Квантовые числа
n – главное квантовое число, оно определяет энергию электронов и размер электронного облака, принимает целочисленные значения. Электроны с одинаковым n образуют энергетический уровень. (n = № периода в табл. Менделеева)
L – орбитальное квантовое число определяет форму орбитали и принимает значение от 0 до n-1
n = 1, L = 0 - S-орбиталь (шар)
n = 2, L = 0 ; 1 - S и Р – орбиталь (гантель)
n = 3, L = 0 ; 1 ; 2 - S,P и d – орбиталь (сложная лепестковая форма) (L=0 – S орбит., L=1 - P орбиталь, L=2 – d орбиталь)
n = 4, L = 0 ; 1 ; 2 ; 3 (F – орб. еще более сложная)
m – магнитное квантовое число, определяет пространственную ориентацию орбитали, принимает значение от –L до +L . L=0 m=0 1(одна) S-орбиталь L=1 m= -1;0;1 3 P-орбиталей L=2 m=-2,-1,0,1,2 5 d-орб. и т.д.
- спиновое квантовое число, характеризует движение электрона вокруг своей оси и имеет 2 ориентации: «право», «лево» = + или-
С помощью 4-х квантовых чисел можно описать состояние любого электрона в вакууме, для этого составляют электронные формулы атомов.
Правила составления электронных формул атомов элементов
1. Принцип наименьшей энергии: электроны располагаются на тех орбиталях в атоме, которые характеризуются наименьшей энергией. (Правило Клечковского) Наименьшей энергией обладает орбиталь с наименьшим квантовым числом (n +L ), если (n +L ) у орбиталей равны, наименьшую энергию имеет имеет та у которой меньше n.
2. Принцип Паули: в атоме не может быть 2-х электронов с одинаковым набором всех 4-х квантовых чисел, это значит, что на одной орбитали может поместиться только 2 электрона с антипараллельными спинами.
S подуровень – 1 орбиталь 2е
P подуровень – 3 орбитали 6е
d подуровень – 5 орбиталей 10е
f подуровень – 7 орбиталей 14е
3. Правило Хунда: сумарное спиновое число на подуровене должно быть максимальным, т.е при заполнении подуровня, сначала на каждую орбиталь садится по одному электрону и у всех одно направление спина (направление вращения), а когда подуровень заполнен, на каждую орбиталь подсаживается еще один электрон уже с противоположным спином.
4) Периодическая система (таблица Менделеева)
Свойства простых веществ, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра и электронной конфигурации атомов элемента. Периодическая система является графическим изображением периодического закона, она состоит из 7-ми периодов (3из них малые 1-й,2 и 3-й) и 8-ми групп.
Физический смысл периодического закона заключается в периодическом изменении свойств элементов в результате периодически возобновляющихся сходных электронных оболочек атомов при возрастании главного квантового числа n
(n = № периода)
В группах расположены элементы с периодически повторяющейся электронной структурой внешнего энергетического уровня и похожими свойствами.
Например: I-гр, А-подгр. :
Na 3s -они все щелочные металлы,
K 4s у них одинаковая структура внешнего
Rb 5s энергетич. уровня s
Cs 6s Металлическая активность возрастает
Fr 7s по ходу вниз
Каждый период (кроме 1-го) начинается двумя s-элементами, заканчивается шестью элементами, причем в малых периодах св-ва элементов изменяются резко.
По табл. вниз металлические св-ва возрастают, т.е легче отдаются электроны, по табл. в право мет. св-ва уменьшаются.
В IV периоде между s и p элементами появляются 10 d-элементов, а в VI и в VII периодах f- элементы.
Электронная структура атомов элементов и их положение в периодической системе тесно взаимосвязаны.
1) Порядковый № элемента =Z(заряду) его ядра и числу электронов в электронной структуре атома.
Например: Z=30(Zn), 30e; 1s,2s,2p,3s,3p,3d,4s (d-элемент)
2)Каждый период начинается с заполнения нового энергетического уровня, поэтому № пер. = главному квантовому числу внешнего энергетического уровня в электронной структуре атома. 4s (Zn)-IVпериод
3)№ гр. совпадает с числом валентных электронов у атомов.
5) Периодически изменяющиеся св-ва атомов элементов:
1. Радиусы атомов : атом не имеет четких границ из за волнового движ. электрона. Орбитальный радиус атома )≈ теоретически рассчитанному расстоянию от ядра атома до главного максимума плотности внешнего электронного облака. Чаще используют эффективные радиусы атомов ( (это межъядерные расстояния в молекулах).
· У металлических элементов , а у неметаллических (особенно у газов) они значительно отличаются.
В периодах (слева направо) r атомов уменьшаются из-за роста заряда их ядер, а в группах (сверху вниз) – растут из за роста числа электронных слоёв, но эта зависимость немонотонна из за особенностей строения атомов.
· Немонотонность изменений св-в элементов по периоду называется внутренней периодичностью, а в группе -вторичной периодичностью
2. Энергия ионизации и сродство к электрону:
Энергия ионизации - это энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального невозбуждённого атома.
- энергия невозбужд. атома < (при отрыве каждого последующего электрона нужно тратить все больше и больше энергии)
Энергия ионизации характеризует восстановительные св-ва атомов элементов: Чем меньше у атома , тем больше восстановительные св-ва элемента. зависит от атомного радиуса и заряда ядра элемента и от электронной конфигурации атомов элемента. Чем меньше радиус и больше заряд, тем выше значение .
