Изоэлектронными частицами называют частицы, содержащие одинаковое число электронов. Например, к изоэлектронным частицам относятся N 2 , CO, BF, NO + , CN .

Согласно методу МО электронное строение молекулы СО аналогично строению молекулы N 2:

На орбиталях молекулы СО располагаются 10 электронов (4 валентных электрона атома углерода и 6 валентных электронов атома кислорода). В молекуле СО, как и в молекуле N 2 , связь тройная. Сходство в электронном строении молекул N 2 и СО обуславливает близость физических свойств этих веществ.

В молекуле NO на орбиталях распределены 11 электронов (5 электронов атома азота и 6 электронов атома кислорода), следовательно, электронная конфигурация молекулы такова:

NO или

Кратность связи в молекуле NO равна (8–3):2 = 2,5.

Конфигурация молекулярных орбиталей в ионе NO  :

NO 

Кратность связи в этой молекуле равна (8–4):2 = 2.

Ион NO + имеет следующее электронное строение:

NO + .

Избыток связывающих электронов в этой частице равен 6, следовательно, кратность связи в ионе NO + равна трём.

В ряду NO  , NO, NO + избыток связывающих электронов увеличивается, что приводит к возрастанию прочности связи и уменьшению её длины.

Метод молекулярных орбиталей

При использовании метода молекулярных орбиталей считается, в отличие от метода валентных связей, что каждый электрон находится в поле всех ядер. При этом связь не обязательно образована парой электронов. Например, ион Н 2 + состоит из двух протонов и одного электрона. Между двумя протонами действуют силы отталкивания (рис. 30), между каждым из протонов и электроном - силы притяжения. Химическая частица образуется лишь в том случае, если взаимное отталкивание протонов компенсируется их притяжением к электрону. Это возможно, если электрон расположен между ядрами - в области связывания (рис. 31). В противном случае силы отталкивания не компенсируются силами притяжения - говорят, что электрон находится в области антисвязывания, или разрыхления.

Двухцентровые молекулярные орбитали

В методе молекулярных орбиталей для описания распределения электронной плотности в молекуле используется представление о молекулярной орбитали (подобно атомной орбитали для атома). Молекулярные орбитали - волновые функции электрона в молекуле или другой многоатомной химической частице. Каждая молекулярная орбиталь (МО), как и атомная орбиталь (АО), может быть занята одним или двумя электронами. Состояние электрона в области связывания описывает связывающая молекулярная орбиталь, в области разрыхления - разрыхляющая молекулярная орбиталь. Распределение электронов по молекулярным орбиталям происходит по тем же правилам, что и распределение электронов по атомным орбиталям в изолированном атоме. Молекулярные орбитали образуются при определенных комбинациях атомных орбиталей. Их число, энергию и форму можно вывести исходя из числа, энергии и формы орбителей атомов, составляющих молекулу.

В общем случае, волновые функции, отвечающие молекулярным орбиталям в двухатомной молекуле, представляют как сумму и разность волновых функций атомных орбитале, умноженных на некоторые постоянные коэффициенты, учитывающие долю атомных орбиталей каждого атома в образовании молекулярных орбиталей (они зависят от электроотрицательности атомов):

φ(АВ) = с 1 ψ(А) ± с 2 ψ(В)

Этот метод вычисления одноэлектронной волновой функции называют "молекулярные орбитали в приближении линейной комбинации атомных орбиталей" (МО ЛКАО).

Так, при образовании иона Н 2 + или молекулы водорода Н 2 из двух s -орбиталей атомов водорода формируются две молекулярные орбитали. Одна из них связывающая (ее обозначают σ св), другая - разрыхляющая (σ*).

