В возбужденном состоянии            

СТРОЕНИЕ АТОМА

                                     

Решение типовых задач

Пример 1.1.  Дано значение одного из четырех квантовых чи-сел, например, n = 4. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел: n, l, m_l,m_s. Приведите характеристику каждого квантового числа и его возможные значения.

 

Р е ш е н и е

 

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Ввиду того, что n определяет основную характеристику электрона в атоме – квантованность его энергии, эта величина получила название главного квантового числа. Главное квантовое число характеризует энергетический уровень, чем больше n, тем выше энергия квантового состояния. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, … ∞.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму орбитали, а также энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальное квантовое число зависит от главного и принимает набор целочисленных значений: 0, 1, 2, 3, …до (n – 1).

Для указания подуровней и соответствующих им орбиталей используют буквенные обозначения: s, p, d, f …

Согласно квантовомеханическим расчетам s-орбитали имеют форму сферы, р-орбитали – форму гантели, d- и f-орбитали более сложные формы.

Следует учесть, что чем выше номер энергетического уровня, тем большим набором форм орбиталей он характеризуется. Например:

 

Главное квантовое число, n	Орбитальное квантовое число, l	Обозначение орбитали
1	0	1s
2	0, 1	2s, 2p
3	0, 1, 2	3s, 3p, 3d
4	0, 1, 2, 3	4s, 4p, 4d, 4f

 

Таким образом, для электрона первого энергетического уровня (n = 1) возможна только одна форма орбитали, для второго (n = 2) возможны две формы орбиталей и т.д.

В зависимости от формы, орбитали одного уровня отличаются по энергии, т.е. каждый энергетический уровень делится на подуровни: 1-й уровень содержит один подуровень, 2-й – два, 3-й – три, 4-й – четыре.

В примере n = 4, следовательно, четвертый энергетический уровень содержит четыре подуровня, а именно 4s, 4p, 4d, 4f, и орбитальное квантовое число принимает значения 0; 1; 2; 3.

Магнитное квантовое число m_l характеризует расположение (ориентацию) орбитали в пространстве вокруг ядра под действием магнитных полей ядра, других электронов и внешнего магнитного поля. Магнитное квантовое число зависит от l и принимает набор значений от   –l, включая 0, до +l.

Таким образом, энергетический подуровень включает то число атомных орбиталей, сколько значений m_l отвечает конкретному значению l_n.

Следовательно, s-состоянию отвечает одна орбиталь, р-состоянию – три, d-состоянию – пять, f-состоянию – семь орбиталей.

Например, для l = 2 возможные значения m_l будут: -2; –1; 0; +1; +2, т.е. на данном подуровне (d-подуровень) существует пять орбиталей.

Спиновое квантовое число или спин m_s характеризует собственный момент количества движения электрона, связанное с вращением вокруг своей оси. Спиновое квантовое число имеет только два значения: +1/2 и –1/2. Положительное и отрицательное значения m_s связаны с направлением движения электрона по часовой или против часовой стрелки. Электроны с разными спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками.

При данном n = 4 запишем значения всех квантовых чисел в виде табл. 1.1.                                              

Т а б л и ц а   1.1

n	l	me	ms
4	0	0	+1/2; -1/2
	1	-1; 0;  +1	+1/2; -1/2
	2	-2;-1;0;+1;+2	+1/2; -1/2
	3	-3;-2;-1;0;+1;+2;+3	+1/2; -1/2

Пример 1.2.Для вольфраманапишите распределение элек-тронов в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите валентные электроны. Определите число протонов и нейтронов у .

                                      

Р е ш е н и е

Распределение электронов для атома W в нормальном состоянии напишем согласно правилу Клечковского, т. е. с учетом энергии каждого уровня и подуровня:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁴ .

Для проявления возбужденного состояния нарисуем электронную формулу валентного слоя:

 

нормальное состояние                                                  

                                    6s                                                                    

                                                             

                                               5d

 

При возбуждении атома электроны переходят в более высокое энергетическое состояние в пределах внешнего уровня:

 

возбужденное состояние                                                                  

                                                         6p

                                                                                                               

                                                        6s                 

                                                       5d

Протон (р) – это частица, имеющая массу 1,67·10^-27 кг и положительный заряд.

