E.N.FRENKEL
Tutorial de chimie
Un ghid pentru cei care nu știu, dar vor să învețe și să înțeleagă chimia
Partea I. Elemente de chimie generală
(primul nivel de dificultate)
Continuare. Vezi începutul în Nr. 13, 18, 23/2007
Capitolul 3. Informaţii elementare despre structura atomului.
Legea periodică a lui D.I. Mendeleev
Amintiți-vă ce este un atom, în ce constă un atom, dacă un atom se modifică în reacțiile chimice.
Un atom este o particulă neutră din punct de vedere electric constând dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ.
Numărul de electroni în timpul proceselor chimice se poate schimba, dar sarcina nucleară rămâne întotdeauna aceeași. Cunoscând distribuția electronilor într-un atom (structura unui atom), este posibil să se prezică multe proprietăți ale unui atom dat, precum și proprietățile substanțelor simple și complexe în care acesta este inclus.
Structura atomului, adică compoziția nucleului și distribuția electronilor în jurul nucleului pot fi ușor determinate de poziția elementului în sistemul periodic.
În sistemul periodic al lui D.I. Mendeleev, elementele chimice sunt aranjate într-o anumită succesiune. Această secvență este strâns legată de structura atomilor acestor elemente. Fiecare element chimic din sistem este atribuit număr de serie, in plus, pentru acesta puteti specifica numarul perioadei, numarul grupului, tipul subgrupului.
Sponsor al publicării magazinului online de articole „Megameh”. În magazin veți găsi produse din blană pentru toate gusturile - jachete, veste și haine de blană din vulpe, nutria, iepure, nurcă, vulpe argintie, vulpe arctică. De asemenea, compania vă oferă să achiziționați produse din blană de elită și să utilizați serviciile de croitorie individuală. Produse de blană en-gros și cu amănuntul - de la categoria buget la lux, reduceri de până la 50%, 1 an garanție, livrare în Ucraina, Rusia, CSI și țările UE, ridicare de la showroom-ul din Krivoy Rog, mărfuri de la producătorii de top din Ucraina , Rusia, Turcia și China. Puteți vizualiza catalogul de mărfuri, prețuri, contacte și puteți obține sfaturi pe site-ul, care se află la: „megameh.com”.
Cunoscând „adresa” exactă a unui element chimic - un grup, un subgrup și un număr de perioadă, se poate determina fără ambiguitate structura atomului său.
Perioadă este un rând orizontal de elemente chimice. Există șapte perioade în sistemul periodic modern. Primele trei perioade mic, deoarece ele conțin 2 sau 8 elemente:
1a perioadă - H, He - 2 elemente;
Perioada a 2-a - Li ... Ne - 8 elemente;
Perioada a 3-a - Na ... Ar - 8 elemente.
Alte perioade - mare. Fiecare dintre ele conține 2-3 rânduri de elemente:
A 4-a perioadă (2 rânduri) - K ... Kr - 18 elemente;
A 6-a perioadă (3 rânduri) - Cs ... Rn - 32 elemente. Această perioadă include o serie de lantanide.
grup este un rând vertical de elemente chimice. Sunt opt grupe în total. Fiecare grup este format din două subgrupe: subgrupul principalși subgrup secundar. De exemplu:
Subgrupul principal este format din elemente chimice de perioade mici (de exemplu, N, P) și perioade mari (de exemplu, As, Sb, Bi).
Un subgrup lateral este format din elemente chimice de numai perioade mari (de exemplu, V, Nb,
Ta).
Din punct de vedere vizual, aceste subgrupuri sunt ușor de distins. Subgrupul principal este „înalt”, începe din prima sau a doua perioadă. Subgrupul secundar este „scăzut”, începând din a 4-a perioadă.
Deci, fiecare element chimic al sistemului periodic are propria sa adresă: perioadă, grup, subgrup, număr ordinal.
De exemplu, vanadiul V este un element chimic din perioada a 4-a, grupa V, subgrupul secundar, numărul de serie 23.
Sarcina 3.1. Precizați perioada, grupa și subgrupa pentru elementele chimice cu numerele de serie 8, 26, 31, 35, 54.
Sarcina 3.2. Specificați numărul de serie și denumirea elementului chimic, dacă se știe că se află:
a) în perioada a IV-a, grupa VI, subgrupa secundară;
b) în perioada a 5-a, grupa IV, subgrupa principală.
Cum pot fi legate informațiile despre poziția unui element în sistemul periodic cu structura atomului său?
Un atom este format dintr-un nucleu (încărcat pozitiv) și electroni (încărcat negativ). În general, atomul este neutru din punct de vedere electric.
Pozitiv sarcina nucleului unui atom egal cu numărul atomic al elementului chimic.
Nucleul unui atom este o particulă complexă. Aproape toată masa unui atom este concentrată în nucleu. Deoarece un element chimic este o colecție de atomi cu aceeași sarcină nucleară, lângă simbolul elementului sunt indicate următoarele coordonate:
Pe baza acestor date se poate determina compoziția nucleului. Nucleul este format din protoni și neutroni.
Proton p are o masă de 1 (1,0073 amu) și o sarcină de +1. Neutroni n nu are sarcină (neutru), iar masa sa este aproximativ egală cu masa unui proton (1,0087 amu).
Sarcina nucleară este determinată de protoni. Și numărul de protoni este(dupa marime) sarcina nucleului unui atom, adică număr de serie.
Numărul de neutroni N determinată de diferența dintre cantități: „masa nucleului” DARși „număr de serie” Z. Deci, pentru un atom de aluminiu:
N = DAR – Z = 27 –13 = 14n,
Sarcina 3.3. Determinați compoziția nucleelor atomilor dacă elementul chimic este în:
a) perioada a 3-a, grupa VII, subgrupa principală;
b) perioada a IV-a, grupa IV, subgrupa secundară;
c) perioada a 5-a, grupa I, subgrupa principală.
