Общая и неорганическая химия

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

 

 

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

 

 

 

Методические указания

для самостоятельного изучения студентами

всех направлений и специальностей

Санкт-Петербург

2010

 

  Рассмотрены и рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией факультета химической технологии и биотехнологии Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии                                                                            

29 сентября2010 г.

 

С о с т а в и т е л и:

доктор химических наук, профессор Е.В.Школьников,

кандидат технических наук, доцент  Т.И. Фомичева

О т в. р е д а к т о р

доктор химических наук, профессор Е.В.Школьников

Р е ц е н з е н т

Кафедра неорганической и аналитической химии СПбГЛТА

Общая и неорганическая химия.Строение атома и периодический закон: методические указания/сост. Е.В.Школьников, Т.И. Фомичева. – СПб.: СПбГЛТА, 2010.− 27 с.

В методических указаниях кратко изложены основы учения о строении атома и периодический закон, приведены примеры решения типовых задач, а также задачи  и упражнения для самостоятельной работы студентов по химии, общей и неорганической химии.

 

Темплан 2010 г. Изд. №

Пример 2.

Укажите форму, название орбиталей и название подуровня для различных значений орбитального квантового числа.

Решение. Для l = 0 s -подуровень, s -орбиталь, граничная поверхность в виде сферы; l = 1 р -подуровень, p -орбиталь, орбиталь-гантель; l = 2 d -подуровень, d -орбиталь, орбиталь сложной формы; l = 3 f -подуровень, f -орбиталь, орбиталь более сложной формы.

Связь между значением l, обозначением подуровня и формой орбитали выглядит следующим образом:

 

l             Подуровень                             Форма орбитали

 

0                      s                    сферическая

 

1                      p гантель

 

2                       d                    розетка

 

Пример 3.

Определите количество подуровней и форму орбиталей на 1, 2, 3-м энергетических уровнях.

Решение.

а) Первый энергетический уровень п = 1.

Так как орбитальное квантовое число зависит от главного квантового числа и может меняться от 0 до п - 1, то для первого энергетического уровня оно будет иметь одно единственное значение
1 = 0. Форма орбитали сферическая. Следовательно, на первом энергетическом уровне может быть только один подуровень 1 s.

б) Второй энергетический уровень п = 2. Для второго энергетического уровня орбитальное число может принимать два значения:

l = 0,  2 s -орбиталь - сфера большего размера, чем на первом энергетическом уровне; l = 1, 2 p -орбиталь - гантель.

Следовательно, на втором энергетическом уровне два подуровня:
2 s и 2 р.

в) Третий энергетический уровень п = 3. Для третьего энергетического уровня орбитальное квантовое число может принимать три значения:

1 = 0, 3 s -орбиталь - сфера большего размера, чем на втором уровне; / l = 1, 3p-орбиталь - гантель большего размера, чем на втором уровне;
l = 2, 3 d -орбиталь сложной формы. Таким оразом, на третьем энергетическом уровне могут быть три энергетических подуровня: 3 s, 3 р и 3 d.

Орбитальное число квантует орбитальный момент импульса электрона (квадрат его величины)согласно формуле

M_l ² = h ² l (l +1) /4 π ².

Дополнительное расщепление некоторых спектральных линий происходит при нахождении излучающих атомов в магнитном поле, ука-зывая на необходимость введения третьего квантового числа.

 

Магнитное квантовое число

 

Магнитное квантовое число (т) - характеризует пространственную ориентацию электронной  атомной орбитали и  принимает целочислен-ные значения, но не произвольным образом, а в зависимости от квантового числа l (т.е. от формы орбитали), изменяясь от - l до + l включая 0: т= − l,...−1,0, +1,...+ l.

Это означает, что на энергетическом подуровне для каждой формы орбитали существует (2 l +1) энергетически равноценных ориентацийв пространстве.

Для сферической s -орбитали (l = 0) такое положение одно и соответствует т = 0. Сфера не может иметь разные ориентации в пространстве.

Для p-орбитали (l = 1) - три равноценные ориентации в пространствесоответственно при m = –1, 0 и  +1 (если l = 1, то 2 l + 1 = 3). Три значения указывают на то, что р - орбитали этого подуровня ортогонально  ориентированы по осям x, y, z, причем узел орбиталей совпадает с положеним ядра в атоме(см.рисунок).

