СТРОЕНИЕ АТОМА - Неограническая химия

Задание 1.1. Для приведенных в варианте (табл. I.1) 4-х химических элементов определить:

    1.1.1. Группу и период, в которых находится данный элемент в периодической таблице Д. И. Менделеева. 1.1.2. Электронную формулу атома элемента и указать, к какому семейству относится данный элемент. 1.1.3. Валентные электроны и перечислить все теоретически возможные степени окисления для нормального и возбужденного состояния атома. Привести примеры соединений, в которых данный элемент имеет разные степени окисления. 1.1.4. Как изменяются радиус атома, энергия ионизации, электроотрицательность и металлические свойства по периодам и группам таблицы Д. И. Менделеева.

Пример решения 1.1

Элемент 34Se (Селен)

    1.1.1. Исходя из положения данного элемента в таблице Д. И. Менделеева (Приложение I) определяем, что селен, имеющий порядковый номер 34, находится в 4 периоде и VI A группе. 1.1.2. Чтобы записать электронную формулу атома селена воспользуемся общей формулой распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f145d2-106p67s26d15f146d2-10 ..., и представленной ниже схемой (рис. 1.1), на которой показаны валентные электроны, т. е. электроны, участвующие в связи. Записываем электронную формулу, валентные электроны и определяем, к какому семейству относится данный элемент.

Электронная формула селена: 1s22s22p63s23p64s23d104p4. Валентные электроны находятся на 4-м энергетическом уровне: 4s24p4. Так как последний электрон на р-подуровне, то селен относится к элементам р-семейства.

Рис. 1.1. Схема распределения валентных электронов для атомов элементов в семействах (s, p, d, f):

N - номер периода, цифрами указано возможное количество валентных электронов

1.1.3. Чтобы записать степени окисления атома, нужно иметь ввиду, что степень окисления - это условный заряд атома в соединении, указывающий сколько электронов оттянуто или притянуто к атому элемента. Все металлы способны только отдавать электроны, они находятся слева от границы Цинтля, проходящей по линии, соединяющей элементы 5В и 85At. Отдавая электроны, атом элемента приобретает положительный заряд. Все металлы являются восстановителями. Справа от границы Цинтля находятся элементы, которые являются окислителями.

Самый электроотрицательный элемент - 9F. Это безусловный окислитель. Фтор способен только принимать электроны и, кроме степени окисления, равной "0" (в соединении F2) может иметь степень окисления со знаком "-". Остальные элементы, расположенные между границей Цинтля и фтором, несмотря на преимущественные окислительные свойства могут как отдавать, так и принимать электроны и имеют степени окисления как со знаком "+", так и со знаком "-" в зависимости от атома элемента, вступающего с ним в связь. Знаки при степенях окисления показаны на схеме (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Знаки степеней окисления элементов в таблице Д. И. Менделеева

Чтобы определить степени окисления селена записываем валентные электроны для селена в нормальном состоянии.

Согласно схеме (рис. 1.2), селен может не только принимать, но и отдавать электроны.

Учитывая число "посадочных мест", определяем, что селен может принять 1 или 2 электрона, а имея в виду, что неспаренных электронов также 2, делаем вывод, что селен может отдать 1 или 2 электрона. Таким образом, селен в нормальном состоянии может иметь следующие степени окисления: 2-, 1-, 0, 1+, 2+.

Далее записываем валентные электроны для селена в возбужденном состоянии. При получении дополнительной энергии происходит распаривание неподеленных пар электронов. Электроны переходят в более высокое энергетическое состояние. Следует отметить, что переход электронов происходит только в пределах внешнего уровня, в данном случае четвертого.

Так как при возбуждении в основном увеличиваются возможности селена к отдаче электронов, то теоретически возможные степени окисления Se в возбужденном состоянии атома следующие: 2-, 1-, 0, 1+, 2+, 3+, 4+, 5+, 6+.

Приведем примеры для соединений, в которых селен имеет различные степени окисления (табл. 1.1). В случае затруднений при ответе на данный вопрос следует воспользоваться учебниками по химии для ВУЗов.

Таблица 1.1

Степень окисления

Формула соединения

Название

0

Se

Селен

2-

H2Se

Селенистый водород

1+

Se2Cl2

Хлорид селена

4+

H2SeO3

Селенистая кислота

6+

H2SeO4

Селеновая кислота

1.1.4. В справочной литературе приводятся разные выражения для радиуса атома (металлический, орбитальный, эффективный и др.). За эффективный радиус атома принимают половину расстояния между ядрами атомов, связанных в молекулу в ее устойчивом состоянии.

Потенциал ионизации (эВ/атом) - это потенциал, который надо приложить к одиночному атому или иону, чтобы оторвать от него электрон. Энергия ионизации имеет аналогичный смысл в параметрах кДж/моль.

Электроотрицательность характеризует способность атома как принимать, так и отдавать электроны. Часто это понятие ограничивают только представлением о принятии электронов.