Atenţie! La determinarea numărului de masă al nucleului unui atom, este necesar să se rotunjească masa atomică indicată în sistemul periodic. Acest lucru se face deoarece masele protonului și neutronului sunt practic întregi, iar masa electronilor poate fi neglijată.
Să determinăm care dintre nucleele de mai jos aparțin aceluiași element chimic:
A (20 R + 20n),
B (19 R + 20n),
IN 20 R + 19n).
Atomii aceluiași element chimic au nuclee A și B, deoarece conțin același număr de protoni, adică sarcinile acestor nuclee sunt aceleași. Studiile arată că masa unui atom nu afectează semnificativ proprietățile sale chimice.
Izotopii sunt numiți atomi ai aceluiași element chimic (același număr de protoni), care diferă ca masă (un număr diferit de neutroni).
Izotopii și compușii lor chimici diferă între ei în proprietăți fizice, dar proprietățile chimice ale izotopilor aceluiași element chimic sunt aceleași. Astfel, izotopii carbonului-14 (14 C) au aceleași proprietăți chimice ca și carbonul-12 (12 C), care pătrund în țesuturile oricărui organism viu. Diferența se manifestă doar în radioactivitate (izotopul 14 C). Prin urmare, izotopii sunt utilizați pentru diagnosticarea și tratamentul diferitelor boli, pentru cercetarea științifică.
Să revenim la descrierea structurii atomului. După cum știți, nucleul unui atom nu se modifică în procesele chimice. Ce se schimbă? Variabila este numărul total de electroni din atom și distribuția electronilor. General numărul de electroni dintr-un atom neutru este ușor de determinat - este egal cu numărul de serie, adică sarcina nucleului unui atom:
Electronii au o sarcină negativă de -1, iar masa lor este neglijabilă: 1/1840 din masa unui proton.
Electronii încărcați negativ se resping reciproc și se află la distanțe diferite de nucleu. în care electronii având o cantitate aproximativ egală de energie sunt localizați la o distanță aproximativ egală de nucleu și formează un nivel de energie.
Numărul de niveluri de energie dintr-un atom este egal cu numărul perioadei în care se află elementul chimic. Nivelurile de energie sunt desemnate în mod convențional după cum urmează (de exemplu, pentru Al):
Sarcina 3.4. Determinați numărul de niveluri de energie din atomii de oxigen, magneziu, calciu, plumb.
Fiecare nivel de energie poate conține un număr limitat de electroni:
Pe primul - nu mai mult de doi electroni;
Pe al doilea - nu mai mult de opt electroni;
Pe al treilea - nu mai mult de optsprezece electroni.
Aceste numere arată că, de exemplu, al doilea nivel de energie poate avea 2, 5 sau 7 electroni, dar nu 9 sau 12 electroni.
Este important de știut că, indiferent de nivelul de energie, numărul pornit nivel extern(ultimul) nu poate fi mai mare de opt electroni. Nivelul exterior de energie de opt electroni este cel mai stabil și se numește complet. Astfel de niveluri de energie se găsesc în elementele cele mai inactive - gazele nobile.
Cum se determină numărul de electroni la nivelul exterior al atomilor rămași? Există o regulă simplă pentru asta: numărul de electroni exteriori este egal cu:
Pentru elementele subgrupurilor principale - numărul grupului;
Pentru elementele subgrupurilor secundare, acesta nu poate fi mai mult de două.
De exemplu (Fig. 5):
Sarcina 3.5. Specificați numărul de electroni externi pentru elementele chimice cu numere de serie 15, 25, 30, 53.
Sarcina 3.6. Găsiți elemente chimice în tabelul periodic, în atomii cărora există un nivel extern finalizat.
Este foarte important să se determine corect numărul de electroni externi, deoarece Cu ele sunt asociate cele mai importante proprietăți ale atomului. Deci, în reacțiile chimice, atomii tind să dobândească un nivel extern stabil, complet (8 e). Prin urmare, atomii, pe nivelul exterior al cărora sunt puțini electroni, preferă să-i dea departe.
Elementele chimice ale căror atomi pot dona doar electroni sunt numite metale. Evident, ar trebui să existe puțini electroni la nivelul exterior al atomului de metal: 1, 2, 3.
Dacă există mulți electroni la nivelul de energie externă al unui atom, atunci astfel de atomi tind să accepte electroni înainte de finalizarea nivelului de energie externă, adică până la opt electroni. Astfel de elemente sunt numite nemetale.
Întrebare. Elementele chimice ale subgrupurilor secundare aparțin metalelor sau nemetalelor? De ce?
Răspuns. Metalele și nemetalele principalelor subgrupe din tabelul periodic sunt separate printr-o linie care poate fi trasată de la bor la astatin. Deasupra acestei linii (și pe linie) sunt nemetale, sub - metale. Toate elementele subgrupurilor secundare sunt sub această linie.
Sarcina 3.7. Determinați dacă metalele sau nemetale includ: fosfor, vanadiu, cobalt, seleniu, bismut. Utilizați poziția elementului în tabelul periodic al elementelor chimice și numărul de electroni la nivelul exterior.
Pentru a compune distribuția electronilor pe nivelurile și subnivelurile rămase, ar trebui utilizat următorul algoritm.
1. Determinați numărul total de electroni din atom (prin număr de serie).
2. Determinați numărul de niveluri de energie (după numărul perioadei).
3. Determinați numărul de electroni externi (după tipul de subgrup și numărul de grup).
4. Indicați numărul de electroni la toate nivelurile, cu excepția penultimului.
De exemplu, conform punctelor 1–4 pentru atomul de mangan, se determină:
Total 25 e; distribuit (2 + 8 + 2) = 12 e; deci, pe al treilea nivel este: 25 - 12 = 13 e.
