.

Рассмотрим метод ВС. Химическую связь в комплексе, т.е. между комплексообразователем и лигандами обычно объясняют с позиций донорно-акцепторного механизма. При этом, как правило, лиганды предоставляют неподеленные электронные пары, а комплексообразователи - свободные орбитали.

Для комплексных соединений, так же как и для органических веществ, характерна изомерия. Изучение изомерии комплексов позволило установить их пространственное строение. Нитрит - ион как лиганд может координироваться через атом азота, образуя нитро-комплексы, или через атом кислорода, образуя нитрито-комплексы. Такая изомерия известна для комплексов многих переходных металлов (Co 3+ , Rh 3+ , Ir 3+ , Pt 4+).

Например, в реакциях образования комплексов Co 3+ с нитрит-ионами вначале получаются нитрито-комплексы, имеющие розовую окраску которые со временем переходят в устойчивые желто-коричневые нитро-комплексы. Следует отметить, что являясь лигандом сильного поля, нитрит-ион стабилизирует в комплексах высокие степени окисления 3d-металлов. Например, Co 3+ в Nа 3 [Со(NО 2) 6 ].

Так для иона 3- структура комплекса - октаэдрическая (рис 1).

По характеру распределения электронов по орбиталям Co 3+ ион 3- является низкоспиновым ионом (имеются неспаренные электроны). Комплекс Na 3 диамагнитный, низкоспиновый, внутриорбитальный, октаэдрический.

СТРОЕНИЕ МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ АТОМОВ И ИОНОВ

Электрон в атоме существует в виде электронного облака , то есть определенной области околоядерного пространства, которая охватывает примерно 90 % заряда и массы электрона. Эта область пространства называется орбиталь . Для полной характеристики состояния каждого электрона в атоме необходимо указать для него значения четырех квантовых чисел: главного n , орбитального l , магнитного m l и спинового m s .

Главное квантовое число характеризует основной запас энергии электрона и размер электронного облака. Оно может принимать только положительные целочисленные значения от 1 до ¥. Чем больше значение n , тем больше размер электронного облака. Совокупность электронных состояний, имеющих одинаковое значение n , называется электронным слоем или энергетическим уровнем . К энергетическим уровням приняты следующие буквенные обозначения

При n = 1 энергия электрона имеет минимальное значение Е 1 = -13,6 эВ. Такое состояние электрона называется основным или нормальным . Состояния с n = 2, 3, 4… называются возбужденными . Энергии, соответствующие им, связаны с Е 1 выражением

При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой поглощается или испускается квант электромагнитной энергии DЕ

где с – скорость света (с = 3×10 8 м/с); с/ l = n – частота излучения, с -1 .

Орбитальное (иначе побочное или азимутальное ) квантовое число определяет момент количества движения электрона и характеризует форму электронного облака. Может принимать все целочисленные значения от 0 до (n - 1). Каждому значению l соответствует своя форма электронного облака: при l = 0 – сферическая; l = 1 – гантелевидная; l = 2 – две пересекающиеся под прямым углом гантели.

Электроны одного энергетического уровня, имеющие одинаковые значения l , образуют энергетические подуровни , которые имеют следующие буквенные обозначения

Значения энергий в подуровнях каждого уровня несколько различаются. Число подуровней, на которые расщепляется энергетический уровень, равно номеру уровня, то есть значению n .

Состояние электрона, соответствующее определенным значениям n и l , записывается в виде сочетания цифрового значения n и буквенного l (например, при n = 3 и l = 1 записывают 3p ).

Магнитное квантовое число характеризует пространственную ориентацию электронного облака, принимает все целочисленные значения от – l до + l , всего в каждом подуровне (2l + 1) значений. Число значений, принимаемых m l , указывает число возможных положений электронного облака данного типа в пространстве, то есть число орбиталей в подуровне. Так, любой s -подуровень состоит из одной орбитали, p -подуровень – из 3, d -подуровень – из 5, а f -подуровень – из 7. Все орбитали одного уровня обладают одинаковой энергией и называются вырожденными .

Состояние электрона в атоме, охарактеризованное значениями квантовых чисел n, l и m l , называется атомной орбиталью (АО).

Спиновое квантовое число характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно может принимать только два значения m s = +1/2 и m s = – 1/2.