 

Для d -орбитали (1 = 2) имемпять равноценных ориентаций в пространстве соответственно значениям т: −2,  − 1,0, +1, + 2.

Таким образом, на s -подуровне одна орбиталь, на р- подуровне три орбитали, на d -подуровне пять орбиталей, на f -подуровне семь орбиталей с одинаковой энергией. Такие орбитали называются вырожденными.

Упрощая, орбиталь  изображают в виде квадрата, называемого квантовой ячейкой. Тогда подуровни, с учетом значений m, выглядят так:

 

 

l            Подуровень                Квантовые ячейки

0                     s

1                     p

2                     d

3                     f

 

 

Магнитное число квантует проекцию орбитального механического момента М_l на вектор напряженности внешнего магнитного поля Н согласно формуле

М_Н = hm /2 π.

Когда три квантовые числа n, l, m заданы, волновая функция ψ( x, y, z), являющаяся решением уравнения Шрёдингера, описывает конкретный электрон атома и представляет собой математический аналог атомной орбитали. На кривых радиального распределения электронной плотности атомных орбиталей в координатах 4π r ² ψ ² - r наблюдаются максимумы,

число которых равно разности n − l. Следует отметить, что максимум на такой кривой для 1 s − орбитали атома водорода соответствует сфере с радиусом первой «боровской орбиты» 0,053 нм, определяемым правилом квантования по Бору. ∙

Спиновое квантовое число

 

Экспериментально установлено, что атомные спектры щелочных металлов имеют дублетную структуру линий. Первоначально(Д.Уленбек и С.Гоудсмит, 1925 г.) это объяснялось тем, что в дополнение к орбитальному движению электрон вращается вокруг собственной оси подобно волчку и имеет с пин- собственный механичепский и магнитный момент. Квадрат спинового механического момента электрона

 

M_s ² = h ² S (S +1) / 4 π ²

определяется квантовым  числом S = ½, а проекция этого моментана ось z

M_sz = m_sh /2 π

− спиновым квантовым числом s,принимающим значения + 1/2 и −1/2. Как следует из теории Дирака(1928 г.), такие же результаты получаются без использования упрощенной модели волчка для электрона в атоме.

Спиновое число s – квантовомеханическое свойство, связанное с магнитным полем электрона.Схематически спин электрона изображается стрелкой,направленной вверх ↑ или вниз ↓.

 

 

Примеры решения задач

Пример 1. В каком порядке происходит заполнение электронами подуровней З d, 4 s, 4 р?

Решение. Найдем сумму n + l для каждого из подуровней:

n = 3, l = 2, n + l = 3 + 2 = 5 – для 3 d- подуровня;

n = 4, l = 0, n + l = 4 + 0 = 4 – для 4 s- подуровня;

n = 4, l = I, n + l = 4 + 1 = 5 – для 4 p- подуровня.

По первому правилу Клечковского сначала заполняется подуровень 4 s (наименьшая сумма n + l), далее по второму правилу заполняется подуровень 3 d (меньшее n при одинаковой сумме n + l) и последним заполняется подуровень 4 p.

Порядок заполнения подуровней 4 s 3 d 4 p.

 

Пример 2. Привести электронную и электронно-графическую формулы атома кремния и охарактеризовать значениями квантовых чисел его внешние электроны.

Решение. В периодической системе атом кремния стоит под номером 14. В электронной оболочке атома 14 электронов. Используя правило наименьшей энергии и сведения о максимальном числе электронов на уровнях и подуровнях, составим электронную формулу Si:1 s ²2 s ² 2 р ⁶3 s ² З р ².

Электронно-графическая формула отражает также распределение электронов на орбиталях согласно правилу Хунда:

 

 

На внешнем уровне атома кремния содержится 4 электрона из них два на 3 s - и два на 3 р -подуровнях. Составим таблицу значений квантовых чисел, характеризующих эти электроны:

 

электрон	n	l	ml	ms
3 s  (1)	3	0	0	+1/2
3 s (2)	3	0	0	-1/2
3 p (1)	3	1	+1	+1/2
3 p (2)	3	1	0	-1/2

 

 

Пример 3. Привести электронные формулы ионов мышьяка с зарядами +3 и –1.