Distribuția electronilor în atomul de mangan a fost obținută:
Sarcina 3.8. Elaborați algoritmul întocmind diagrame de structură atomică pentru elementele nr. 16, 26, 33, 37. Indicați dacă sunt metale sau nemetale. Explicați răspunsul.
La compilarea diagramelor de mai sus ale structurii atomului, nu am ținut cont de faptul că electronii din atom ocupă nu numai niveluri, ci și anumite subniveluri fiecare nivel. Tipurile de subniveluri sunt indicate prin litere latine: s, p, d.
Numărul de subniveluri posibile este egal cu numărul nivelului. Primul nivel este format dintr-un singur
s-subnivel. Al doilea nivel este format din două subnivele - sși R. Al treilea nivel - din trei subniveluri - s, pși d.
Fiecare subnivel poate conține un număr strict limitat de electroni:
la subnivelul s - nu mai mult de 2e;
la subnivelul p - nu mai mult de 6e;
la subnivelul d - nu mai mult de 10e.
Subnivelurile unui nivel sunt completate într-o ordine strict definită: spd.
Prin urmare, R- subnivelul nu poate începe să se umple dacă nu este plin s-subnivelul unui nivel energetic dat etc. Pe baza acestei reguli, este ușor să compuneți configurația electronică a atomului de mangan:
În general configurația electronică a unui atom manganul se scrie asa:
25 Mn 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 .
Sarcina 3.9. Realizați configurații electronice ale atomilor pentru elementele chimice nr. 16, 26, 33, 37.
De ce este necesar să se facă configurații electronice ale atomilor? Pentru a determina proprietățile acestor elemente chimice. Trebuie amintit doar că electroni de valență.
Electronii de valență se află la nivelul energetic exterior și sunt incompleti
d-subnivelul pre-exterior.
Să determinăm numărul de electroni de valență pentru mangan:
sau prescurtat: Mn ... 3 d 5 4s 2 .
Ce se poate determina prin formula pentru configurația electronică a unui atom?
1. Ce element este - metal sau nemetal?
Manganul este un metal, pentru că nivelul exterior (al patrulea) conține doi electroni.
2. Ce proces este tipic pentru metal?
Atomii de mangan donează întotdeauna electroni în reacții.
3. Ce electroni și câți vor da unui atom de mangan?
În reacții, atomul de mangan renunță la doi electroni exteriori (sunt cei mai îndepărtați de nucleu și sunt mai slab atrași de acesta), precum și cinci pre-exteriori. d-electroni. Numărul total de electroni de valență este șapte (2 + 5). În acest caz, opt electroni vor rămâne la al treilea nivel al atomului, adică. se formează nivelul exterior complet.
Toate aceste raționamente și concluzii pot fi reflectate folosind schema (Fig. 6):
Sarcinile condiționate rezultate ale unui atom sunt numite stari de oxidare.
Având în vedere structura atomului, într-un mod similar se poate demonstra că stările tipice de oxidare pentru oxigen sunt -2, iar pentru hidrogen +1.
Întrebare. Cu care dintre elementele chimice poate forma manganul compuși, dacă ținem cont de gradele de oxidare a acestuia obținute mai sus?
Răspuns: Numai cu oxigen, tk. atomul său are sarcina opusă în starea sa de oxidare. Formulele oxizilor de mangan corespunzători (aici stările de oxidare corespund valențelor acestor elemente chimice):
Structura atomului de mangan sugerează că manganul nu poate avea un grad mai mare de oxidare, deoarece în acest caz, ar trebui să atingem nivelul pre-exterior stabil, acum finalizat. Prin urmare, starea de oxidare +7 este cea mai mare, iar oxidul de Mn 2 O 7 corespunzător este cel mai mare oxid de mangan.
Pentru a consolida toate aceste concepte, luați în considerare structura atomului de telur și unele dintre proprietățile sale:
Ca nemetal, atomul de Te poate accepta 2 electroni înainte de finalizarea nivelului exterior și poate dona 6 electroni „în plus”:
Sarcina 3.10. Desenați configurațiile electronice ale atomilor de Na, Rb, Cl, I, Si, Sn. Determinați proprietățile acestor elemente chimice, formulele celor mai simpli compuși ai lor (cu oxigen și hidrogen).
Concluzii practice
1. Doar electronii de valență participă la reacțiile chimice, care pot fi doar în ultimele două niveluri.
2. Atomii de metal pot dona doar electroni de valență (toți sau câțiva), luând stări de oxidare pozitive.
3. Atomii nemetalici pot accepta electroni (lipsă - până la opt), în timp ce dobândesc stări negative de oxidare și pot dona electroni de valență (toți sau câțiva), în timp ce aceștia dobândesc stări de oxidare pozitive.
Să comparăm acum proprietățile elementelor chimice ale unui subgrup, de exemplu, sodiu și rubidiu:
Na...3 s 1 și Rb...5 s 1 .
Ce este comun în structura atomilor acestor elemente? La nivelul exterior al fiecărui atom, un electron este metalele active. activitate metalică asociat cu capacitatea de a dona electroni: cu cât un atom emite mai ușor electroni, cu atât mai pronunțate sunt proprietățile sale metalice.
Ce reține electronii într-un atom? atracție pentru nucleu. Cu cât electronii sunt mai aproape de nucleu, cu atât sunt mai puternici atrași de nucleul atomului, cu atât este mai dificil să îi „smulgeți”.
