електрони
Концепцията за атом възниква в древния свят за обозначаване на частици материя. В превод от гръцки атом означава "неделим".
Ирландският физик Стоуни, въз основа на експерименти, стига до заключението, че електричеството се пренася от най-малките частици, които съществуват в атомите на всички химични елементи. През 1891 г. Стоуни предлага да наричаме тези частици електрони, което на гръцки означава „кехлибар“. Няколко години след като електронът получи името си, английският физик Джоузеф Томсън и френският физик Жан Перен доказаха, че електроните носят отрицателен заряд. Това е най-малкият отрицателен заряд, който в химията се приема за единица (-1). Томсън дори успява да определи скоростта на движение на електрона (скоростта на електрона в орбита е обратно пропорционална на номера на орбитата n. Радиусите на орбитите се увеличават пропорционално на квадрата на броя на орбитата. В първата орбита на водородния атом (n = 1; Z = 1) скоростта е ≈ 2,2 · 106 m / c, тоест около сто пъти по-малка от скоростта на светлината c = 3 · 108 m / s .) и масата на електрона (тя е почти 2000 пъти по-малка от масата на водороден атом).
Състоянието на електроните в атома
Състоянието на електрона в атома се разбира като набор от информация за енергията на даден електрон и пространството, в което се намира... Един електрон в атома няма траектория на движение, тоест може само да се говори вероятността да го намерим в пространството около ядрото.
Той може да бъде разположен във всяка част от това пространство около ядрото, а комбинацията от различните му позиции се разглежда като електронен облак с определена плътност на отрицателния заряд. Образно това може да се представи по следния начин: ако човек може да снима позицията на електрона в атома след стотни или милионни от секундата, както е във фотофиниша, тогава електронът в такива снимки ще бъде представен като точки. Припокриването на безброй такива снимки би довело до картина на електронния облак с най-висока плътност там, където има повечето от тези точки.
Пространството около атомното ядро, в което най-вероятно ще бъде открит електронът, се нарича орбитала. Съдържа приблизително 90% е-облак, а това означава, че около 90% от времето електронът е в тази част на пространството. Разграничаване по форма 4 известни в момента типа орбитали, които се означават с латински s, p, d и f... На фигурата е показано графично представяне на някои форми на електронни орбитали.
Най-важната характеристика на движението на електрон по определена орбитала е енергията на връзката му със сърцевината... Електроните с близки енергийни стойности образуват един електронен слой или енергийно ниво. Енергийните нива се номерират, започвайки от ядрото - 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.
Цялото число n, обозначаващо номера на енергийното ниво, се нарича главно квантово число. Той характеризира енергията на електроните, заемащи дадено енергийно ниво. Най-ниска енергия притежават електроните от първото енергийно ниво, което е най-близо до ядрото.В сравнение с електроните от първото ниво, електроните на следващите нива ще се характеризират с голямо количество енергия. Следователно електроните на външното ниво са най-малко здраво свързани с атомното ядро.
Най-големият брой електрони на енергийно ниво се определя по формулата:
N = 2n 2,
където N е максималният брой електрони; n е номерът на нивото или главното квантово число. Следователно, на първото енергийно ниво, най-близо до ядрото, не може да има повече от два електрона; на втория - не повече от 8; на третия - не повече от 18; на четвърти - не повече от 32.
Започвайки от второто енергийно ниво (n = 2), всяко от нивата се подразделя на поднива (подслоеве), които леко се различават едно от друго по енергията на свързване с ядрото. Броят на поднивата е равен на стойността на главното квантово число: първото енергийно ниво има едно подниво; вторият - две; третият - три; четвърто - четири поднива. Поднивата от своя страна се образуват от орбитали. Към всяка стойностn съответства на броя на орбиталите, равен на n.
Обичайно е поднивата да се обозначават с латински букви, както и формата на орбиталите, от които са съставени: s, p, d, f.
Протони и неутрони
Атомът на всеки химичен елемент е сравним с малката слънчева система. Следователно такъв модел на атома, предложен от Е. Ръдърфорд, се нарича планетарен.