Нейтрон (n) – незаряженная частица, обладающая массой 1,67·10^-27 кг.

Число протонов в ядре характеризует его заряд (z) и принадлежность атома данному химическому элементу, соответствует порядковому номеру элемента. Его пишут слева внизу у символа элемента.

Сумму протонов (z) и нейтронов (n), содержащихся в ядре атома, называют массовым числом (А), А = z + n. Массовое число обычно пишут слева вверху у символа элемента.

Следовательно, у атома вольфрама  имеется 74 протона и 110 нейтронов.

 

Пример 1.3.Напишите распределение электронов для ₈₀Hg и ₅₆Ва. Определите, к каким периоду, группе, семейству они относятся, укажите их валентные электроны. Объясните, в чем сходство и различие элементов с учетом следующих параметров: возможные степени окисления, радиус атома, энергия ионизации, относительная электроотрицательность, восстановительная и окислительная способности.

                                             

Р е ш е н и е

Напишем распределение электронов:

 для ₅₆Ва 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²

 для ₈₀Hg 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰.

 

Выпишем отдельно валентные электроны:

            для ₅₆Ва это 6s²,  для ртути ₈₀Hg – 5d¹⁰6s².

 

Оба элемента находятся в шестом периоде и во II группе, но барий в главной подгруппе, а ртуть – в побочной. Поскольку у Ва последним заполняется s-подуровень, этот элемент относится к s-се-мейству. У ртути (Hg) идет заполнение d-подуровня, следовательно, это ds-элемент.

Валентный слой Ва, содержащий 2 электрона, представим графически:

в нормальном состоянии                                                                    

                                                       6s          ,

в возбужденном состоянии            

                                                              

                                                             6p                                         

                                                       6s                                                  .

 

Теоретически возможные степени окисления бария будут 0 и +1; +2.

 

У ртути валентный слой содержит 12 электронов:

 

  в нормальном состоянии:  

                                               

                                           6s                    

                                                           ;

    5d

            

в возбужденном состоянии:

                                                               

                                                           6р

                                                       

                                                 6s

                                                                    

  5d                                                    .    

 

Возможные степени окисления ртути будут 0; +1; +2.

 

Воспользуемся табличными данными и приведем значения радиуса атома, энергии ионизации и электроотрицательности элементов.

	Ва	Hg
rат, нм	0,221	0,160
I1, кДж/моль	502,8	1007,1
ОЭО	0,9	1,9

 

Видно, что радиус атома Ва значительно больше радиуса атома Hg. Энергия ионизации и относительная электроотрицательность у атома Ва практически в два раза меньше, чем у атома Hg. Это свидетельствует о том, что восстановительная способность атома Ва выше, чем у атома Hg.

Оба элемента относятся к металлам и являются восста-новителями. Как сильный восстановитель барий энергично взаимо-действует с большинством неметаллов уже при комнатной температуре. Взаимодействие с водой, даже на холоде, сопровождается образованием гидроксида Ва.

Ртуть плохо окисляется на воздухе, но при нагревании взаимодействует с серой и галогенами, растворяется в HNO₃, горячей концентрированной H₂SO₄, царской водке и не растворима в HCl и разбавленной H₂SO₄. Ртуть образует комплексные ионы, для которых характерно координационное число 4. Ртуть и ее соединения очень ядовиты.

Сходные признаки и различия указанных элементов могут быть представлены в виде таблицы.

 

Пример 1.4. Объясните, что характеризуют и как изменяются радиус атома, энергия ионизации, восстановительная способность, сродство к электрону, электроотрицательность: а) по периоду слева направо, б) по группе сверху вниз?

а) ₇₃Та – ₈₁Тl; б) ₃₁Ga – ₈₁Tl.

                                     

Р е ш е н и е

Радиус атома орбитальный – теоретически рассчитанное положение главного максимума плотности внешних электронных облаков. Практически приходится пользоваться эффективным. Эффективный радиус – 1/2 расстояния между ядрами атомов химически связанных элементов.

В периодах атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра, в общем, уменьшаются, так как при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а следовательно, притяжение им электронов.

В пределах каждой подгруппы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, так как возрастает число электронных уровней.