Pe baza acestui lucru, vom răspunde la întrebarea: care element - Na sau Rb - dă mai ușor un electron extern? Care element este metalul mai activ? Evident, rubidiu, pentru că electronii săi de valență sunt mai departe de nucleu (și sunt ținuți mai puțin puternic de nucleu).
Concluzie. În principalele subgrupe, de sus în jos, proprietățile metalice sunt îmbunătățite, deoarece raza atomului crește, iar electronii de valență sunt mai slab atrași de nucleu.
Să comparăm proprietățile elementelor chimice din grupa VIIa: Cl …3 s 2 3p 5 si eu...5 s 2 5p 5 .
Ambele elemente chimice sunt nemetale, deoarece. un electron lipsește înainte de finalizarea nivelului exterior. Acești atomi vor atrage activ electronul lipsă. Mai mult, cu cât electronul lipsă atrage mai puternic un atom nemetalic, cu atât mai puternice se manifestă proprietățile nemetalice (capacitatea de a accepta electroni).
Ce cauzează atracția unui electron? Datorită sarcinii pozitive a nucleului atomului. În plus, cu cât electronul este mai aproape de nucleu, cu atât atracția lor reciprocă este mai puternică, cu atât nemetalul este mai activ.
Întrebare. Care element are proprietăți nemetalice mai pronunțate: clorul sau iodul?
Răspuns: Evident, clor, pentru că. electronii săi de valență sunt mai aproape de nucleu.
Concluzie. Activitatea nemetalelor în subgrupe scade de sus în jos, deoarece raza atomului crește și nucleului îi este din ce în ce mai greu să atragă electronii lipsă.
Să comparăm proprietățile siliciului și staniului: Si …3 s 2 3p 2 și Sn…5 s 2 5p 2 .
Ambii atomi au patru electroni la nivelul exterior. Cu toate acestea, aceste elemente din tabelul periodic sunt pe părțile opuse ale liniei care leagă borul și astatinul. Prin urmare, pentru siliciu, al cărui simbol este deasupra liniei B-At, proprietățile nemetalice sunt mai pronunțate. Dimpotrivă, staniul, al cărui simbol este sub linia B-At, are proprietăți metalice mai puternice. Acest lucru se datorează faptului că în atomul de staniu, patru electroni de valență sunt îndepărtați din nucleu. Prin urmare, atașarea celor patru electroni lipsă este dificilă. În același timp, întoarcerea electronilor de la al cincilea nivel de energie are loc destul de ușor. Pentru siliciu, ambele procese sunt posibile, predominând primul (acceptarea electronilor).
Concluzii la capitolul 3. Cu cât sunt mai puțini electroni externi într-un atom și cu cât sunt mai departe de nucleu, cu atât mai puternice se manifestă proprietățile metalice.
Cu cât sunt mai mulți electroni externi într-un atom și cu cât sunt mai aproape de nucleu, cu atât se manifestă mai multe proprietăți nemetalice.
Pe baza concluziilor formulate in acest capitol, pentru orice element chimic al sistemului periodic se poate realiza o „caracteristica”.
Algoritm de descriere a proprietății
element chimic prin poziția sa
în sistemul periodic
1. Realizați o diagramă a structurii atomului, adică. determinați compoziția nucleului și distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie:
Determinați numărul total de protoni, electroni și neutroni dintr-un atom (prin numărul de serie și masa atomică relativă);
Determinați numărul de niveluri de energie (după numărul perioadei);
Determinați numărul de electroni externi (după tipul de subgrup și numărul de grup);
Indicați numărul de electroni la toate nivelurile de energie, cu excepția penultimului;
2. Determinați numărul de electroni de valență.
3. Stabiliți ce proprietăți - metal sau nemetal - sunt mai pronunțate pentru un anumit element chimic.
4. Determinați numărul de electroni dați (primiți).
5. Determinați cele mai înalte și cele mai scăzute stări de oxidare ale unui element chimic.
6. Compune pentru aceste stări de oxidare formulele chimice ale celor mai simpli compuși cu oxigen și hidrogen.
7. Determinați natura oxidului și scrieți o ecuație pentru reacția acestuia cu apa.
8. Pentru substanțele indicate la paragraful 6, se întocmesc ecuații ale reacțiilor caracteristice (a se vedea capitolul 2).
Sarcina 3.11. Conform schemei de mai sus, faceți descrieri ale atomilor de sulf, seleniu, calciu și stronțiu și proprietățile acestor elemente chimice. Care sunt proprietățile generale ale oxizilor și hidroxizilor lor?
Dacă ați finalizat exercițiile 3.10 și 3.11, atunci este ușor de observat că nu numai atomii elementelor unui subgrup, ci și compușii lor au proprietăți comune și o compoziție similară.
Legea periodică a lui D.I. Mendeleev:proprietățile elementelor chimice, precum și proprietățile substanțelor simple și complexe formate de acestea, sunt într-o dependență periodică de sarcina nucleelor atomilor lor.
Sensul fizic al legii periodice: proprietățile elementelor chimice se repetă periodic deoarece configurațiile electronilor de valență (distribuția electronilor de la nivelul exterior și penultimul) se repetă periodic.
Deci, elementele chimice ale aceluiași subgrup au aceeași distribuție a electronilor de valență și, prin urmare, proprietăți similare.
De exemplu, elementele chimice din al cincilea grup au cinci electroni de valență. În același timp, în atomii de chimic elementele principalelor subgrupe- toți electronii de valență se află la nivelul exterior: ... ns 2 np 3, unde n– numărul perioadei.
La atomi elemente ale subgrupurilor secundare doar 1 sau 2 electroni sunt la nivelul exterior, restul sunt în interior d- subnivelul nivelului pre-extern: ... ( n – 1)d 3 ns 2, unde n– numărul perioadei.