Атомното ядро, в което е концентрирана цялата маса на атома, се състои от два вида частици - протони и неутрони.
Протоните имат заряд, равен на заряда на електроните, но противоположен по знак (+1), и маса, равна на масата на водороден атом (в химията се приема за единица). Неутроните не носят заряд, те са неутрални и имат маса, равна на тази на протона.
Протоните и неутроните се наричат общо нуклони (от латински nucleus - ядро). Сборът от броя на протоните и неутроните в атома се нарича масово число... Например масовото число на алуминиев атом:
13 + 14 = 27
брой протони 13, брой неутрони 14, масово число 27
Тъй като масата на електрона, която е незначителна, може да бъде пренебрегната, очевидно е, че цялата маса на атома е концентрирана в ядрото. Електроните означават e-.
Тъй като атомът електрически неутрален, също така е очевидно, че броят на протоните и електроните в един атом е еднакъв. Той е равен на поредния номер на химичен елемент, приписан му в Периодичната таблица. Масата на атома се състои от масата на протоните и неутроните. Знаейки поредния номер на елемента (Z), т.е. броя на протоните и масовото число (A), равно на сумата от броя на протоните и неутроните, можем да намерим броя на неутроните (N) чрез формула:
N = A - Z
Например, броят на неутроните в един железен атом е:
56 — 26 = 30
Изотопи
Наричат се различни атоми на един и същи елемент, които имат еднакъв ядрен заряд, но различни масови числа изотопи... Естествено срещащите се химични елементи са смес от изотопи. И така, въглеродът има три изотопа с маси 12, 13, 14; кислород - три изотопа с маси 16, 17, 18 и т.н. Обикновено дадена в периодичната таблица, относителната атомна маса на химичен елемент е средната стойност на атомните маси на естествената смес от изотопи на даден елемент, като предвид тяхното относително изобилие в природата. Химичните свойства на изотопите на повечето химични елементи са абсолютно еднакви. Водородните изотопи обаче се различават значително по свойства поради рязкото многократно увеличение на относителната им атомна маса; дори са им дадени индивидуални имена и химически белези.
Елементи от първия период
Диаграма на електронната структура на водородния атом:
Диаграмите на електронната структура на атомите показват разпределението на електроните върху електронните слоеве (енергийни нива).
Графична електронна формула на водородния атом (показва разпределението на електроните по енергийни нива и поднива):
Графичните електронни формули на атомите показват разпределението на електроните не само по нива и поднива, но и по орбитали.
В хелиевия атом първият електронен слой е завършен - в него има 2 електрона. Водород и хелий - s-елементи; s-орбиталата на тези атоми е изпълнена с електрони.
Всички елементи от втория период първият електронен слой е пълен, а електроните запълват s- и p-орбиталите на втория електронен слой в съответствие с принципа на най-малката енергия (първо s и след това p) и правилата на Паули и Хунд.
В неоновия атом вторият електронен слой е завършен – съдържа 8 електрона.
За атоми на елементи от третия период първият и вторият електронен слой са завършени, следователно се запълва третият електронен слой, в който електроните могат да заемат 3s, 3p и 3d поднива.
При магнезиевия атом 3s-електронната орбитала се завършва. Na и Mg са s-елементи.
В алуминия и следващите елементи 3p-поднивото е изпълнено с електрони.
За елементите от третия период 3d орбиталите остават незапълнени.
Всички елементи от Al до Ar са p-елементи. s- и p-елементите образуват основните подгрупи в периодичната таблица.
Елементи от четвърти - седми периоди
Атомите на калия и калция имат четвърти електронен слой, 4s-поднивото е запълнено, тъй като има по-ниска енергия от 3d-подниво.
K, Ca - s-елементи, включени в основните подгрупи. В атомите от Sc до Zn, 3d поднивото е изпълнено с електрони. Това са 3d елементи. Те са включени в странични подгрупи, техният пред-външен електронен слой е запълнен, наричат се преходни елементи.