Энергией ионизации называется количество энергии I, необ-ходимое для отрыва электрона от атома или иона: Э⁰ + I = Э⁺ + .

По периоду энергия ионизации немонотонно возрастает. Резкие максимумы соответствуют атомам благородных газов, которые обладают наиболее устойчивой электронной конфигурацией s²p⁶.

В пределах одной группы с увеличением порядкового номера энергия ионизации обычно убывает, что связано с увеличением расстояния внешнего электронного уровня от ядра.

Энергия ионизации является мерой восстановительной способ-ности атома.

Сродством к электрону называется энергетический эффект F процесса присоединения электрона к атому:  Э⁰+  = Э^- ± F.

В периодах сродство к электрону и окислительные свойства элементов возрастают, в группах, как правило, уменьшаются.

Понятие электроотрицательности (ОЭО) позволяет оценить способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения. Эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно Малликену, электроотрица-тельность атома может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону: ОЭО = 1/2 (I + F). В периодах наблюдается общая тенденция роста величины электроотрица-тельности, а в группах – ее падение.

Задачи

 

1.1. Дано значение одного из четырех квантовых чисел. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел: n, l, m_e,m_s. Приведите характеристику каждого квантового числа и его возможные значения.

                                                                       Т а б л и ц а  1.2

 

Вариант	Значения	Вариант	Значения
1	n = 2	1’	l = 2
2	n = 3	2’	n = 1
3	n = 4	3’	n = 3
4	n = 5	4’	n = 4
5	n = 6	5’	n = 5
6	n = 7	6’	n = 6
7	l = 0	7’	n = 7
8	l = 1	8’	l = 0
9	l = 3	9’	l = 1
10	m = 0	10’	l = 3
11	m = 1	11’	m = 0
12	m = 2	12’	m = 1
13	m = 3	13’	m = 2
14	n = 1	14’	m = 3
15	l = 2	15’	n = 2

 

1.2. Для элемента напишите распределение электронов в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите валентные электроны. Определите число протонов и нейтронов у данного атома.

 

                                                                            Т а б л и ц а  1.3

 

Вариант	Элемент	Вариант	Элемент
1	32Ge	1’	40Zr
2	51Sb	2’	53I
3	33As	3’	55Cs
4	31Ga	4’	43Tc
5	26Fe	5’	56Ba
6	34Se	6’	46Pd
7	42Mo	7’	30Zn
8	35Br	8’	47Ag
9	52Te	9’	48Cd
10	38Sr	10’	57La
11	44Ru	11’	58Ce
12	50Sn	12’	59Pr
13	49In	13’	60Nd
14	41Nb	14’	61Pm
15	45Rh	15’	62Sm

 

1.3. Напишите распределение электронов для элементов своего варианта. Определите, к каким периоду, группе, семейству они относятся, укажите их валентные электроны. Объясните, в чем сходство и различие элементов с учетом следующих параметров: возможные степени окисления, радиус атома, энергия ионизации, относительная электроотрицательность, восстановительная и окислительная способности.

                                                              Т а б л и ц а  1.4

      

Вариант		Элементы		Вариант	Элементы
1	9F		85At	1’		17Cl	85At
2	20Ca		30Zn	2’		19K	29Cu
3	21Sc		31Ga	3’		23V	33As
4	22Ti		32Ge	4’		39Y	49In
5	57La		81Tl	5’		44Ru	52Te
6	72Hf		82Pb	6’		20Ca	27Co
7	73Ta		83Bi	7’		20Ca	28Ni
Окончание табл. 1.4
8	41Nb		51Sb	8’		74W	84Po
9	42Mo		52Te	9’		76Os	84Po
10	40Zr		50Sn	10’		77Ir	85At
11	24Cr		34Se	11’		78Pt	84Po
12	25Mn		35Br	12’		37Rb	47Ag
13	43Tc		52Te	13’		55Cs	79Au
14	26Fe		36Kr	14’		38Sr	48Cd
15	75Re		85At	15’		41Nb	50Sn

 

 

1.4. Объясните, что характеризуют и как изменяются радиус атома, энергия ионизации, восстановительная способность, сродство к электрону, электроотрицательность а) по периоду слева направо (табл. 1.5);  б) по группе сверху вниз (табл. 1.6).