Sarcina 3.12. Faceți formule electronice scurte pentru atomii elementelor chimice nr. 35 și 42 și apoi alcătuiți distribuția electronilor în acești atomi conform algoritmului. Asigurați-vă că predicția dvs. se împlinește.
Exerciții pentru capitolul 3
1. Formulați definițiile conceptelor „perioadă”, „grup”, „subgrup”. Ce au elementele chimice care alcătuiesc: a) perioada; b) un grup; c) subgrup?
2. Ce sunt izotopii? Ce proprietăți - fizice sau chimice - au izotopii în comun? De ce?
3. Formulați legea periodică a lui DIMendeleev. Explicați semnificația sa fizică și ilustrați cu exemple.
4. Care sunt proprietățile metalice ale elementelor chimice? Cum se schimbă într-un grup și într-o perioadă? De ce?
5. Care sunt proprietățile nemetalice ale elementelor chimice? Cum se schimbă într-un grup și într-o perioadă? De ce?
6. Realizați scurte formule electronice ale elementelor chimice nr. 43, 51, 38. Confirmați-vă ipotezele descriind structura atomilor acestor elemente conform algoritmului de mai sus. Specificați proprietățile acestor elemente.
7. Prin formule electronice scurte
a) ...4 s 2 4p 1 ;
b) …4 d 1 5s 2 ;
in 3 d 5 4s 1
determinați poziția elementelor chimice corespunzătoare în sistemul periodic al lui D.I. Mendeleev. Numiți aceste elemente chimice. Confirmați-vă ipotezele cu o descriere a structurii atomilor acestor elemente chimice conform algoritmului. Precizați proprietățile acestor elemente chimice.
Va urma
Cu cât învelișul de electroni a atomului este mai aproape de nucleul atomic, cu atât electronii sunt mai puternici atrași de nucleu și cu atât energia lor de legare cu nucleul este mai mare. Prin urmare, aranjarea învelișurilor de electroni este caracterizată în mod convenabil prin niveluri și subniveluri de energie și distribuția electronilor peste ele. Numărul de niveluri de energie electronică este egal cu numărul perioadei,în care se află elementul. Suma numerelor de electroni la nivelurile de energie este egală cu numărul ordinal al elementului.
Structura electronică a atomului este prezentată în fig. 1.9 sub forma unei diagrame a distribuției electronilor pe niveluri și subniveluri de energie. Diagrama constă din celule electronice reprezentate prin pătrate. Fiecare celulă simbolizează un orbital de electroni capabil să accepte doi electroni cu spini opuși, indicați de săgețile sus și jos.
Orez. 1.9.
Schema electronică a unui atom este construită în succesiune creșterea numărului nivelului de energie.În aceeași direcție energia electronului creșteși energia conexiunii sale cu nucleul scade. Pentru claritate, ne putem imagina că nucleul atomului se află „în partea de jos” a diagramei. Numărul de electroni dintr-un atom al unui element este egal cu numărul de protoni din nucleu, adică. numărul atomic al elementului din tabelul periodic.
Primul nivel de energie este format dintr-un singur orbital, care este notat cu simbolul s. Acest orbital este umplut cu electroni de hidrogen și heliu. Hidrogenul are un electron, iar hidrogenul este monovalent. Heliul are doi electroni perechi cu spini opuși, heliul are valență zero și nu formează compuși cu alte elemente. Energia unei reacții chimice nu este suficientă pentru a excita un atom de heliu și a transfera un electron la al doilea nivel.
Al doilea nivel de energie este format din. "-subnivel și /. (-subnivel, care are trei orbitali (celule). Litiul trimite al treilea electron la subnivelul 2". Un electron nepereche face ca litiul să fie monovalent. Beriliul umple la fel. subnivel cu al doilea electron, prin urmare, în starea neexcitată, beriliul are doi electroni perechi. Cu toate acestea, o energie de excitație nesemnificativă se dovedește a fi suficientă pentru a transfera un electron la subnivelul ^, ceea ce face beriliul bivalent.
Umplerea ulterioară a subnivelului 2p se desfășoară într-un mod similar. Oxigenul din compuși este bivalent. Oxigenul nu prezintă valențe mai mari din cauza imposibilității de a împerechea electronii de nivelul doi și de a le transfera la al treilea nivel de energie.
Spre deosebire de oxigen, sulful situat sub oxigen în același subgrup poate prezenta valențe 2, 4 și 6 în compușii săi, datorită posibilității de a deteriora electronii de nivelul trei și de a-i muta la subnivelul ^. Rețineți că sunt posibile și alte stări de valență ale sulfului.
Elementele al căror subnivel s este umplut se numesc „-elemente. În mod similar, se formează și secvența R- elemente. Elemente s- iar subnivelurile p sunt incluse în subgrupele principale. Elementele subgrupurilor secundare sunt ^-elemente (nume greșit - elemente de tranziție).
Este convenabil să se desemneze subgrupurile prin simbolurile electronilor, datorită cărora s-au format elementele incluse în subgrup, de exemplu s"-subgrup (hidrogen, litiu, sodiu etc.) sau //-subgrup (oxigen, sulf etc.).