Обърнете внимание на структурата на електронните обвивки на атомите на хром и мед. В тях има "пропускане" на един електрон от 4s- към 3d-подниво, което се обяснява с по-високата енергийна стабилност на получените електронни конфигурации 3d 5 и 3d 10:
В атома на цинка третият електронен слой е завършен - всички 3s, 3p и 3d поднива са запълнени в него, с общо 18 електрона върху тях. В елементите след цинка, четвъртият електронен слой, 4p-подниво, продължава да бъде запълнен.
Елементите от Ga до Kr са p-елементи.
При атома на криптона външният слой (четвъртия) е завършен, има 8 електрона. Но може да има общо 32 електрона в четвъртия електронен слой; за атома на криптона поднивата 4d и 4f все още са незапълнени.За елементите от петия период запълването се извършва от нивата в следния ред: 5s - 4d - 5p. Има и изключения, свързани с " провал»Електрони, за 41 Nb, 42 Mo, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.
В шестия и седмия период се появяват f-елементи, т.е. елементи, в които се извършва запълването съответно на 4f и 5f поднива на третия външен електронен слой.
4f елементите се наричат лантаноиди.
5f-елементите се наричат актиниди.
Редът на запълване на електронните поднива в атомите на елементите от шести период: 55 Cs и 56 Ba - 6s елементи; 57 La… 6s 2 5d x - 5d-елемент; 58 Ce - 71 Lu - 4f-елементи; 72 Hf - 80 Hg - 5d елементи; 81 Т1 - 86 Rn - 6d-елементи. Но дори и тук има елементи, при които редът на запълване на електронните орбитали е "нарушен", което например е свързано с по-висока енергийна стабилност на наполовина и напълно запълнени f-поднива, т.е. nf 7 и nf 14. В зависимост от това кое подниво на атома е запълнено с електрони последно, всички елементи са разделени на четири електронни семейства или блокове:
- s-елементи... S-поднивото на външното ниво на атома е изпълнено с електрони; s-елементите включват водород, хелий и елементи от основните подгрупи от групи I и II.
- р-елементи... p-поднивото на външното ниво на атома е изпълнено с електрони; р-елементите включват елементи от основните подгрупи от III-VIII групи.
- d-елементи... d-поднивото на пред-външното ниво на атома е изпълнено с електрони; d-елементите включват елементи от вторични подгрупи от групи I-VIII, тоест елементи от вмъкнати десетилетия на големи периоди, разположени между s- и p-елементи. Те се наричат още преходни елементи.
- f-елементи... f-поднивото на третото външно ниво на атома е изпълнено с електрони; те включват лантаноиди и антиноиди.
Швейцарският физик В. Паули през 1925 г. установява, че в един атом в една орбитала не може да има повече от два електрона с противоположни (антипаралелни) завъртания (в превод от английски - "вретено"), тоест притежаващи такива свойства, че конвенционално, вие може да си представи как въртенето на електрона около неговата въображаема ос: по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка.
Този принцип се нарича Принципът на Паули... Ако в орбиталата има един електрон, тогава той се нарича несдвоен, ако два, тогава това са сдвоени електрони, тоест електрони с противоположни завъртания. Фигурата показва диаграма на разделянето на енергийните нива на поднива и последователността на тяхното запълване.
Много често структурата на електронните обвивки на атомите се изобразява с помощта на енергийни или квантови клетки - пишат се така наречените графични електронни формули. За тази нотация се използва следната нотация: всяка квантова клетка се обозначава с клетка, която съответства на една орбитала; всеки електрон е обозначен със стрелка, съответстваща на посоката на въртене. Когато пишете графична електронна формула, трябва да запомните две правила: Принципът на Паули и правилото на Ф. Хунд, според който електроните заемат свободните клетки първо една по една и имат една и съща спин стойност, и едва след това се сдвояват, но завъртанията, в този случай, според принципа на Паули, вече ще бъдат противоположно насочени.