При распределении электронов в атоме по АО соблюдается несколько принципов и правил. Согласно принципу минимальной энергии электроны в атоме стремятся занять в первую очередь те АО, которым соответствует наименьшее значение энергии электрона. Реализация этого принципа осуществляется на основе правила Клечковского :

с ростом атомного номера элемента электроны размещаются на АО последовательно по мере возрастания суммы (n + l ); при одинаковых значениях этой суммы раньше заполняется орбиталь с меньшим значением числа n .

Согласно правилу Клечковского заполнение энергетических уровней в основном соответствует следующему ряду: 1s, 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f , 5d , 6p , 7s , 5f , 6d , 7p и т.д.

Вырожденные орбитали одного уровня заполняются электронами в соответствии с правилом Хунда (Гунда) :

в пределах энергетического подуровня электроны располагаются так, чтобы их суммарный спин был максимальным.

Это означает, что сначала электроны заполняют все свободные орбитали подуровня по одному, имея при этом одинаково направленные спины, и только потом происходит заполнение этих АО вторыми (парными) электронами. В соответствии с принципом Паули на одной АО может находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга значением m s . Таким образом, максимальная электронная емкость любого s -подуровня равна двум, p -подуровня – шести, d -подуровня – 10 е , а f -подуровня – 14 е .

Общее число АО на энергетическом уровне определяется по формуле

N АО = n 2 (6)

Общее число электронов на уровне можно вычислить по уравнению

N е = 2n 2 (7)

При отрыве одного или нескольких электронов от атома он превращается в положительно заряженный ион – катион , заряд которого равен числу отнятых электронов. Присоединение одного или нескольких электронов к атому приводит к образованию отрицательного иона – аниона , отрицательный заряд которого равен количеству принятых электронов.

При образовании катиона в первую очередь атом покидают электроны внешнего энергетического уровня, так как в этом случае энергетические затраты на отрыв электрона будут минимальными. При образовании аниона электроны размещаются на уровнях в соответствии с принципом минимума энергии.

Валентными называют электроны, которые располагаются на внешнем энергетическом уровне и отдельных подуровнях второго (для лантаноидов и актиноидов – третьего) от конца электронного слоя, которые не сформированы полностью, то есть количество электронов в подуровне не достигло предельного значения.

Элементы, в атомах которых происходит заполнение s -орбиталей, относятся к семейству s -элементов; в которых заполняется p -подуровень, относятся к семейству p -элементов и т.д.

Пример 1. Квантовые числа валентных электронов иона Э 2- равны

Номер электрона n l m l m s

Определите порядковый номер элемента и назовите его.

Р е ш е н и е

Валентная электронная формула иона Э 2- : …3s 2 3p 1 . После удаления двух лишних электронов электронная конфигурация атома примет вид Э:…3s 1 . Добавим недостающие электроны Э:1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Общее количество электронов (2 + 2 + 6 + 1) = 11, значит это элемент № 11 – натрий Na.

Пример 2. Запишите полную электронную формулу элемента с порядковым номером 27. Отметьте его валентные электроны и укажите для них значения всех квантовых чисел. К какому электронному семейству относится данный атом? Запишите электронную формулу валентных подуровней данного атома после удаления двух валентных электронов.

Р е ш е н и е

Элемент с № 27 – кобальт Со. Составляем его электронную формулу

27 Со: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7

Валентными электронами являются электроны 4s и 3d подуровней. Значения квантовых чисел для каждого из девяти валентных электронов равны

Номер электрона n l m l m s

Поскольку заполняется подуровень d , то кобальт относится к семейству d -элементов.

При отрыве от атома кобальта двух электронов образуется ион Со 2+ . Электронная формула валентных электронов Со 2+ : …4d 7 5s 0 .

Пример 3. Запишите электронные формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Р е ш е н и е

Электронная формула атома кремния содержит 14 электронов. В нормальном состоянии Si 14: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . При возбуждении один из парных электронов 3s -орбитали переместится на подуровень 3p и электронная формула примет вид

Si + E ® Si * : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .

Дальнейшее возбуждение атома кремния невозможно, так как все валентные электроны атома являются непарными.

З а д а ч и

1. Атом какого элемента в основном состоянии имеет электронную конфигурацию 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 ? Определите общее число энергетических уровней и подуровней, занимаемых электронами в данном атоме.

2. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим низшему энергетическому состоянию атомов: марганца, азота, кремния.

3. Сколько свободных f -орбиталей содержится в атомах элементов с порядковыми номерами 59, 60, 90, 93? Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям для атомов этих элементов.

4. Напишите электронные формулы еще не открытых элементов №110 и №113 и укажите, какое место они займут в периодической системе.