Энергии связывающих орбиталей ниже, чем энергии атомных орбиталей, использованных для их образования. Электроны, заселяющие связывающие молекулярные орбитали, находятся преимущественно в пространстве между связываемыми атомами, т.е. в так называемой области связывания. Энергии разрыхляющих орбиталей выше, чем энергии исходных атомных орбиталей. Заселение разрыхляющих молекулярных орбиталей электронами способствует ослаблению связи: уменьшению ее энергии и увеличению расстояния между атомами в молекуле. Электроны молекулы водорода, ставшие общими для обоих связываемых атомов, занимают связывающую орбиталь.

Комбинация р -орбиталей приводит к двум типам молекулярных орбиталей. Из двух р -орбиталей взаимодействующих атомов, направленных вдоль линии связи, образуются связывающая σ св - и разрыхляющая σ*-орбитали. Комбинации р -орбиталей, перпендикулярных линий связи, дают две связывающих π- и две разрыхляющих π*-орбитали. Используя при заселении электронами молекулярных орбиталей те же правила, что при заполнении атомных орбиталей в изолированных атомах, можно определить электронное строение двухатомных молекул, например O 2 и N 2 (рис. 35).

Из распределения электронов по молекулярным орбиталям можно рассчитать порядок связи (ω). Из числа электронов, расположенных на связывающих орбиталях, вычитают число электронов, находящихся на разрыхляющих орбиталях, и результат делят на 2n (в расчете на n связей):

ω = / 2 n

Из энергетической диаграммы видно, что для молекулы Н 2 ω = 1.

Метод молекулярных орбиталей дает те же значения порядка химической связи, что и метод валентных связей, для молекул О 2 (двойная связь) и N 2 (тройная связь). В то же время он допускает нецелочисленные значения порядка связи. Это наблюдается, например, при образование двухцентровой связи одним электроном (в ионе Н 2 +). В этом случае ω = 0,5. Величина порядка связи прямо влияет на ее прочность. Чем выше порядок связи, тем больше энергия связи и меньше ее длина:

Закономерности в изменениях порядка, энергии и длины связи можно проследить на примерах молекулы и молекулярных ионов кислорода.

Комбинация орбиталей двух разных атомов с образованием молекулы возможно только при близости их энергий, при этом атомные орбитали атома большей электроотрицательности на энергетической диаграмме всегда располагаются ниже.

Например, при образовании молекулы фтороводорода невозможна комбинация 1s -АО атома водорода и 1s -АО или 2s -АО атома фтора, так как они сильно различаются по энергии. Ближе всего по энергии 1s -АО атома водорода и 2p -АО атома фтора. Комбинация этих орбиталей вызывает появление двух молекулярных орбиталей: связывающая σ св и разрыхляющая σ*.

Оставшиеся 2р -орбитали атома фтора не могут комбинироваться с 1s -АО атома водорода, так как они имеют разную симметрию относительно межъядерной оси. Они образуют несвязывающие π 0 -МО, имеющие такую же энергию, что и исходные 2р -орбитали атома фтора.

Не участвующие в ЛКАО s -орбитали атома фтора образуют несвязывающие σ 0 -МО. Заселение электронами несвязывающих орбиталей не способствуют и не препятствуют образованию связи в молекуле. При расчете порядка связи их вклад не учитывается.

Многоцентровые молекулярные орбитали

Вмногоцентровых молекулах молекулярные орбитали являются многоцентровыми, так они представляют собой линейную комбинацию орбиталей всех атомов, участвующих в образовании связей. В общем случае молекулярные орбитали не локализованы, то есть электронная плотность, отвечающая каждой орбитали, более или менее равномерно распределена по всему объему молекулы. Однако с помощью математических преобразований можно получить локализованные молекулярные орбитали определенной формы, соответствующие отдельным двух- или трехцентровым связям или неподеленным электронам.

Простейшим примером трехцентровой связи служит молекулярный ион Н 3 + . Из трех s -орбиталей атомов водорода образуются три молекулярные орбитали: связывающая, несвязывающая и разрыхляющая. Пара электронов заселяет связывающую орбиталь. Образующаяся связь является двухэлектронной трехцентровой; порядок связи равен 0,5.