                                                      Т а б л и ц а  1.5

 

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
1	87Fr - 108Hs	1'	88Ra - 109Mt
2	55Cs - 86Rn	2'	56Ba - 85At
3	37Rb - 54Xe	3'	38Sr - 52Te
4	19K - 36Kr	4'	20Ca - 35Br
5	11Na - 18Ar	5'	12Mg - 18Ar
6	3Li - 10Ne	6'	4Be - 9F
7	38Sr - 53I	7'	22Ti - 34Sе
8	21Sc - 35Br	8'	40Zr - 53I
9	12Mg - 17Cl	9'	72Hf - 85At
10	74W - 84Po	10'	26Fe - 35Br
11	46Pd - 53I	11'	44Ru - 53I
12	58Ce - 71Lu	12'	13Al - 17Cl
13	90Th - 103Lr	13'	76Os - 84Po
14	37Rb - 53I	14'	20Ca - 33As
15	25Mn - 36Kr	15'	37Rb - 52Te

                                                                                               Т а б л и ц а  1.6

 

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
1	23V - 73Ta	1'	41Nb - 104Db
2	26Fe - 76Os	2'	39Y - 89Ac
3	29Cu - 79Au	3'	11Na - 55Cs
Окончание табл. 1.6
4	3Li - 87Fr	4'	17Cl - 85At
5	6C - 82Pb	5'	6C - 50Sn
6	8O - 84Po	6'	27Co - 77Ir
7	24Cr - 74W	7'	19K - 87Fr
8	9F - 85At	8'	12Mg - 56Ba
9	21Sc - 57La	9'	9F - 53I
10	28Ni - 78Pt	10'	40Zr - 72Нf
11	23V - 73Ta	11'	20Ca - 88Ra
12	4Be - 88Ra	12'	13Al - 81Tl
13	22Ti - 72Hf	13'	14Si - 50Sn
14	25Mn - 75Re	14'	3Li – 37Rb
15	30Zn - 80Hg	15'	7N - 51Sb

 

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Решение типовых задач

Пример 2.1.Напишите электронную формулу Cr в устойчивых степенях окисления. Приведите примеры соединений хрома в этих степенях окисления.

 

Р е ш е н и е

 

Для хрома характерны следующие степени окисления: 0, +2, +3, +6.

Электронные формулы хрома в этих степенях окисления следующие:

                              Cr⁰ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵,

                              Cr⁺² 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴,

                              Cr⁺³ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³,

                              Cr⁺⁶ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

 

Нулевая степень окисления хрома проявляется в простом веществе, а также в карбониле [Cr⁰(CO)₆].

Степень окисления +2 хром имеет в гидроксиде Cr(OH)₂, солях типа CrCl₂ и др.

Примером соединения хрома в степени окисления +3 может служить оксид Cr₂O₃. Эта степень окисления наиболее характерна для хрома.

Степень окисления +6 проявляется в оксиде CrO₃, хроматах типа K₂CrO₄ и др.

 

Пример 2.2. С позиций метода валентных связей (ВС) покажи-те образование молекулы ВН₃.Какие орбитали соединяющихся атомов участвуют в образовании связей? Какие и сколько s- или p-связей содержит молекула? Сколько связей в молекуле?

Какова пространственная структура молекулы? Каков тип гибридизации центрального атома в указанном соединении (если есть)? Отметьте полярность связей и полярность молекулы в целом.

                                    

Р е ш е н и е

 

Бор и водород имеют следующие электронные формулы:

 ₁Н: 1s¹

                   1s                   

₅В: 1s²2s²2p¹      

                       2р

  2s

 

      

В невозбужденном состоянии атом бора имеет один неспаренный электрон. Для образования трех связей необходимо распаривание 2s-электронов с переходом одного из них на 2р-орбиталь:

               ₅В*: 1s²2s¹2p²                 

                                       2р                                                                                                               

                           

                               2s

 

Для образования трех одинаковых связей В–Н необходима гибридизация одного 2s и двух 2р-орбиталей – sp²-гибридизация с образованием трех гибридных орбиталей, расположенных в одной плоскости под углом 120^о относительно друг друга:

                                             

 

 

Образованные гибридные орбитали перекрываются с s-орбиталями атома водорода с образованием трех s-связей:

 

                                           

Молекула ВН₃ имеет плоское треугольное строение.