Правилото на Хунд и принципа на Паули
Правилото на Хунд- правилото на квантовата химия, което определя реда на запълване на орбиталите на определен подслой и се формулира по следния начин: общата стойност на спиновия квантов брой на електроните на даден подслой трябва да бъде максимална. Формулиран от Фридрих Хунд през 1925 г.
Това означава, че във всяка от орбиталите на подслоя първо се запълва един електрон и едва след изчерпване на незапълнените орбитали към тази орбитала се добавя втори електрон. В този случай в една орбитала има два електрона с полуцели завъртания от противоположния знак, които се сдвояват (образуват двуелектронен облак) и в резултат на това общият спин на орбитала става равен на нула.
Друга формулировка: По-ниско по енергия е атомният член, за който са изпълнени две условия.
- Множеството е максимално
- Когато кратностите съвпадат, общият орбитален ъглов импулс L е максимален.
Нека анализираме това правило, използвайки примера за запълване на орбиталите на p-поднивото стр-елементи от втория период (тоест от бор до неон (в диаграмата по-долу хоризонталните линии означават орбитали, вертикалните стрелки означават електрони, а посоката на стрелката показва ориентацията на спина).
управлението на Клечковски
Правилото на Клечковски -тъй като общият брой електрони в атомите нараства (с увеличаване на зарядите на техните ядра или поредните номера на химичните елементи), атомните орбитали се заселват по такъв начин, че появата на електрони в орбита с по-висока енергия зависи само от главното квантово число n и не зависи от всички останали квантови числа, включително от l. Физически това означава, че във водородоподобен атом (при липса на електрон-електронно отблъскване) орбиталната енергия на електрона се определя само от пространственото разстояние на плътността на заряда на електрона от ядрото и не зависи от характеристиките на движението му в полето на ядрото.
Емпиричното правило на Клечковски и последващата схема на приоритети донякъде противоречат на реалната енергийна последователност на атомните орбитали само в два случая от един и същи тип: атоми на Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au имат електронен „провал“ със s -подниво на външния слой до d-подниво на предишния слой, което води до енергийно по-стабилно състояние на атома, а именно: след запълване с два електрона орбиталата 6 с
1. Квантови числа (основни, вторични, магнитни, спинови).
2. Закономерности на запълване на електронната обвивка на атома:
принципът на Паули;
Принцип на най-малко енергия;
управлението на Клечковски;
Правилото на Гунд.
3. Дефиниции на понятията: електронна обвивка, електронен облак, енергийно ниво, енергийно подниво, електронен слой.
Атомът се състои от ядро и електронна обвивка. Електронна обвивка на атом Това е събирането на всички електрони в даден атом. Химичните свойства на даден химикал пряко зависят от структурата на електронната обвивка на атома. елемент. Според квантовата теория всеки електрон в атом заема определена орбитала и образува електронен облак , което е набор от различни позиции на бързо движещ се електрон.
За характеризиране на орбитали и електрони използвайте квантови числа .
Главното квантово число е n. Характеризира енергията и размера на орбиталния и електронния облак; приема стойностите на цели числа от 1 до безкрайност (n = 1,2,3,4,5,6 ...). Орбиталите със същата стойност на n са близки по енергия и размер и образуват едно енергийно ниво.
Ниво на енергия Това е набор от орбитали, които имат едно и също главно квантово число. Енергийните нива се обозначават или с цифри, или с главни букви на латинската азбука (1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q). С увеличаване на серийния номер енергията и размерът на орбиталите се увеличават.
Електронен слой Това е колекция от електрони на едно и също енергийно ниво.
На едно и също енергийно ниво може да има електронни облаци с различни геометрични форми.