Химические частицы, содержащие неспаренные электроны, обладают парамагнитными свойствами (в отличие от диамагнитных свойств химических частиц, все электроны в которых спарены). Парамагнетиками являются все вещества, состоящие из химических частицы с нечетным числом электроном, например NO. Метод молекулярных орбиталей позволяет выявить парамагнетики среди веществ, состоящих из химических частиц с четным числом электронов, например О 2 , в молекуле которого два неспаренных электрона находятся на двух разрыхляющих π*-орбиталях.

Химические частицы с неспаренными электронами на внешних орбиталях называют свободными радикалами. Они обладают парамагнетизмом и высокой реакционной способностью. Неорганические радикалы с локализованными неспаренными электронами, например . Н, . NН 2 , обычно являются короткоживущими. Они образуются при фотолизе, радиолизе, пиролизе, электролизе. Для их стабилизации используют низкие температуры. Короткоживущие радикалы - промежуточные частицы во многих реакциях.

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 .

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.

>> Атомы. Ионы. Химические элементы. Для любознательных. Химические элементы в живой природе

Атомы. Ионы. Химические элементы

Материал параграфа поможет вам:

> выяснить, какое строение имеет атом ;
> понять, в чем различие между атомом и ионом;
> усвоить названия и обозначения химических элементов - определенных видов атомов;
> использовать периодическую систему Д. И. Менделеева как источник сведений о химических элементах.

Атомы.

О веществах, их строении размышляли еще древнегреческие философы. Они утверждали, что вещества состоят из атомов - невидимых и неделимых частиц, а в результате их соединения образовался и существует окружающий мир.

1 Фильтром в домашних условиях может служить вата или бинт, сложенный в несколько раз. Фильтр необходимо поместить в хозяйственную лейку.

В переводе с греческого слово «атом» означает «неделимый».

Доказать существование атомов удалось лишь в XIX в. с помощью сложных физических экспериментов. Одновременно было установлено, что атом не является сплошной, монолитной частицей. Он состоит из ядра и электронов. В 1911 г. была предложена одна из первых моделей атома - планетарная. Согласно этой модели, ядро находится в центре атома и занимает незначительную часть его объема, а электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, как планеты - вокруг Солнца (рис. 32).

Электрон в тысячи раз меньше атомного ядра. Это отрицательно заряженная частица. Ее заряд - наименьший из существующих в природе. Поэтому величину заряда электрона физики приняли за единицу измерения зарядов мельчайших частиц (кроме электронов, существуют и другие частицы). Таким образом, заряд электрона равен - 1 . Эту частицу обозначают так: .

Ядро атома заряжено положительно. Заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Поэтому атом электронейтралъный. Если заряд ядра атома составляет +1, то в таком атоме находится один электрон, если +2 - два электрона и т. д.

Рис. 32. Строение простейшего атома (планетарная модель)

Атом - мельчайшая электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг него.

Ионы.

Атом в определенных условиях может потерять либо присоединить один или несколько электронов. При этом он становится положительно или отрицательно заряженной частицей - ионом 1 .

Ион - заряженная частица, образовавшаяся в результате потери атомом или присоединения к нему одного или нескольких электронов.

1 Слово «ион» в переводе с греческого означает «идущий». В отличие от электронейтрального атома ион способен перемещаться в эл ектри ч еском поле.

Если атом теряет один электрон, то образуется ион с зарядом +1, а если присоединяет электрон, то заряд иона будет равен - I (схема 5). В случае потери атомом или присоединения к нему двух
электронов образуются ионы с зарядами соответственно +2 или -2 .

Схема 5. Образование ионов из атомов

Существуют также ионы, образовавшиеся из нескольких атомов.

Химические элементы.

Атомов во Вселенной - бесконечное множество. Их различают по зарядам ядер.

Вид атомов с определенным зарядом ядра называют химическим элементом.