Решение. При потере или присоединении электронов к атому происходит изменение структуры внешней электронной оболочки. Рассмотрим, как меняется электронная конфигурация мышьяка при переходе Аs⁰ →Аs³⁺. Появление положительного заряда связано с дефицитом электронов, т.е. имеет место процесс: Аs⁰ – 3ē → Аs³⁺. Электронная формула Аs⁺³:1 s ²2 s ²2 р ⁶3 s ²3 р ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 р ⁰.

При переходе Аs⁰→ Аs^1- появляется избыток электронов за счет процесса Аs+ē→Аs^1– электронная формула принимает вид

Аs^1–:1 s ²2 s ²2 р ⁶3 s ²3 р ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 р ⁴.

 

Пример 4. Исходя из закономерностей периодической системы, определите, какие гидратные формы оксидов образует элемент титан. Какими свойствами обладают эти соединения?

Решение. Титан – элемент № 22 – расположен в 4 периоде, IV побочной подгруппе, т.е. относится к 3 d -элементам. У таких элементов валентные электроны расположены на предвнешнем d -подуровне и внешнем s -подуровне. Для атома титана в основном соcтоянии валентная конфигурация 3d²4s²(спин-валентность 2, степень окисления +2 в оксиде TiOи в гидратной форме его Ti(OH)₂); в возбужденном состоянии –3d²4s4p (спин-валентность 4, степень окисления +4 в оксиде TiO₂ и в гидратных формах его H₄TiO₄ и H₂TiO₃. Соединения титана с низшей степенью окисления +2 неустойчивы и имеют oсновные свойсва. Высшую степень окисления +4 титан проявляют в устойчивом оксиде TiO₂ и в гидратных формах его с преимущественно кислотными свойствами.

Пример 5. Составить электронную формулу атома элемента № 15, определить положение элемента в периодической системе (период, группа, подгруппа) и спин-валентность в основном и возбужденном состояниях.

Решение. В первом периоде 2 элемента, во втором и третьем по 8 элементов. Следовательно, элемент № 15(фосфор) находится в 3 (малом) периоде, в котором заполнение имеющегося 3 d –подуровня не происходит в соответствии с первым правилом Клечковского. Электронная формула атома фосфора: в основном состоянии ₁₅ Р 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ³, в возбужденном состоянии (при поглощении кванта энергии hν) ₁₅Р^*1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s 3 p ³3 d в результате электронного перехода 3 s →3 d с увеличением спин-валентности от 3 до 5 и с изменением валентной конфигурации 3 s ²3 p ³→ 3 s 3 p ³3 d. Фосфор находится в 3 периоде(заполняется электронами третий квантовый слой n=3), в Vгруппе(валентная конфигурация содержит 5 электронов), в главной подгруппе(заполняется р -подуровень внешнего третьего уровня).

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2003. 743 с.

2. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. В двух томах. М.; БИНОМ, 2008.Т.1.607с.;

Т.2. 670 с.

3. Коровин Н.В.. Общая химия. М.: «Высшая школа», 2006. 557 с.

4. А.В.Суворов, А.Б.Никольский. Общая химия. СПб., Химия, 1995. 624 с.

5. Н.Л.Глинка. Общая химия. М., Интеграл-ПРЕСС, 2002. 859 с.

6. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2004. 527 с.

7. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. М.: «Интеграл-Пресс»; 2003.264 с.

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

Оглавление

 

1.Основные теории строения атома……………………………………3

2.Квантовые числа………………………………………………………10

3.Принципы и правила заполнения электронной оболочки атома….15

4.Периодический закон и периодичепская система элементов

Д.И.Менделеева……………………………………………………….17

5.Периодичность физико-химических свойств элементов…………. 19

6.Примеры решения задач………………………………………………23

Библиографический список…………………………………………. 26

 

С о с т а в и т е л и:

 

Школьников Евгений Васильевич

Фомичева Татьяна Ивановна

 

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

 

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

 

 

Методические указания по самостоятельному изучению студентами  учения о строении атома и периодического закона

 

Отпечатано в авторской редакции с готового оригинал-макета

 

----------------------------------------------------------------------------------

Подписано в печать с оригинал-макета   .10.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Уч.-изд. л. 1,75. Печ. л. 1,75. Тираж 200 экз. Заказ №. С.

 

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия

Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТА

194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

 

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