Dacă tabelul periodic este construit în așa fel încât numerele perioadelor să crească de jos în sus, iar în fiecare celulă de electroni sunt plasați mai întâi unul și apoi doi electroni, se va obține un tabel periodic cu perioade lungi, asemănător cu o diagramă a distribuției. de electroni peste niveluri și subniveluri de energie.
| Numele parametrului | Sens |
| Subiect articol: | NIVELURI DE ENERGIE |
| Rubrica (categoria tematica) | Educaţie |
STRUCTURA ATOMULUI
1. Dezvoltarea teoriei structurii atomului. Cu
2. Nucleul și învelișul de electroni ale atomului. Cu
3. Structura nucleului unui atom. Cu
4. Nuclizi, izotopi, număr de masă. Cu
5. Niveluri de energie.
6. Explicarea cuantico-mecanica a structurii.
6.1. Modelul orbital al atomului.
6.2. Reguli pentru umplerea orbitalilor.
6.3. Orbitali cu electroni s (orbitali s atomici).
6.4. Orbitali cu electroni p (orbitali p atomici).
6.5. Orbitali cu electroni d-f
7. Subnivelurile energetice ale unui atom multielectron. numere cuantice.
NIVELURI DE ENERGIE
Structura învelișului de electroni a unui atom este determinată de diferitele rezerve de energie ale electronilor individuali din atom. În conformitate cu modelul Bohr al atomului, electronii pot ocupa poziții în atom, care corespund unor stări de energie precis definite (cuantificate). Aceste stări se numesc niveluri de energie.
Numărul de electroni care pot fi pe un nivel de energie separat este determinat de formula 2n 2, unde n este numărul nivelului, care este notat cu cifre arabe 1 - 7. Umplerea maximă a primelor patru niveluri de energie în. în conformitate cu formula 2n 2 este: pentru primul nivel - 2 electroni, pentru al doilea - 8, pentru al treilea -18 și pentru al patrulea nivel - 32 de electroni. Nu a fost atinsă umplerea maximă a nivelurilor de energie mai înalte în atomii elementelor cunoscute cu electroni.
Orez. 1 prezintă umplerea nivelurilor de energie ale primelor douăzeci de elemente cu electroni (de la hidrogen H la calciu Ca, cercuri negre). Prin completarea nivelurilor de energie în ordinea indicată se obțin cele mai simple modele ale atomilor elementelor, cu respectarea ordinii de umplere (de jos în sus și de la stânga la dreapta în figură) în așa fel încât ultimul electronul indică simbolul elementului corespunzător La al treilea nivel energetic M(capacitatea maxima este de 18 e -) pentru elementele Na - Ar conține doar 8 electroni, apoi începe să se acumuleze al patrulea nivel de energie N- pe el apar doi electroni pentru elementele K și Ca. Următorii 10 electroni ocupă din nou nivelul M(elementele Sc – Zn (nu sunt prezentate), iar apoi umplerea nivelului N cu încă șase electroni continuă (elementele Ca-Kr, cercuri albe).
| Orez. unu |  Orez. 2 |
Dacă atomul este în starea fundamentală, atunci electronii săi ocupă niveluri cu o energie minimă, adică fiecare electron ulterior ocupă poziția cea mai favorabilă din punct de vedere energetic, cum ar fi în Fig. 1. Cu un impact extern asupra unui atom asociat cu transferul de energie către acesta, de exemplu, prin încălzire, electronii sunt transferați la niveluri mai mari de energie (Fig. 2). Această stare a atomului se numește excitat. Locul eliberat la nivelul energetic inferior este umplut (ca o poziție avantajoasă) de un electron de la un nivel energetic superior. În timpul tranziției, electronul emite o anumită cantitate de energie, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ corespunde diferenței de energie dintre niveluri. Ca rezultat al tranzițiilor electronice, apar radiații caracteristice. Din liniile spectrale ale luminii absorbite (emise) se poate face o concluzie cantitativă despre nivelurile de energie ale atomului.
În conformitate cu modelul cuantic Bohr al atomului, un electron cu o anumită stare de energie se mișcă pe o orbită circulară în atom. Electronii cu aceeași rezervă de energie sunt localizați la distanțe egale de nucleu, fiecare nivel de energie corespunde propriului său set de electroni, numit stratul de electroni de către Bohr. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, conform lui Bohr, electronii unui strat se deplasează de-a lungul unei suprafețe sferice, electronii stratului următor de-a lungul unei alte suprafețe sferice. toate sferele sunt înscrise una în alta cu centrul corespunzător nucleului atomic.
NIVELURI DE ENERGIE - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „NIVELURI DE ENERGIE” 2017, 2018.
Să ne amintim pe scurt ceea ce știm deja despre structura învelișului de electroni a atomilor:
numărul de niveluri de energie ale unui atom = numărul perioadei în care se află elementul;
capacitatea maximă a fiecărui nivel de energie este calculată prin formula 2n 2
învelișul energetic exterior nu poate conține mai mult de 2 electroni pentru elementele din perioada 1, mai mult de 8 electroni pentru elementele din alte perioade
Încă o dată, să revenim la analiza schemei de umplere a nivelurilor de energie în elemente de perioade mici:
Tabelul 1. Umplerea nivelurilor de energie
Pentru elemente de perioade mici
| Numărul perioadei | Numărul de niveluri de energie = numărul perioadei | Simbol element, numărul său ordinal | Total electroni | Distribuția electronilor după niveluri de energie | Număr de grup |
|
| Schema 1 | Schema 2 |
|||||