Атомы с зарядом ядра +1 принадлежат одному химическому элементу, с зарядом +2 - другому элементу и т. д.

Сейчас известны 115 химических элементов. Заряды ядер их атомов составляют от +1 до +112, а также +114, +116 и +118.

Почти 90 элементов существуют в природе, а остальные (как правило, с наибольшими зарядами атомных ядер) - искусственные элементы. Их получают ученые на уникальном исследовательском оборудовании. Ядра атомов искусственных элементов неустойчивы и быстро распадаются.

Названия химических элементов, атомов и ионов.

У каждого химического элемента есть название. Современные названия элементов происходят от латинских названий (табл. I). Их всегда пишут с большой буквы.

Таблица I

До недавнего времени 18 элементов имели другие (традиционные) названия, которые можно найти в выпущенных ранее учебниках по химии, а также в таблице I. Например, традиционное название одного из таких элементов - водород, а современное - Гидроген.

Названия элементов используют и для соответствующих частиц: атом Гидрогена (водорода ), ион Гидрогена (водорода).

С названиями ионов, образовавшихся из нескольких атомов, вы ознакомитесь позже.

Названия химических элементов имеют разное происхождение. Одни связаны с названиями или свойствами (цветом, запахом) веществ, другие - с названиями планет, стран и т. п. Есть элементы, названные в честь выдающихся ученых. Происхождение некоторых названий неизвестно, поскольку они возникли очень давно.

Это интересно

Современное название одного из элементов - Меркурий. Оно отличается от латинского названия (Hydrargyrum), но близкое к английскому (Mercury) и французкому (Mercure).

Что вы думаете о происхождении названий таких элементов: Европий, Франций, Нептуний, Прометий, Менделевий?

Это интересно

Символы элементов во всех странах одни и те же.

Символы химических элементов.

Каждый элемент, кроме названия, имеет еще и сокращенное обозначение - символ, или знак. В наше время используют символы элементов, предложенные почти 200 лет назад известным шведским химиком Й. Я. Берцелиусом (1779-1848). Они состоят из одной латинской буквы (первой в латинских названиях элементов) или двух1. В таблице I такие буквы выделены в названиях элементов курсивом.

Рис. 33. Клетка периодической системы

Произношение символов почти всех элементов совпадает с их названиями. Например, символ элемента Иода I читается «йод», а не «и», а элемента Феррума Fe - «фэрум», а не «фэ». Все исключения собраны в таблице I.

В некоторых случаях используют общее обозначение химического элемента - E.

Символы и названия химических элементов содержатся в периодической системе Д. И. Менделеева.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева .

В 1869 г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предложил таблицу, в которой разместил известные к тому времени 63 элемента. Эту таблицу назвали периодической системой химических элементов.
В нашем учебнике приведены два ее варианта: короткий (форзац I) и длинный (форзац II).

В периодической системе есть горизонтальные строки, которые называют периодами, и вертикальные столбцы - группы. Пересекаясь, они образуют клетки, в которых содержится важнейшая информация о химических элементах.

Каждая клетка пронумерована. В ней записан символ элемента, а под ним - название (рис. 33).

1 Символы четырех элементов, открытых в последнее время, состоят из трex букв.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834- 1907)

Выдающийся ученый-химик, член и почетный член академий наук многих стран. В 1869 г., в возрасте 35 лет, создал периодическую таблицу (систему) химических элементов и открыл периодический закон - фундаментальный закон химии. Опираясь на периодический закон, изложил химию в своем учебнике «Основы химии», который многократно переиздавался в России и других странах. Провел основательные исследования растворов и разработал теорию их строения (1865- 1887). Вывел общее уравнение газового состояния (1874). Предложил теорию происхождения нефти, разработал технологию производства бездымного пороха, внес существенный вклад в развитие науки об измерениях - метрологии.