В периоде (слева направо) значение I растёт, но немонотонно. У металлов I меньше чем у неметаллов.
В группах (сверху вниз) значение в целом уменьшается.
F-энергия сродства к электрону – это энергетический эффект присоединения электрона к нейтральному атому. F может быть (+) или (-): СL+e→ (выделяется) Не+е= = -0.22 эв (поглащается)
F характеризует окислительные св-ва атомов элементов: чем выше F, тем выше окислительные св-ва. F зависит от r (радиуса атома), Z (заряда) и от электронной конфигурации атомов элемента. Мах F у р-элементов VIIA группы, Min F у инертных газов.
Электроотрицательность – способность атома элемента оттягивать на себя электроны при образовании хим. связи с атомами других элементов. ЭО = 1/2 (1+F)
В периодах (слева направо) ЭО в целом растет, в главных подгруппах (сверху вниз) уменьшается, но зависимость не монотонна.
Виды химической связи
Ковалентная связь – связь возникающая за счет образования общих электронных пар.
В двухатомных молекулах ( образуется неполярная ковалентная связь, т.к. общая электронная пара в одинаковой степени принадлежит обоим атомам. F + F → F F
Одинарная ковалентная связь - атомы связаны одной общей электронной парой, если двумя, то связь двойная , если тремя то тройная . N + N → N N (число неспареных электронов 8-N = 3, N-номер группы)
Полярная ковалентная связь – связь между атомами различных элементов неметаллов (HCL, , N )
Общие электронные пары в таких соединениях смещены к атомам с большей электроотрицательностью.
Ионная связь – связь возникающая между ионами, за счет электростатического притяжения.
Ионная связь возникает между атомами элементов, резко отличающимися по величине электроотрицательности. Например между типич. металлами и типич. неметаллами (Na CL, Na, F)
Кроме того ионная связь образуется между атомами металла и кислорода в солях кислотосодержащих кислот и в щелочах.
Металлическая связь – связь в металлах между атом-ионами по средством обобществленных электронов.
Атомы металлов на внешнем уровне содержат мало электронов. Эти электроны легко отбрасываются, а атомы превращаются в положительные ионы. Оторвавшиеся электроны перемещаются от одного иона к другому связывая их в единое целое.
7) Электрод – это металл или др. токопроводящий материал, погруженный в раствор его соли (электролита), а реакция протекающая на нём, называется электродной реакцией . Если металл привести в контакт с раствором соли, то ионы , гидратируясь, переходят с поверхности металла в раствор, и дегидратируясь, обратно, из раствора в металл (под действием сил кристаллической решётки). Когда скорости этих процессов становятся равными, образуется ДЭС (двойной электро-слой) и возникает электродный потенциал.
Электродный потенциал (𝞿) -это разность электростатических потенциалов между электролитом и электродом.
Значение электродного потенциала зависит от природы веществ – участников электродного процесса, от концентрации этих веществ, от t и определяется по уравнению Нернста.
Уравнение Нернста : = + ox, Red – концентрации окислительной и восстановительной форм
–число электронов, принимающих участие в процессе.
– cтандартный электродный потенциал (тбл. величина)
Уравнение Нернста для металлических электродов: +
для окислительно-восстановительных электродов:
для водородного электрода:
(условно принято) – это НВЭ (нормальный водородный электрод) принят в качестве эталона, для сравнения электродных потенциалов различных электрохимич. систем.
Условие протекания окислительно-восстановительной реакции:
8) Гальванический элемент – прибор, в котором за счет самопроизвольно идущей реакции окисления-восстановления получается электрический ток. Он представляет собой систему из 2-х электродов, соединенных жидкостным мостиком или полупроницаемой перегородкой. Если соединить электроды металлическим проводником, то электроны перетекут от одного электрода (восстановителя) к другому (окислителю) получится электрический ток. Хим. энергия превращается в электрическую. Окислитель - электрод с бОльшим значением потенциала (катод(+)), на катоде идут процессы восстановления.
Восстановитель – электрод с меньшим знач. потенциала (анод(-)), на аноде идут процессы окисления.
Аккумулятор – это обратимый химический источник тока, его можно перезаряжать и использовать многократно.
Например свинцовый аккумулятор (кислотный) - состоит из электродов (положительного и отрицательного)и электролита.
1-й электрод – свинец, 2-й элктрод –диоксид свинца, электролит 30% серной к-ты.
Принцип работы основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца, в водном растворе серной кислоты.
Общее уравнение работы аккумулятора :
9) Электролиз – окислительно-восстановтительный процесс, протекающий на электродах при прохождении тока через электролит.
В электролитеческую ванну, заполненную электролитом, опускают 2 электрода, и присоединяют к источнику тока. Источник тока перекачивает электроны от одного электрода к другому. Электрод с которого снимаются электроны приобретает + заряд (анод), который получает электроны (-) заряд (катод).
Прцессы, протекающие при электролизе определяются свойствами электролита, растворителя и материала электрода. (Если электролиз протекает в водном растворе, то на катоде им аноде могут восстанавливаться и окисляться молекулы Н2О.