5. Атом элемента имеет электронную формулу 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6 . Напишите для него электронные формулы иона Э - и условного иона Э 7+ .

6. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных d -орбиталей в атомах этих элементов? Укажите валентные электроны элементов.

7. Запишите электронные формулы атомов и ионов: Se, Ti 2+ , V 3- . Отметьте их валентные электроны.

8. Напишите электронную формулу атома и назовите элемент, если значения квантовых чисел валентных электронов равны:

9. У элементов каких периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением суммы (n + l ) = 5? К каким электронным семействам относятся эти элементы?

10. Запишите электронные формулы частиц: Br - , Br + , Br 5+ . Запишите квантовые числа валентных электронов иона Br + .

11. Определите число непарных электронов в атоме иридия. Укажите значения квантовых чисел валентных электронов данного атома.

12. Запишите электронную формулу атома серы, сколько непарных электронов имеет этот атом в нормальном и возбужденном состояниях? Каковы электронные формулы S 2- и S 4+ ?

13. Сколько и какие пространственные ориентации d -орбиталей Вы знаете? Каким квантовым числом это определяется?

14. Запишите полные электронные формулы атомов и ионов: Zn 4- , Kr, Se 2+ . Отметьте их валентные электроны.

15. Определите порядковый номер элемента и запишите полную электронную формулу атома, если после присоединения к нему двух электронов квантовые числа валентных подуровней таковы:

16. Напишите электронные формулы частиц: Po, Bi 3+ , Mn 2- . Изобразите электронно-графические схемы их валентных подуровней.

17. Запишите полную электронную формулу и электронно-графическую схему валентных подуровней атомов таллия и криптона.

18. Определите общее число электронов не 8 энергетическом уровне.

19. Сколько свободных d -орбиталей имеется в атомах титана и ванадия? Запишите для этих атомов значения квантовых чисел внешнего слоя.

20. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого: а) l = 3; б) l = 4?

21. Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n = 3 и l = 1? Чему равны для них значения магнитного квантового числа? Имеет ли данный атом парные электроны?

22. Составьте электронные формулы элементов с порядковыми номерами 27 и 60. Укажите значения всех квантовых чисел для валентных электронов ионов этих элементов с зарядами + 1 и – 1.

23. Могут ли существовать конфигурации р 7 или d 12 - электронов. Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

24. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 28. Чему равен максимальный спин р -электронов у атомов первого и d -электронов у атомов второго элемента.

25. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 2s 2 2р 6 3s 2 3р

26. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 3s 2 3р 6 3d 3 4s 2 ? Запишите для них квантовых чисел валентных электронов в нормальном состоянии.

27. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 3s 2 3р 6 3d 10 4s 2 4р 5 ? Запишите для них квантовых чисел валентных электронов в возбужденном состоянии.

28. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 4s 2 4р 6 4d 7 5s 1 ? Запишите для них полные электронные формулы в возбужденном состоянии.

29. Атом какого элемента имеет следующее строение наружного и предпоследнего электронных слоев 4s 2 4р 6 4d 10 5s 0 ? Запишите для них полные электронные формулы в возбужденном состоянии.

30. Сколько свободных d -орбиталей имеется в атомах ниобия и циркония? Запишите для этих атомов значения квантовых чисел внешнего слоя.

Атомы состоят из малых частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг ядра есть электроны, образующие электронные оболочки. Количество электронов, как правило, равно количеству протонов в ядре. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно заряженным частицам. Нейтроны относятся к незаряженным или электронейтральным частицам (что такое электрический заряд и как определяются его знаки, мы узнаем в § 8-в).

Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим.

В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона.

Ионы очень часто встречаются в веществах, например они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для паров ртути).

Вы уже знаете, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами (см. § 7-е). Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В металлах в жидком или газообразном состоянии упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ по-прежнему присутствует.

Некоторые ионы могут быть образованы несколькими атомами. Например, молекулы серной кислоты H2SO4 в водном растворе распадаются на положительные ионы водорода, в каждом из которых по одному атому, и отрицательные ионы кислотного остатка, в каждом из которых по пять атомов (см. рисунок).

Образование ионов из нейтральных молекул (ионизация) может происходить по разным причинам. Одну из них, растворение, мы только что рассмотрели. Другая причина – повышение температуры. При этом увеличивается размах колебаний как молекул, так и атомов, входящих в их состав. Если температура превысит некоторое значение, то молекула распадётся, и образуются ионы. Ионизация может происходить и под действием трения, электричества, света, радиации.