Все эти свойства атома определяются силами взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. При движении по периодам и группам таблицы Д. И. Менделеева (сверху вниз) заряд ядра и суммарный заряд электронов увеличиваются, и силы притяжения между ними возрастают. Однако следует иметь ввиду, что, если заряд ядра можно условно рассматривать как точечный, то электроны распределяются по энергетическим уровням. С увеличением числа уровней (слоев) электроны удаляются от ядра, и силы притяжения между ядром и электронами ослабляются. Далее надо учесть, что каждый уровень "расщепляется" на подуровни. Среди подуровней появляются d - и f-подуровни, наиболее плотно заполненные электронами. Начинает действовать эффект d - и f-сжатия, конкурирующий с удалением электронов от ядра. Закономерности изменения свойств атомов элементов представлены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Направления, по которым рассматривается изменение свойств атомов элементов по группам и периодам периодической таблицы Д. И. Менделеева

В направлении I (по периоду слева направо):

    1) заряд ядра и суммарный заряд электронов увеличиваются - сила притяжения между ядром и электронами возрастает; 2) число энергетических уровней остается постоянным; 3) все время пополняется d-подуровень (а начиная с 6 периода и f-подуровень) - действует эффект d - и f-сжатия.

В конечном итоге: сила притяжения между ядром и электронами возрастает, радиус атома уменьшается, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, возрастают окислительные свойства и электроотрицательность.

В направлении II (по группам сверху вниз):

    1) заряд ядра и суммарный заряд электронов возрастают; 2) число энергетических уровней увеличивается, электроны уда-ляются от ядра, и сила притяжения уменьшается; 3) d - и f-сжатие действует слабо, так как эти электроны остаются во внутренних оболочках.

Таким образом: радиус атома увеличивается; потенциал ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, а окислительные свойства и электроотрицательность уменьшаются.

В направлении III (правая часть d-семейства):

    1) заряд ядра и суммарный заряд электронов возрастают; 2) число энергетических уровней увеличивается, но незначи-тельно; 3) очень сильно действует эффект d и f-cжатия, так как d - и f - подуровни все более близки к заполнению.

В результате - радиус атома стремится к уменьшению, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность также уменьшается.

Для селена свойственны направления I и II.

Рассмотрим следующий элемент.

Элемент 99Es (Энштейний)

    1.1.1. Энштейний в таблице Д. И. Менделеева находится в 7 периоде в IV A группе. 1.1.2. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням следующее: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f145d2-106p67s26d15f10. Так как последний электрон находится на f-подуровне, то энштейний относится к f-семейству. 1.1.3. Валентные электроны Es : 7s26d15f10.

Электрон 6d может "провалиться" на 5f, так как образуется более устойчивое состояние.

Так как число неспаренных электронов равно 3 и энштейний находится слева от границы Цинтля, то степени окисления имеют следующие значения: 0, 1+, 2+, 3+.

При возбуждении происходит распаривание 7s электронов и переход на 7p подуровень.

Степени окисления: 0, 1+, 2+, 3+, 4+, 5+.

Возможные соединения энштейния приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Степени окисления

Формула соединения

Название

0

Es

Энштейний

1+

EsCl

Хлорид энштейния

2+

EsO

Оксид энштейния

4+

EsO2

Диоксид энштейния

1.1.4. По периоду слева направо сила взаимодействия между ядром и электронами увеличивается, радиус атома уменьшается, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность возрастает.

По группе сверху вниз сила взаимодействия между ядром и электронами возрастает, радиус атома уменьшается, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность уменьшается.

Далее по аналогии даем описание еще 2-х элементов, соответствующих Вашему варианту (табл. I.1).

Таблица I.1

Номер

Символы химических элементов

Варианта

S-

P-

D-

F-

1

87Fr

5B

80Hg

71Lu

2

88Ra

6C

79Au

70Yb

3

56Ba

7N

78Pt

69Tm

4

55Cs

8O

77Ir

68Er

5

38Sr

9F

76Os

67Ho

6

37Rb

13Al

75Re

66Dy

7

55Cs

14Si

74W

65Tb

8

56Ba

15P

73Ta

64Gd

9

87Fr

16S

72Hf

63Eu

10

88Ra

17Cl

57La

62Sm

11

56Ba

31Ga

89Ac

61Pm

12

55Cs

32Ge

104Rf

60Nd

13

87Fr

33As

105Db

59Pr

14

88Ra

34Se

106Sg

58Ce

15

20Ca

35Br

48Cd

90Th

16

4Be

50Sn

47Ag

91Pa

17

3Li

51Sb

46Pd

92U

18

38Sr

52Te

45Rh

93Np

19

20Ca

53I

44Ru

94Pu

20

37Rb

49In

43Tc

95Am

21

19K

81Tl

42Mo

96Cm

22

12Mg

82Pb

41Nb

97Bk

23

11Na

83Bi

40Zr

98Cf

24

4Be

84Po

39Y

99Es

25

3Li

85At

30Zn

100Fm

26

19K

81Tl

29Cu

101Md

27

20Ca

82Pb

28Ni

102No

28

11Na

83Bi

27Co

103Lr

29

12Mg

84Po

26Fe

98Cf

30

38Sr

85At

25Mn

99Es

Похожие статьи




СТРОЕНИЕ АТОМА - Неограническая химия

Предыдущая | Следующая