Катод: 2Н2О + 2е = 2 ОН
Анод: А2Н2О – 4е = О2 + 4Н
Если возможно протекание нескольких реакций, то в первую очередь протекает та, которая требует минимальных затрат энегрии.
Инертным называется электрод, материал которого не окисляется в ходе электролиза.
На аноде может окисляться материал самого анода, например, елси анод из Ni, Cu,Cd, Pb и др. Такие аноды называюся растворимыми.
Метод с растворимым анодом используется для рафинирования металлов. Анод выполнен из черного металла.
10) Электрохимическая поляризация –явление отклонения потенциала элетродной реакции от равновесного. Перенапряжение – величина на которую идет отклонение ɳ (эта).
Возникновение поляризации связано с замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса. Особенно велика поляризация при выделении газов О2, Н2. Поляризация электрода зависит от материала электрода, чем выше плотность тока i=I/S (I – ток, проходящий через электрод, S- площадь электрода). Поляризационная кривая – зависимость потенциала электрода от плотности тока.
– Величина поляризации.
11) Законы фарадея: 1-й закон: Масса в-ва, образуется при электролизе, пропорциональна кол-ву электричества, прошедшего через электролит. = K*Q где: Q- кол-во электричества, Q=I*t, где: I-cила тока, t-время.
K= где: Э- эквивалентная масса Э = где: М – моль (молярная масса вещества), n – число электронов, перемещаемых при окислении или восстановлении, F – число Фарадея = 26,8 А или 96500 К/моль.
2-й закон: При прохождении через разные электролиты одного и того же количества электричества массы веществ, выделившихся на одноименных электродах пропорциональны их эквивалентным массам.
Применение вэлектрохимических процессов: 1) Принцип г.Э используется в автономных источниках питания. Бывают первичные и вторичные. Первичные – необратимы, не могут вернуться в рабочее состояние посли расхода активного в-ва (батарейки питания). Вторичные – можно регенирировать, пропуская ток в обратном направлении (аккумуляторы).
Электролиз используется в промышленности: для получения щелочей и др. веществ., для получения многих металлов – AL, Mg, Na, Cd., для очистки (рафинирования) Ме, используются загрязнённые Ме, в качестве анода (Cu, Ni, Pb) , используется в гальванотехнике.
Гальваностегия – процесс нанесения на поверхность металлических изделий слоёв других металлов, это делают для защиты от коррозии и для красоты.
Гальванопластика – для получения отпечатков, копий изделий, например для типографических клише.
13) Физические св-ва металлов . Металлический блеск, высокая электропроводность, теплопроводность, ковкость, пластичность. Эти свойства обуславливаются наличием в металлах подвижных электронов и металлической связи.
Различие в природе металлов, их структуре приводит к различию некоторых физ свойств. Щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs) при малой плотности упаковки и малом заряде мЯгки, а d- металлы (Cr) очень твердые. Большое различие есть в t плавления, от 28°C (Cs) до 3370°C (W).
12) Положение металлов в периодической системе.
Классификация металлов
не активные (Cu-Au, и т.д…)
Особенности кристаллов металлов : атомы металлов выстраиваются в кристаллические решетки
Виды кристаллических решеток : Объемно центрированная (кубическая), гранецентрированная (кубич.), плотнейшая гексагональная.
Особенности строения атомов: на внешнем энергетическом уровне малое кол-во электронов.
Методы получения металлов: 1. Металлотермия - восстановление руд, с помощью алюминия, магния, и др. металлов
2.Пирометалургия – востанивление руд с помощью угля, СО, при высоких t:
+ → 2 Fe + 3 (при температуре)
3.Электролиз : а) Сu (Сu – катод, CL – анод)
б) 2NaCL → 2Na + (2Na – катод,
4.Гидрометалургический метод – так же часто включает стадию получения металлов электрохимическим восстановлением.
2ZnS + 3 (при переработке сульфидных руд, сначала сульфиды
переводят в оксиды при высокой t.)
2Zn + 2 (2Zn – катод, )
Современные технологии направлены на получение металлов высокой чистоты (зонная плавка, плавка электронными лучами и т.д.)
14) Химические св-ва металлов . По хим. св-вам металлы являются восстановителями и реагируют с окислителями.
В период. системе большинство элементов – металлы. К металлам относятся все s,d,f-элементы (кроме и He) а так же р-элементы. К р-элементам относят элементы III A гр – AL, Ga, In, IV A гр – Ge, Sn, Pb, в V A гр Sb, Bi, и в VI A – Ро (полоний).
Классификация металлов : 1.По электронной структуре: s,p,d и f – металлы.
2. По восстановительной активности: активные (Li-AL)(по ряду напряжений), средние (AL-H),
не активные (Cu-Au, и т.д…)
Восстановительная активность свободных атомов металлов характеризуется энергией ионизации (). Чем меньше , тем выше восстановительная актив. металла. В гр. А, (для s и р-металлов) восстановительная актив. растет сверху вниз, а в гр. В (для d-металлов) –уменьшается.
В растворах восстановительная активность атомов металлов характеризуется значением электродного потенциала (). Чем отрицательнее, тем выше восст. актив.. Самые активные восстановители – щелочные металлы.
1) Металлы энергично реагируют с простыми веществами: , галогены(фтор, хлор, бром, йод), сера, водород.