Странично (орбитално) квантово число - l. Характеризира формата на орбитали и облаци; приема целочислени стойности от 0 до n-l.
| НИВО | ПЪРВИЧНО КВАНТОВО ЧИСЛО - n | ИНЦИДЕНТАЛНА КВАНТОВА СТОЙНОСТ - l |
| К | 0 (s) | |
| Л | 0,1 (s, p) | |
| М | 0,1,2 (s, p, d) | |
| н | 0,1,2,3 (s, p, d, f) |
Орбитали, за които l = 0, имат формата на топка (сфера) и се наричат s-орбитали... Те присъстват на всички енергийни нива, а на K-ниво има само s-орбитала. Начертайте формата на s-орбитала:
Орбитали, за които l = 1 имат формата на удължена осмица и се наричат Р-орбитали... Те са налични на всички енергийни нива, с изключение на първото (K). Скицирайте форматал -орбитали:
Наричат се орбитали, за които l = 2 d-орбитали... Запълването им с електрони започва от третото енергийно ниво.
Пълнене f-орбитали, за което l = 3, започва от четвъртото енергийно ниво.
Енергията на орбиталите, разположени на едно и също енергийно ниво, но с различни форми, не е еднаква: E s Енергийно подниво
Това е набор от орбитали, които са на едно и също енергийно ниво и имат една и съща форма. Орбиталите на едно подниво имат еднакви стойности на основните и вторичните квантови числа, но се различават по посока (ориентация) в пространството. Магнитно квантово число - m l.
Той характеризира ориентацията на орбиталите (електронни облаци) в пространството и приема цели числа от –l до 0 до +l. Броят на стойностите m l определя броя на орбиталите на поднивото, например: s-подниво: l = 0, m l = 0, - 1 орбитала. p-подниво: l = 1, m l = -1, 0, +1, -3 орбитали d-подниво: l = 2, m l = -2, -1, 0, +1, +2, - 5 орбитали. По този начин броят на орбиталите на поднивото може да се изчисли като 2л + 1... Общият брой на орбиталите на едно енергийно ниво = n 2... Общият брой електрони в едно енергийно ниво = 2n 2.Графично всяка орбитала се изобразява като клетка ( квантова клетка
). Начертайте квантовите клетки за различни поднива и подпишете за всяко от тях стойността на магнитното квантово число: И така, всяка орбитала и електрон, разположени в тази орбитала, се характеризират с три квантови числа: основно, вторично и магнитно. Един електрон се характеризира с друго квантово число - въртене
. Спиново квантово число, спин
(от англ. to spin - да се въртя, да се върти) - m s. Той характеризира въртенето на електрона около неговата ос и приема само две стойности: +1/2 и –1/2. Електрон със спин от +1/2 условно се изобразява, както следва:; със спин –1/2: ¯. Запълването на електронната обвивка на атома се подчинява на следните закони: Принципът на Паули
: един атом не може да има два електрона с еднакъв набор от четирите квантови числа. Направете набори от квантови числа за всички електрони на кислородния атом и се уверете, че принципът на Паули е верен: Принцип на най-малко енергия
: Основното (стабилно) състояние на атома е това, което се характеризира с минимална енергия. Следователно електроните запълват орбиталите в ред на увеличаване на енергията. управлението на Клечковски
: Електроните запълват енергийните поднива в реда на увеличаване на тяхната енергия, което се определя от стойността на сумата от основното и вторичните квантови числа (n + l): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p , 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d. Правилата на Гунд
: На едно подниво електроните са разположени така, че абсолютната стойност на сумата от спинови квантови числа (общ спин) е максимална. Това съответства на стабилното състояние на атома. Създайте електронни графични формули за магнезий, желязо и телур: Изключения