| 1 | 1 | 1 N | 1 | H +1) 1 | +1 H, 1e - | eu (VII) |
| 2 Nu | 2 | He + 2 ) 2 | +2 nu, al 2-lea - | VIII |
||
| 2 | 2 | 3Li | 3 | Li + 3 ) 2 ) 1 | + 3 Li, 2e - , 1e - | eu |
| 4 Fii | 4 | Fii +4) 2 ) 2 | + 4 Fi, 2e - , 2 e - | II |
||
| 5B | 5 | B +5) 2 ) 3 | +5 B, 2e - , a 3-a - | III |
||
| 6C | 6 | C +6) 2 ) 4 | +6 C, 2e - , al 4-lea - | IV |
||
| 7 N | 7 | N + 7 ) 2 ) 5 | + 7 N, 2e - , 5 e - | V |
||
| 8 O | 8 | O + 8 ) 2 ) 6 | + 8 O, 2e - , 6 e - | VI |
||
| 9F | 9 | F + 9 ) 2 ) 7 | + 9 F, 2e - , 7 e - | VI |
||
| 10 Ne | 10 | Ne+ 10 ) 2 ) 8 | + 10 Ne, 2e - , 8 e - | VIII |
||
| 3 | 3 | 11 Na | 11 | N / A+ 11 ) 2 ) 8 ) 1 | +1 1 N / A, 2e - , 8e - , 1e - | eu |
| 12 mg | 12 | mg+ 12 ) 2 ) 8 ) 2 | +1 2 mg, 2e - , 8e - , 2 e - | II |
||
| 13 Al | 13 | Al+ 13 ) 2 ) 8 ) 3 | +1 3 Al, 2e - , 8e - , 3 e - | III |
||
| 14 Si | 14 | Si+ 14 ) 2 ) 8 ) 4 | +1 4 Si, 2e - , 8e - , 4 e - | IV |
||
| 15p | 15 | P+ 15 ) 2 ) 8 ) 5 | +1 5 P, 2e - , 8e - , 5 e - | V |
||
| 16S | 16 | S+ 16 ) 2 ) 8 ) 6 | +1 5 P, 2e - , 8e - , 6 e - | VI |
||
| 17Cl | 17 | Cl+ 17 ) 2 ) 8 ) 7 | +1 7 Cl, 2e - , 8e - , 7 e - | VI |
||
| 18 Ar | 18 | Ar+ 18 ) 2 ) 8 ) 8 | +1 8 Ar, 2e - , 8e - , 8 e - | VIII |
||
Analizați tabelul 1. Comparați numărul de electroni din ultimul nivel de energie și numărul grupului în care se află elementul chimic.
Ai observat asta numărul de electroni din nivelul energetic exterior al atomilor este același cu numărul grupului, în care se află elementul (excepția este heliul)?
!!! Această regulă este adevăratănumai pentru elementemajor subgrupuri.
Fiecare perioadă a D.I. Mendeleev se termină cu un element inert(heliu He, neon Ne, argon Ar). Nivelul energetic extern al acestor elemente conține numărul maxim posibil de electroni: heliu -2, elementele rămase - 8. Acestea sunt elemente din grupa VIII a subgrupului principal. Se numește nivelul de energie similar cu structura nivelului de energie al unui gaz inert efectuat. Acesta este un fel de limită de putere a nivelului de energie pentru fiecare element al sistemului periodic. Moleculele de substanțe simple - gaze inerte, constau dintr-un atom și se disting prin inerție chimică, adică. practic nu intră în reacții chimice.
Pentru elementele rămase ale PSCE, nivelul de energie diferă de nivelul de energie al elementului inert, astfel de niveluri se numesc neterminat. Atomii acestor elemente tind să-și completeze nivelul de energie exterior donând sau acceptând electroni.
Întrebări pentru autocontrol
Ce nivel de energie se numește extern?
Ce nivel de energie se numește intern?
Ce nivel de energie se numește complet?
Elementele din care grup și subgrup au un nivel de energie finalizat?
Care este numărul de electroni din nivelul energetic exterior al elementelor principalelor subgrupuri?
Cum se aseamănă elementele unui subgrup principal în structura nivelului electronic
Câți electroni la nivelul exterior conțin elementele a) grupei IIA;
Vizualizați răspunsul
Ultimul
Oricare în afară de ultimul
Cel care conține numărul maxim de electroni. La fel și nivelul exterior, dacă conține 8 electroni pentru perioada I - 2 electroni.
Elemente din grupa VIIIA (elemente inerte)
Numărul grupului în care se află elementul
Toate elementele principalelor subgrupuri de la nivelul energetic exterior conțin tot atâtea electroni cât numărul grupului
a) elementele grupei IIA au 2 electroni la nivelul exterior; b) elementele grupului IVA au 4 electroni; c) elementele grupei VII A au 7 electroni.
Sarcini pentru soluție independentă
Determinați elementul după următoarele caracteristici: a) are 2 nivele electronice, la exterior - 3 electroni; b) are 3 nivele electronice, la exterior - 5 electroni. Scrieți distribuția electronilor pe nivelurile de energie ale acestor atomi.
Care doi atomi au același număr de niveluri de energie umplute?
Câți electroni sunt în nivelul de energie exterior al magneziului?
Câți electroni sunt într-un atom de neon?
Ce doi atomi au același număr de electroni la nivel de energie externă: a) sodiu și magneziu; b) calciu și zinc; c) arsen şi fosfor d) oxigen şi fluor.
La nivelul energetic extern al atomului de sulf al electronilor: a) 16; b) 2; c) 6 d) 4
Ce au în comun atomii de sulf și oxigen: a) numărul de electroni; b) numărul de niveluri de energie c) numărul perioadei d) numărul de electroni din nivelul exterior.
Ce au în comun atomii de magneziu și fosfor: a) numărul de protoni; b) numărul de niveluri de energie c) numărul de grup d) numărul de electroni din nivelul exterior.
Alegeți un element din perioada a doua, care are un electron la nivelul exterior: a) litiu; b) beriliu; c) oxigen; d) sodiu
Există 4 electroni la nivelul exterior al unui atom al unui element din perioada a treia. Precizați acest element: a) sodiu; b) carbon c) siliciu d) clor
Un atom are 2 niveluri de energie și 3 electroni. Precizați acest element: a) aluminiu; b) bor c) magneziu d) azot
Vizualizați răspunsul:
1. a) Să stabilim „coordonatele” elementului chimic: 2 nivele electronice - perioada II; 3 electroni la nivelul exterior - grupa III A. Acesta este bor 5 B. Schema de distribuție a electronilor după niveluri de energie: al 2-lea - , a 3-a -
B) Perioada III, grupa VA, elementul fosfor 15 R. Schema de distribuție a electronilor pe niveluri de energie: al 2-lea - , 8e - , 5e -
2. d) sodiu și clor.