С кислородом: Большинство металлов окисляются на воздухе, покрываясь оксидной плёнкой, если плёнка плотная, она предохраняет металл от коррозии. все щелочные металлы : Li,Na,К, и т.д. активно реагируют с кислородом, Rb, Cs – самовоспламеняются.
С хлором : энергично реагируют (Mg+ =Mg )
C серой : менее энергично (при нагревании) (Fe+S→FeS cульфид железа)
С водородом : реагируют только щелочные и щелочно-земельные металлы. (2Li+ =2LiH) (Ca+ )
2) Реакции с водой : Ме+ металлы реагируют с если их электродный потенциал ниже чем у водорода (ниже 0) реагируют вытесняя . Например: -2,714в, поэтому 2Na+
Если на поверхности металла находится оксидная пленка взаимодействие с водой протекает при нагревании.
3) Реакции с растворами солей : металлы реагируют с растворами солей, вытесняя из них менее активный металл:
() Cu = 0,337 в, () /Ni = - 0,25в
4)Реакции с щелочами : реакции протекают с выделением , электродный потенциал должен быть , металл должени иметь амфотерную природу своих оксидов и гидрооксдов (это AL,Zn,Cr,Be и др.)
5) Реакции с кислотами : взаимодействие металлов с кислотами зависит от активности металла, концентрации к-ты и t.
HCL-взаимодействует только с металлами у которых , с выделением водорода, хлорид металла должен быть растворим в воде.
(разбавленая серная к-та реагирует с металлами так же, как соляная: Zn+
Концентрированная серная кислота окисляет металлы за счет сульфат-иона () продукты восстановления зависят от активности металла. к Mg + (активные восстанавливают до , средние до , малоактивные до .
Серная к-та пассивирует металлы: Fe, Co, Ni, Cr, AL, Be. (с этими металлами реакция идет только при нагревании).
В реакцию с концентрированной серной кислотой вступает медь
Реакция с разбавленной азотной кислотой . Разбавл. азот. к-та более сильный окислитель чем серная, окисляет большинство металлов при комнатной t. Восстанавливается с активными металлами до , с металлами средней активности до или , с неактивным до –NO.
Концентрированная азотная к-та восстанавливается с большинством металлов до бурого газа –NO, и еще она пассивирует те же металлы при обычной t. (Fe,Ni,Co,Cr,AL,Be)
Неактивные d-металлы не окисляются азотной к-той, их можно окислить «царской водкой» + .
В реакциях металлов с азотной к-той любой концентрации и концентрированной серной к-той водород не выделяется.
Многие металлы распространены в природе не только в составе различных горных пород или минералов, но и в свободном - самородном виде. К таким, например, относятся золото, серебро и медь. Однако активные металлические элементы, такие как натрий, электронно-графическую формулу которого мы изучим, не встречаются как простое вещество. Причина заключается в их высокой реакционной способности, приводящей к быстрому окислению вещества кислородом воздуха. Именно поэтому в лаборатории металл сберегают под слоем керосина или технического масла. Химическую активность всех щелочных металлических элементов можно объяснить особенностями строения их атомов. Рассмотрим электронно-графическую формулу натрия и выясним, как ее характеристика отражается на физических свойствах и особенностях взаимодействия с другими веществами.
Атом натрия
Положение элемента в главной подгруппе первой группы периодической системы влияет на строение его электронейтральной частицы. Данная схема иллюстрирует расположение электронов вокруг ядра атома и определяет количество энергетических уровней в нем:
Число протонов, нейтронов, электронов в атоме натрия будет соответственно равно 11, 12, 11. Протонное число и количество электронов определяем по порядковому номеру элемента, а количество нейтральных ядерных частиц будет равным разности между нуклонным числом (атомной массой) и протонным числом (порядковым номером). Для записи распределения отрицательно заряженных частиц в атоме можно воспользоваться следующей электронной формулой: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .
Взаимосвязь между строением атома и свойствами вещества
Свойства натрия как щелочного металла можно объяснить тем, что он относится к s-элементам, его валентность равна 1, а степень окисления +1. Один неспаренный электрон на третьем, последнем, слое обуславливает его восстановительные характеристики. В реакциях с другими атомами натрий всегда отдает собственную отрицательную частицу более электроотрицательным элементам. Например, окисляясь кислородом воздуха, атомы Na становятся положительно заряженными частицами - катионами, входящими в состав молекулы основного оксида Na 2 O. Данная реакция имеет следующий вид:
4Na +O 2 = 2Na 2 O.
Физические свойства
Электронно-графическая формула натрия и его кристаллическая решетка определяют такие параметры элемента, как агрегатное состояние, температуры плавления и кипения, а также способность проводить тепло и электрический ток. Натрий - это легкий (плотность 0,97 г/см 3) и очень мягкий серебристый металл. Наличие в кристаллической решетке свободно движущихся электронов обуславливает высокую тепло- и электропроводность. В природе он встречается в составе таких минералов, как поваренная соль NaCl и сильвинит NaCl × KCl. Натрий является очень распространенным не только в неживой природе, например в составе залежей каменной соли или морской воды морей и океанов. Он, наряду с хлором, серой, кальцием, фосфором и другими элементами, входит в десятку важнейших органогенных химических элементов, образующих живые биологические системы.