Для определения полярности связей В-Н необходимо сравнить значения ОЭО атомов В и Н; ОЭО(В) = 2,0; ОЭО(Н) = 2,1. Поскольку электроотрицательность водорода больше, то связь В–Н будет полярной. Однако в целом молекула ВН₃ не обладает полярностью, так как полярность связей В–Н, направленных к вершинам правильного треугольника, взаимно компенсируется.

Таким образом, в образовании молекулы ВН₃ принимают участие s-орбитали атома Н и sp²-гибридные орбитали бора. Молекула ВН₃ не полярна, хотя содержит три полярные s-связи, имеет плоскую треугольную структуру. Атом В находится в состоянии sp²-гибридизации.

Пример 2.3. Используя значения относительной электроотри-цательности атомов, расположите соединения HF, HCl, HBr, HI в порядке возрастания ионности связи. К какому из соединяющихся атомов смещено электронное облако и почему?

                                               

                                    Р е ш е н и е

 

О степени ионности связи можно судить на основе разности относительных электроотрицательностей атомов:

ОЭО: Н – 2,1; F – 4; Cl – 3,0; Br – 2,8; I – 2,5.

 

Связь:  HF HCl  HBr  HI

DОЭО: 1,9  0,9    0,7   0,4

 

Следовательно, в порядке возрастания ионности связей указанные молекулы можно расположить в ряд: HI – HBr – HCl – HF; электронная плотность при образовании химической связи смещается к более электроотрицательному атому. Поэтому в HF электронная плотность смещена к F; в HCl – к Cl; в HBr – к Br; в HI – к I.

 

Пример 2.4. В указанном комплексном соединении определите степени окисления всех составляющих, укажите комплексообра-зователь, лиганды, ионы внешней и внутренней сфер и координационное число, заряд комплексообразователя.

Запишите уравнение диссоциации данного комплексного соединения. Назовите это соединение.

 

Р е ш е н и е

 

Решение рассмотрим на примере 2-х комплексных соединений: Na[Co(SCN)₄(H₂O)₂] и [Fe(NH₃)₅(NO₂)]Cl₂.

Сначала проанализируем состав комплексного соединения. В комплексном соединении содержится сложный комплексный ион, который показан в квадратных скобках. Комплексный ион состоит из комплексообразователя и лигандов. Комплексообразователь записывается первым в квадратной скобке, а далее следуют лиганды. Лигандами могут быть как заряженные частицы: I , Cl , F , NO , NO , OH , CN , SCN , так и нейтральные молекулы: Н₂О, NH₃. Количество лигандов вокруг комплексообразователя называется его координационным числом.

Комплексообразователь и лиганды связаны прочной ковалентной связью донорно-акцепторного типа. Комплексный ион является ионом внутренней сферы. Снаружи располагаются ионы внешней сферы. Ионы внешней и внутренней сферы связаны ионной связью.

Если сложный комплексный ион заряжен отрицательно, т.е. является анионом, то ион внешней сферы записывается слева, и комплекс называется анионным. Если комплексный ион заряжен положительно, т.е. представляет из себя катионный комплекс, то ион внешней сферы записывается справа. В некоторых соединениях ионы внешней сферы отсутствуют, тогда внутренняя сфера имеет нулевой заряд, такие комплексы называются нейтральными.

Учитывая степень окисления комплексных ионов (в первом соединении – [Co(SCN)₄(H₂O)₂]^1-, а во втором – [Fe(NH₃)₅NO₂]²⁺), определяем, что первое соединение содержит анионный, а второе – катионный комплекс. Вокруг комплексообразователя Со³⁺ расположены лиганды: (SCN)  и (Н₂О)⁰, их число равно 6, а вокруг Fe³⁺ – лиганды (NH₃)⁰ и (NO₂)^–, их число также равно 6. Ионами внешней сферы в указанных соединениях являются ионы Na⁺ и Cl  соответственно. Исходя из вышесказанного, данные комплексные соединения могут быть представлены следующими схемами (рис. 2.1, 2.2).

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 3128; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!