Номер клетки называют порядковым номером размещенного в ней элемента. Его общее обозначение - Z. Выражение «порядковый номер элемента Неона - 10» сокращенно записывают так: Z(Ne) = 10. Порядковый номер элемента совпадает с зарядом ядра его атома и количеством электронов в нем.

В периодической системе все элементы размещены в порядке возрастания заряда ядер атомов.

Итак, из периодической системы Д. И. Менделеева можно получить такие сведения о химическом элементе:

Символ;
название;
порядковый номер;
заряд ядра атома;
количество электронов в атоме;
номер периода, в котором элемент находится;
номер группы, в которой он размещен.

Найдите в периодической системе элемент с порядковым номером 5 и выпишите в тетрадь сведения о нем.

Распространенность химических элементов.

Одни элементы встречаются в природе «на каждой шагу», другие - чрезвычайно редко. Распростриненность элемента в воздухе, воде, почве и т. п. оценивают, сравнивая количество его атомов с количеством атомов других элементов.

Владимир Иванович Вернадский (1863- 1945)

Российский и украинский ученый-естествоиспытатель, академик АН СССР и АН УССР, первый президент АН Украины (1919). Один из основоположников геохимии. Выдвинул теорию происхождения минералов. Изучал роль живых организмов в геохимических процессах. Разработал учение о биосфере и ноосфере. Исследовал химический состав литосферы, гидросферы, атмосферы. Организатор нескольких научно-исследовательских центров. Основатель школы ученых-геохимиков.

Распределение элементов в разных частях нашей планеты изучает наука геохимия. Значительный вклад в ее развитие внес выдающийся отечественный ученый В. И. Вернадский.

Атмосфера почти полностью состоит из двух газов - азота и кислорода. Молекул азота в воздухе вчетверо больше, чем молекул кислорода . Поэтому первое место по распространенности в атмосфере занимает элемент Нитроген, а второе - Оксиген.

Гидросфера - это реки, озера, моря, океаны, в которых растворены небольшие количества твердых веществ и газов . Приняв во внимание состав молекулы воды , легко приити к заключению, что в гидросфере больше всего атомов Гидрогена.

Литосфера, или земная кора, - это твердый поверхностный слой Земли. В нем содержится много элементов. Наиболее распространенными являются Оксиген (58 % всех атомов), Силиций (19,6 %) и Алюминий (6,4 %).

Во Вселенной существуют те же элементы, что и на нашей планете. Первое и второе места по распространенности в ней занимают Гидроген (92 % всех атомов) и Гелий (7 %) - элементы, атомы которых имеют простейшее строение.

Выводы

Атом - мельчайшая электронейтральная частица вещества, которая состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ион - положительно или отрицательно заряженная частица, образовавшаяся вследствие потери атомом или присоединения к нему одного или нескольких электронов.

Вид атомов с определенным зарядом ядра называют химическим элементом. Каждый элемент имеет название и символ.

Важнейшие сведения о химических элементах содержатся в периодической системе, созданной русским ученым Д. И. Менделеевым.

Почти 90 химических элементов существуют в природе; они различаются по распространенности.

?
37. Охарактеризуйте строение атома.
38. Дайте определение иона. Как эта частица образуется из атома?
39. Что такое химический элемент? Почему его нельзя отождествлять с ато­мом или веществом?
40. Превращается ли один элемент в другой, если атом теряет (присоеди­няет) электрон? Ответ объясните.
41. Найдите в периодической системе и прочитайте такие символы химиче­ских элементов: Li, Н, Al, 0, С, Na, S, Cu, Ag, N, Au. Назовите эти элементы.
42. Какой из символов соответствует Ферруму (F, Fr, Fe), Силицию (С, Cl, S, Si, Sc), Карбону (К, С, Co, Ca, Cr, Kr)?
43. Выпишите из периодической системы символы всех элементов, кото­рые начинаются на букву А. Сколько существует таких элементов?
44. Подготовьте краткое сообщение о происхождении названий Гидрогена, Гелия или любого другого элемента.
45. Заполните пропуски: a) Z(...) = 8, Z(...) = 12; б) Z(C) = ..., Z(Na) = ...
46. Заполните таблицу:

47. Воспользовавшись данными, приведенными в тексте параграфа, определите, сколько приблизительно атомов Оксигена приходится в земной коре на I атом Силиция и на I атом Алюминия.