Особенности химических свойств
На электронно-графической формуле натрия хорошо видно, что единственный s-электрон, вращающийся на последнем, третьем энергетическом слое атома Na, слабо связан с положительно заряженным ядром. Он легко покидает пределы атома, поэтому натрий в реакциях с кислородом, водой, водородом и азотом ведет себя как сильный восстановитель. Приведем примеры уравнений реакций, типичных для щелочных металлов:
2Na + Н 2 = 2NaH;
6Na + N 2 = 2Na 3 N;
2Na + 2Н 2 O = 2NaOH + H 2.
Реакция с водой заканчивается образованием химически агрессивных соединений - щелочей. Гидроксид натрия, еще называемый проявляет свойства активных оснований и в твердом состоянии нашел применение в качестве осушителя газов. Металлический натрий в промышленности получают электролизом расплава соли - хлорида натрия или соответствующего гидроксида, при этом на катоде образуется слой металлического натрия.
В нашей статье мы рассмотрели электронно-графическую формулу натрия, а также изучили его свойства и получение в промышленности.
- Сначала записываем знак хим. элемента, где внизу слева от знака указываем его порядковый номер.
- Далее по номеру периода (из которого элемент) определяем число энергетических уровней и рисуем рядом со знаком хим-го элемента такое количество дуг.
- Затем по номеру группы число электронов на внешнем уровне, записываем под дугой.
- На 1 — ом уровне максимально возможно 2е, на втором уже 8, на третьем — целых 18. Начинаем ставить числа под соответствующими дугами.
- Число электронов на предпоследнем уровне нужно рассчитывать так: из порядкового номера элемента отнимается число уже проставленных электронов.
- Остается превратить нашу схему в электронную формулу:
- Пишем химический элемент и его порядковый номер.Номер показывает кол-во электронов в атоме.
- Составляем формулу. Для этого нужно узнать количество энергетических уровней, основой для определения берется номер периода элемента.
- Разбиваем уровни на под уровни.
Ниже можно увидеть пример, как правильно составлять электронные формулы химических элементов.
- сначала заполняем s-подуровень, а потом р-, d- b f-подуровни;
- по правилу Клечковского электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии этих орбиталей;
- по правилу Хунда электроны в пределах одного подуровня занимают свободные орбитали по одному, а потом образуют пары;
- по принципу Паули на одной орбитали больше 2 электронов не бывает.
Электронная формула химического элемента показывает сколько электронных слоев и сколько электронов содержится в атоме и как они распределены по слоям.
Чтобы составить электронную формулу химического элемента, нужно заглянуть в таблицу Менделеева и использовать полученные сведения для данного элемента. Порядковый номер элемента в таблице Менделеева соответствует количеству электронов в атоме. Число электронных слоев соответствует номеру периода, число электронов на последнем электронном слое соответствует номеру группы.
Необходимо помнить, что на первом слое находится максимум 2 электрона 1s2, на втором — максимум 8 (два s и шесть р: 2s2 2p6), на третьем — максимум 18 (два s, шесть p, и десять d: 3s2 3p6 3d10).
Например, электронная формула углерода: С 1s2 2s2 2p2 (порядковый номер 6, номер периода 2, номер группы 4).
Электронная формула натрия: Na 1s2 2s2 2p6 3s1 (порядковый номер 11, номер периода 3, номер группы 1).
Для проверки правильности написания электронной формулы можно заглянуть на сайт www.alhimikov.net.
Составление электронной формулы хим.элементов на первый взгляд может показаться довольно сложным занятием, однако все станет понятно, если придерживаться следующей схемы:
- сперва пишем орбитали
- вставляем перед орбиталями числа, которые указывают номер энергетического уровня. Не забываем формулу для определения максимального количества электронов на энергетическом уровне: N=2n2
А как узнать число энергетических уровней? Просто посмотрите таблицу Менделеева: это число равно номеру периода, в котором данный элемент находится.
- над значком орбитали пишем число, которое обозначает количество электронов, которые находятся на этой орбитали.
Например, электронная формула скандия будет выглядеть таким образом.
Задача составления электронной формулы химического элемента не самая простая.
Итак, алгоритм составления электронных формул элементов такой:
Вот электронные формулы некоторых химических элементов:
Составить электронные формулы химических элементов нужно таким способом: нужно посмотреть номер элемента в таблице Менделеева, таким образом узнать сколько у него электронов. Затем нужно узнать количество уровней, который равен периоду. Затем пишутся подуровни и они заполняются:
Первым делом вам надо определить число атомов согласно таблицы Менделеева.
Для составления электронной формулы вам понадобится периодическая система Менделеева. Находите ваш химический элемент там и смотрите период — он будет равен числу энергетических уровней. Номер группы будет соответствовать численно количеству электронов на последнем уровне. Номер элемента будет количественно равен числу его электронов.Так же вам четко надо знать, что на первом уровне есть максимум 2 электрона, на втором — 8, на третьем — 18.
Это основные моменты. Ко всему прочему в интернете (в том числе и нашем сайте) вы можете найти информацию с уже готовой электронной формулой для каждого элемента, так вы сможете проверить себя.