Explicaţie: a) sodiu: +11 ) 2 ) 8 ) 1 (umplut 2) ←→ hidrogen: +1) 1
B) heliu: +2 ) 2 (umplut 1) ←→ hidrogen: hidrogen: +1) 1
C) heliu: +2 ) 2 (umplut 1) ←→ neon: +10 ) 2 ) 8 (umplut 2)
*G) sodiu: +11 ) 2 ) 8 ) 1 (umplut 2) ←→ clor: +17 ) 2 ) 8 ) 7 (complet 2)
4. Zece. Numărul de electroni = numărul de serie
c) arsen şi fosfor. Atomii aflați în același subgrup au același număr de electroni.
A) sodiu și magneziu (în diferite grupe); b) calciu și zinc (în același grup, dar subgrupe diferite); * c) arsen și fosfor (într-unul, principal, subgrup) d) oxigen și fluor (în diferite grupuri).
7. d) numărul de electroni din nivelul exterior
8. b) numărul de niveluri energetice
9. a) litiu (situat în grupa IA din perioada II)
10. c) siliciu (grupa IVA, perioada III)
11. b) bor (2 nivele - IIperioadă, 3 electroni la nivelul exterior - IIIAgrup)
Un atom este o particulă neutră din punct de vedere electric, constând dintr-un nucleu încărcat pozitiv și un înveliș de electroni încărcat negativ. Nucleul se află în centrul atomului și este format din protoni încărcați pozitiv și neutroni neîncărcați ținuți împreună de forțele nucleare. Structura nucleară a atomului a fost demonstrată experimental în 1911 de către fizicianul englez E. Rutherford.
Numărul de protoni determină sarcina pozitivă a nucleului și este egal cu numărul ordinal al elementului. Numărul de neutroni este calculat ca diferență dintre masa atomică și numărul ordinal al elementului. Elementele care au aceeași sarcină nucleară (același număr de protoni) dar masă atomică diferită (număr diferit de neutroni) se numesc izotopi. Masa unui atom este concentrată în principal în nucleu, deoarece masa neglijabil de mică a electronilor poate fi neglijată. Masa atomică este egală cu suma maselor tuturor protonilor și tuturor neutronilor nucleului.
Un element este un tip de atom cu aceeași sarcină nucleară. În prezent, sunt cunoscute 118 elemente chimice diferite.
Toți electronii unui atom formează învelișul său de electroni. Învelișul de electroni are o sarcină negativă egală cu numărul total de electroni. Numărul de electroni din învelișul unui atom coincide cu numărul de protoni din nucleu și este egal cu numărul ordinal al elementului. Electronii din înveliș sunt distribuiți între straturile de electroni în funcție de rezervele de energie (electronii cu energii similare formează un singur strat de electroni): electronii cu energie mai mică sunt mai aproape de nucleu, electronii cu energie mai mare sunt mai departe de nucleu. Numărul de straturi electronice (niveluri de energie) coincide cu numărul perioadei în care se află elementul chimic.
Distingeți între nivelurile de energie finalizate și incomplete. Nivelul este considerat complet dacă conține numărul maxim posibil de electroni (primul nivel - 2 electroni, al doilea nivel - 8 electroni, al treilea nivel - 18 electroni, al patrulea nivel - 32 electroni etc.). Nivelul incomplet conține mai puțini electroni.
Nivelul cel mai îndepărtat de nucleul unui atom se numește nivelul exterior. Electronii din nivelul de energie exterior sunt numiți electroni exteriori (de valență). Numărul de electroni din nivelul energetic exterior coincide cu numărul grupului în care se află elementul chimic. Nivelul exterior este considerat complet dacă conține 8 electroni. Atomii elementelor din grupa 8A (gaze inerte heliu, neon, kripton, xenon, radon) au un nivel de energie extern complet.
Regiunea spațiului din jurul nucleului unui atom, în care electronul este cel mai probabil să fie găsit, se numește orbital electronului. Orbitalii diferă ca nivel de energie și formă. Forma distinge orbitalii s (sferă), orbitalii p (opt volumetrici), orbitalii d și orbitalii f. Fiecare nivel de energie are propriul său set de orbitali: la primul nivel de energie - un orbital s, la al doilea nivel de energie - unul s- și trei orbitali p, la al treilea nivel de energie - un s-, trei p-, cinci d-orbitali, la al patrulea nivel de energie unul s-, trei p-, cinci d-orbitali și șapte f-orbitali. Fiecare orbital poate conține maximum doi electroni.
Distribuția electronilor în orbitali este reflectată folosind formule electronice. De exemplu, pentru un atom de magneziu, distribuția electronilor pe nivelurile de energie va fi după cum urmează: 2e, 8e, 2e. Această formulă arată că 12 electroni ai unui atom de magneziu sunt repartizați pe trei niveluri de energie: primul nivel este completat și conține 2 electroni, al doilea nivel este completat și conține 8 electroni, al treilea nivel nu este finalizat, deoarece contine 2 electroni. Pentru un atom de calciu, distribuția electronilor pe nivelurile de energie va fi următoarea: 2e, 8e, 8e, 2e. Această formulă arată că 20 de electroni de calciu sunt repartizați pe patru niveluri de energie: primul nivel este completat și conține 2 electroni, al doilea nivel este completat și conține 8 electroni, al treilea nivel nu este finalizat, deoarece conține 8 electroni, al patrulea nivel nu este finalizat, deoarece contine 2 electroni.