Для любознательных

Химические элементы в живой природе Подсчитано, что в среднем 80 % массы растений приходится на воду. В организмах животных и человека это вещество также преобладает. Следовательно, наиболее распространенным элементом в живой природе, как и в гидросфере, является Гидроген.

Рис. 34. Химические элементы в организме взрослого человека (в процентах от общего количества атомов)

Организму человека необходимы более 20 химических элементов. Их называют биоэлементами (рис. 34). Они содержатся в воздухе, воде, а также многих веществах, попадающих в организм вместе с пищей. Карбон, Оксиген, Гидроген, Нитроген, Сульфур находятся в белках, других веществах, из которых состоит организм. Калий и Натрий содержатся в крови, клеточных жидкостях и т. п. Оксиген, Фосфор и Кальций необходимы для формирования костей. Очень важны для человека Феррум, Флуор, Иод. Недостаток Феррума в организме приводит к малокровию, Флуора - служит причиной кариеса, а Иода - замедляет умственное развитие ребенка.

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.

1. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Атом электронейтрален. Число протонов в ядре равно числу электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Относительные масы протона и нейтрона равны 1, протон имеет заряд +1, нейтрон не заряжен. Заряд ядра равен числу протонов, масса ядра равна сумме масс протонов и нейтронов. Масса атома складывается, в основном, из массы ядра, так как масса электронов мала (масса электрона равна 1/1840 массы протона).

2. Порядковый номер элемента равен заряду ядра (числу протонов), относительная масса изотопа элемента равна числу протонов и нейтронов: Аr = Z + N.

3. Электроны размещаются по энергетическим уровням. Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода. Максимальное число электронов на энергетическом уровне равно 2n 2 (n - номер энергетического уровня).

4. Электроны, находящиеся на одном энергетическом уровне образуют различные облака (орбитали):
s - электроны образуют облака шаровидной формы,
p - электроны - гантелеобразной формы,
d и f - электроны имеют более сложную форму.
На первом энергетическом уровне имеется только s-подуровень, на втором s- и p-подуровни, на третьем s-, p-, d-подуровни, на четвертом s-, p-, d-, f-подуровни.
На энергетических подуровнях имеется одна s-обиталь, три p-орбитали, пять d-орбиталей, семь f-орбиталей. На каждой орбитали может быть один (неспаренный) или два (спаренные) электрона. Таким образом, максимальное число s-электронов на энергетическом уровне равно 2, p-электронов - 6, d-электронов - 10, f-электронов - 14.

5. Энергетический уровень может быть завершенным или незавершенным. В завершенном энергетическом уровне все орбитали заполнены, электроны спарены.

6. Заполнение энергетических уровней идет по принципу наименьшей энергии. Электрон занимает орбиталь с наименьшей энергией.

7. Электронное строение записывается электронной формулой (например: 6 C 1s 2 2s 2 2p 2) или с помощью квантовых ячеек.

8. Химические свойства элемента зависят от электронного строения. Электронное строение атомов периодически повторяется, следовательно, периодически повторяются химические свойства.

9. Высшая степень окисления (и высшая валентность) для большинства элементов определяется по номеру группы.

10. Отрицательная степень окисления неметаллов (валентность в летучих водородных соединениях неметаллов) определяется числом электронов, недостающих до завершения внешнего энегретического уровня, по формуле "номер группы - 8".

11.Ионы образуются из атомов в результате отдачи или принятия электронов.
Э 0 - ne = Э n+
Э 0 + ne = Э n-

12.Изотопы - атомы одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную массу. Ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.