Составление электронных формул химических элементов очень даже сложный процесс, без специальных таблиц тут не обойтись, да и формул нужно применять целую кучу. Вкратце для составления нужно пройти по этим этапам:
Нужно составить орбитальную диаграмму, в которой будет понятие отличия электронов друг от друга. В диаграмме выделяются орбитали и электроны.
Электроны заполняются по уровням, снизу в верх и имеют несколько подуровней.
Итак вначале узнам общее количество электронов заданного атома.
Заполняем формулу по определнной схеме и записываем — это и будет электронной формулой.
Например у Азота эта формула выглядит так, сначала разбираемся с электронами:
И записываем формулу:
Чтобы понять принцип составления электронной формулы химического элемента , для начала нужно определить по номеру в таблице Менделеева общее количество электронов в атоме. После этого нужно определить число энергетических уровней, взяв за основу номер периода, в котором находится элемент.
После этого уровни разбиваются на подуровни, которые заполняют электронами, основываясь на Принципе наименьшей энергии.
Можно проверить правильность своих рассуждений, заглянув, например, сюда .
Составив электронную формулу химического элемента, можно узнать, сколько электронов и электронных слоев в конкретном атоме, а также порядок их распределения по слоям.
Для начала определяем порядковый номер элемента по таблице Менделеева, он соответствует числу электронов. Количество электронных слоев указывает на номер периода, а количество число электронов на последнем слое атома соответствует номеру группы.
Алгоритм составления электронной формулы элемента:
1. Определите число электронов в атоме используя Периодическую таблицу химических элементов Д.И. Менделеева .
2. По номеру периода, в котором расположен элемент, определите число энергетических уровней; число электронов на последнем электронном уровне соответствует номеру группы.
3. Уровни разбить на подуровни и орбитали и заполнить их электронами в соответствии с правилами заполнения орбиталей :
Необходимо помнить, что на первом уровне находится максимум 2 электрона 1s 2 , на втором - максимум 8 (два s и шесть р: 2s 2 2p 6 ), на третьем - максимум 18 (два s , шесть p , и десять d: 3s 2 3p 6 3d 10 ).
- Главное квантовое число n должно быть минимально.
- Первым заполняется s- подуровень, затем р-, d- b f- подуровни.
- Электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей (правило Клечковского).
- В пределах подуровня электроны сначала по одному занимают свободные орбитали, и только после этого образуют пары (правило Хунда).
- На одной орбитали не может быть больше двух электронов (принцип Паули).
Примеры.
1. Составим электронную формулу азота. В периодической таблице азот находится под №7.
2. Составим электронную формулу аргона. В периодической таблице аргон находится под №18.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 .
3. Составим электронную формулу хрома. В периодической таблице хром находится под №24.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5
Энергетическая диаграмма цинка.
4. Составим электронную формулу цинка. В периодической таблице цинк находится под №30.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
Обратим внимание, что часть электронной формулы, а именно 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 - это электронная формула аргона.
Электронную формулу цинка можно представить в виде.
Записывается в виде так называемых электронных формул. В электронных формулах буквами s, p, d, f обозначаются энергетические подуровни электронов; цифры впереди букв означают энергетический уровень, в котором находится данный электрон, а индекс вверху справа - число электронов на данном подуровне. Чтобы составить электронную формулу атома любого элемента, достаточно знать номер данного элемента в периодической системе и выполнить основные положения, которым подчиняется распределение электронов в атоме.
Структура электронной оболочки атома может быть изображена и в виде схемы размещения электронов по энергетическим ячейкам.
Для атомов железа такая схема имеет следующий вид:
На этой схеме наглядно видно выполнение правила Гунда . На Зd-подуровне максимальное количество, ячеек (четыре) заполнено неспаренными электронами. Изображение структуры электронной оболочки в атоме в виде электронных формул и в виде схем наглядно не отражает волновых свойств электрона.
Формулировка периодического закона в редакции Д.А. Менделеева : свойства простых тел, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости величины атомных весов элементов.
Современная формулировка Периодического закона : свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.
Таким образом, положительный заряд ядра (а не атомная масса) оказался более точным аргументом, от которого зависят свойства элементов и их соединений
Валентность
- это число химических связей, которым один атом связан с другим.
Валентные возможности атома определяются числом неспаренных электронов и наличием на внешнем уровне свободных атомных орбиталей. Строение наружных энергетических уровней атомов химических элементов и определяет в основном свойства их атомов. Поэтому эти уровни называют валентными. Электроны этих уровней, а иногда и предвнешних уровней могут принимать участие в образовании химических связей. Такие электроны также называют валентными.
Стехиометрическая валентность химического элемента- это число эквивалентов, которое может к себе присоединить данный атом, или - число эквивалентов в атоме.
Эквиваленты определяются по числу присоединённых или замещённых атомов водорода , поэтому стехиометрическая валентность равна числу атомов водорода, с которыми взаимодействует данный атом. Но свободно взаимодействуют не все элементы, а с кислородом - практически все, поэтому стехиометрическую валентность можно определить как удвоенное число присоединённых атомов кислорода.
Например, стехиометрическая валентность серы в сероводороде H 2 S равна 2, в оксиде SO 2 - 4 , в оксиде SO 3 -6.
При определении стехиометрической валентности элемента по формуле бинарного соединения следует руководствоваться правилом: суммарная валентность всех атомов одного элемента должна быть равна суммарной валентности всех атомов другого элемента.
Степень окисления также характеризует состав вещества и равна стехиометрической валентности со знаком плюс (для металла или более электроположительного элемента в молекуле) или минус.
1. В простых веществах степень окисления элементов равна нулю.
2. Степень окисления фтора во всех соединениях равна -1. Остальные галогены (хлор, бром, иод) с металлами, водородом и другими более электроположительными элементами тоже имеют степень окисления -1, но в соединениях с более электроотрицательными элементами они имеют положительные значения степеней окисления.
3. Кислород в соединениях имеет степень окисления -2; исключением являются пероксид водорода Н 2 О 2 и его производные (Na 2 O 2 , BaO 2 и т.п., в которых кислород имеет степень окисления -1, а также фторид кислорода OF 2 , степень окисления кислорода в котором равна +2.
4. Щелочные элементы (Li, Na, K и др.) и элементы главной подгруппы второй группы Периодической системы (Be, Mg, Ca и др.) всегда имеют степень окисления, равную номеру группы, то есть +1 и +2, соответственно.
5. Все элементы третьей группы, кроме таллия имеют постоянную степень окисления, равную номеру группы, т.е. +3.
6. Высшая степень окисления элемента равна номеру группы Периодической системы, а низшая - разности: № группы - 8. Например, высшая степень окисления азота (он расположен в пятой группе) равна +5 (в азотной кислоте и её солях), а низшая равна -3 (в аммиаке и солях аммония).
7. Степени окисления элементов в соединении компенсируют друг друга так, что их сумма для всех атомов в молекуле или нейтральной формульной единице равна нулю, а для иона - его заряду.
Эти правила можно использовать для определения неизвестной степени окисления элемента в соединении, если известны степени окисления остальных, и составления формул многоэлементных соединений.
Сте?пень окисле?ния (окислительное число, ) — вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций.
Понятие степень окисления часто используют в неорганической химии вместо понятия валентность . Степень окисления атома равна численной величине электрического заряда, приписываемого атому в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов (то есть исходя из предположения, что соединение состоит только из ионов).
Степень окисления соответствует числу электронов, которое следует присоединить к положительному иону, чтобы восстановить его до нейтрального атома, или отнять от отрицательного иона, чтобы окислить его до нейтрального атома:
Al 3+ + 3e − → Al
S 2− → S + 2e − (S 2− − 2e − → S)
Свойства элементов, зависящие от строения электронной оболочки атома, изменяются по периодам и группам периодической системы. Поскольку в ряду элементов-аналогов электронные структуры лишь сходны, но не тождественны, то при переходе от одного элемента в группе к другому для них наблюдается не простое повторение свойств, а их более или менее отчетливо выраженное закономерное изменение.
Химическая природа элемента обусловлена способностью его атома терять или приобретать электроны. Эта способность количественно оценивается величинами энергий ионизации и сродства к электрону.
Энергией ионизации (Eи ) называется минимальное количество энергии, необходимое для отрыва и полного удаления электрона из атома в газовой фазе при T = 0
K без передачи освобожденному электрону кинетической энергии с превращением атома в положительно заряженный ион: Э + Eи = Э+ + e-. Энергия ионизации является положительной величиной и имеет наименьшие значения у атомов щелочных металлов и наибольшие у атомов благородных (инертных) газов.
Сродством к электрону (Ee ) называется энергия, выделяемая или поглощаемая при присоединении электрона атому в газовой фазе при T = 0
K с превращением атома в отрицательно заряженный ион без передачи частице кинетической энергии:
Э + e- = Э- + Ee.
Максимальным сродством к электрону обладают галогены, особенно фтор (Ee = -328 кДж/моль).
Величины Eи и Ee выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электрон-вольтах на атом (эВ).
Способность связанного атома смещать к себе электроны химических связей, повышая около себя электронную плотность называется электроотрицательностью.
Это понятие в науку введено Л. Полингом . Электроотрицательность обозначается символом ÷ и характеризует стремление данного атома к присоединению электронов при образовании им химической связи.
По Р. Маликену электротрицательность атома оценивается полусуммой энергий ионизации и сродства к электрону свободных атом÷ = (Ee + Eи)/2
В периодах наблюдается общая тенденция роста энергии ионизации и электроотрицательности с ростом заряда ядра атома, в группах эти величины с увеличением порядкового номера элемента убывают.
Следует подчеркнуть, что элементу нельзя приписать постоянное значение электроотрицательности, так как оно зависит от многих факторов, в частности от валентного состояния элемента, типа соединения, в которое он входит, числа и вида атомов-соседей.
Атомные и ионные радиусы . Размеры атомов и ионов определяются размерами электронной оболочки. Согласно квантово-механическим представления электронная оболочка не имеет строго определенных границ. Поэтому за радиус свободного атома или иона можно принять теоретически рассчитанное расстояние от ядра до положения главного максимума плотности внешних электронных облаков. Это расстояние называется орбитальным радиусом. На практике обычно используют значения радиусов атомов и ионов, находящихся в соединениях, вычисленные исходя из экспериментальных данных. При этом различают ковалентные и металлические радиусы атомов.
Зависимость атомных и ионных радиусов от заряда ядра атома элемента и носит периодический характер . В периодах по мере увеличения атомного номера радиусы имеют тенденцию к уменьшению. Наибольшее уменьшение характерно для элементов малых периодов, поскольку у них заполняется внешний электронный уровень. В больших периодах в семействах d- и f- элементов это изменение менее резкое, так как у них заполнение электронов происходит в предпредвнешнем слое. В подгруппах радиусы атомов и однотипных ионов в общем увеличиваются.
Периодическая система элементов есть наглядный пример проявления различного рода периодичности в свойствах элементов, которая соблюдается по горизонтали (в периоде слева направо), по вертикали (в группе, например, сверху вниз), по диагонали, т.е. какое-то свойство атома усиливается или уменьшается, но периодичность сохраняется.
В периоде слева направо (→) увеличиваются окислительные и неметаллические свойства элементов, а восстановительные и металлические свойства уменьшаются. Так, из всех элементов 3 периода натрий будет самым активным металлом и самым сильным восстановителем, а хлор - самым сильным окислителем.
Химическая связь - это взаимное соединение атомов в молекуле, или кристаллической решетке, в результате действия между атомами электрических сил притяжения.
Это взаимодействие всех электронов и всех ядер, приводящих к образованию устойчивой, многоатомной системы (радикал, молекулярный ион, молекула, кристалл).
Химическая связь осуществляется валентными электронами. По современным представлениям химическая связь имеет электронную природу, но осуществляется она по-разному. Поэтому различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную, металлическую .Между молекулами возникает водородная связь, и происходят вандерваальсовые взаимодействия .
К основным характеристикам химической связи относятся:
- длина связи - это межъядерное расстояние между химически связанными атомами.
Она зависит от природы взаимодействующих атомов и от кратности связи. С увеличением кратности длина связи уменьшается, а, следовательно, увеличивается ее прочность;
- кратность связи - определяется числом электронных пар, связывающих два атома. С увеличением кратности энергия связи возрастает;
- угол связи - угол между воображаемыми прямыми проходящими через ядра двух химически взаимосвязанных соседних атомов;
Энергия связи Е СВ - это энергия, которая выделяется при образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв, кДж/моль.
Ковалентная связь - Химическая связь, образованная путем обобществления пары электронов двумя атомами.
Объяснение химической связи возникновением общих электронных пар между атомами легло в основу спиновой теории валентности, инструментом которой является метод валентных связей (МВС) , открытый Льюисом в 1916 г. Для квантово-механического описания химической связи и строения молекул применяют ещё один метод - метод молекулярных орбиталей (ММО) .
Метод валентных связей
Основные принципы образования химической связи по МВС:
1. Химическая связь образуется за счет валентных (неспаренных) электронов.
2. Электроны с антипараллельными спинами, принадлежащие двум различным атомам, становятся общими.
3. Химическая связь образуется только в том случае, если при сближении двух и более атомов полная энергия системы понижается.
4. Основные силы, действующие в молекуле, имеют электрическое, кулоновское происхождение.
5. Связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.
Существует два механизма образования ковалентной связи:
Обменный механизм. Связь образована путем обобществления валентных электронов двух нейтральных атомов. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:
Рис. 7. Обменный механизм образования ковалентной связи: а - неполярной; б - полярной
Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь.
Соединения, образованные по донорно-акцепторному механизму, относятся к комплексным соединениям
Рис. 8. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи
Ковалентная связь имеет определенные характеристики.
Насыщаемость - свойство атомов образовывать строго определенное число ковалентных связей. Благодаря насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав.
|
Направленность - т. е. связь образуется в направлении максимального перекрытия электронных облаков . Относительно линии соединяющей центры атомов образующих связь различают: σ и π(рис. 9): σ-связь - образована перекрыванием АО по линии соединяющей центры взаимодействующих атомов; π-связь - это связь, возникающая в направлении оси перпендикулярной прямой, соединяющей ядра атома. Направленность связи обусловливает пространственную структуру молекул, т. е. их геометрическую форму. Гибридизация - это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей. Химическая связь, образуемая с участием электронов гибридных орбиталей, более прочная, чем связь с участием электронов негибридных s- и р-орбиталей, так как происходит большее перекрывание. Различают следующие виды гибридизации (рис. 10, табл. 31): sp-гибридизация - одна s-орбиталь и одна p-орбиталь превращаются в две одинаковые «гибридные» орбитали, угол между осями которых равен 180°. Молекулы, в которых осуществляется sp-гибридизация, имеют линейную геометрию (BeCl 2). |
sp 2 -гибридизация - одна s-орбиталь и две p-орбитали превращаются в три одинаковые «гибридные» орбитали, угол между осями которых равен 120°. Молекулы, в которых осуществляется sp 2 -гибридизация, имеют плоскую геометрию (BF 3 , AlCl 3).
sp 3 -гибридизация - одна s-орбиталь и три p-орбитали превращаются в четыре одинаковые «гибридные» орбитали, угол между осями которых равен 109°28". Молекулы, в которых осуществляется sp 3 -гибридизация, имеют тетраэдрическую геометрию (CH 4 , NH 3).
Рис. 10. Виды гибридизаций валентных орбиталей: а - sp -гибридизация валентных орбиталей; б - sp 2 - гибридизация валентных орбиталей; в - sp 3 -гибридиза-ция валентных орбиталей