са атоми на хром и мед, в които има приплъзване (преход) на един електрон от 4s-подниво към 3d-подниво, което се обяснява с високата стабилност на получените електронни конфигурации 3d 5 и 3d 10. Направете електронно-графичните формули на атомите на хром и мед: За да характеризирате електронната структура на атома, можете да използвате електронни структурни диаграми, електронни и електронно-графични формули. Използвайки горните схеми и формули, покажете структурата на серния атом: ТЕСТ НА ТЕМА "СТРУКТУРА НА ЕЛЕКТРОННАТА ОБЩИПКА НА АТОМА" 1. Елемент, чийто невъзбуден атом не съдържа несдвоени електрони е 2. Електронната конфигурация на йона Cl + в основно електронно състояние (този йон се образува от действието на ултравиолетово лъчение върху силно нагрят хлор) има формата: 4. Формулата на висшия оксид на даден елемент е EO 3. Каква конфигурация на валентни електрони може да има този елемент в основно състояние? 6. Броят на несдвоените електрони в хромов атом в невъзбудено състояние е равен на: 8. Броят на d-електроните в серния атом в максимално възбудено състояние е равен на: 10. Йоните O -2 и K + имат съответно следните електронни формули: КЛЮЧ ЗА ТЕСТ ПРОБЛЕМИ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ФОРМУЛАТА НА ВЕЩЕСТВОТО ПО ПРОДУКТИ НА ГОРЕНЕТО 1. При пълно изгаряне на 0,88 g от веществото се образуват 0,51 g въглероден диоксид и 1,49 g серен диоксид. Определете най-простата формула на вещество. (CS 2) 2. Установете истинската формула на органичната материя, ако е известно, че при изгарянето на 4,6 g от нея се получават 8,8 g въглероден диоксид и 5,4 g вода. Плътността на водородните пари на това вещество е 23. (C 2 H 6 O) 3. При пълно изгаряне на 12,3 g органична материя се образуват 26,4 g въглероден диоксид, 4,5 g вода и се отделят 1,4 g азот. Определете молекулната формула на веществото, ако неговата моларна маса е 3,844 пъти моларната маса на кислорода. (C 6 H 5 NO 2) 4. При изгаряне на 20 ml горим газ се изразходват 50 ml кислород и се получават 40 ml въглероден диоксид и 20 ml водна пара. Определете формулата на газа. (C 2 H 2) 5. При изгарянето на 5,4 g неизвестно вещество в кислород се образуват 2,8 g азот, 8,8 g въглероден диоксид и 1,8 g вода. Установете формулата на веществото, ако е известно, че е по-леко от въздуха. (HCN) 6. При горенето на 3,4 g неизвестно вещество в кислород се образуват 2,8 g азот и 5,4 g вода. Установете формулата на веществото, ако е известно, че е по-леко от въздуха. (NH 3) 7. При изгаряне на 1,7 g от неизвестно вещество в кислород се образуват 3,2 g серен диоксид и 0,9 g вода. Установете формулата на веществото, ако е известно, че е по-леко от аргона. (H 2 S) 8. Проба от вещество с тегло 2,96 g в реакция с излишък от барий при стайна температура дава 489 ml водород (T = 298 ° K, нормално налягане). При изгаряне на 55,5 mg от същото вещество се получават 99 mg въглероден диоксид и 40,5 mg вода. При пълно изпаряване на проба от това вещество с тегло 1,85 g, парите му заемат обем от 0,97 литра при 473 ° K и 101,3 kPa. Определете веществото, дайте структурните формули на двата му изомера, които отговарят на условията на задачата. (C 3 H 6 O 2) 9. При изгарянето на 2,3 g от веществото се образуват 4,4 g въглероден диоксид и 2,7 g вода. Плътността на парите на това вещество във въздуха е 1,59. Определете молекулната формула на веществото. (C2H6O) 10. Определете молекулната формула на веществото, ако е известно, че 1,3 g от него при горене образуват 2,24 l въглероден диоксид и 0,9 g водна пара. Масата на 1 ml от това вещество при нормални условия. равно на 0,00116 g (C 2 H 2) 11. При изгаряне на един мол от просто вещество се образуват 1,344 m 3 (NU) газ, който е 11 пъти по-тежък от хелия. Установете формулата на изгореното вещество. (C 60) 12. При изгаряне на 112 ml газ се получават 448 ml въглероден диоксид (NU) и 0,45 g вода. Плътността на газа по отношение на водорода е 29. Намерете молекулната формула на газа. (C 4 H 10) 13. При пълно изгаряне на 3,1 g органична материя се образуват 8,8 g въглероден диоксид, 2,1 g вода и 0,47 g азот. Намерете молекулната формула на дадено вещество, ако масата на 1 литър пари е при нормални условия. е 4,15 g (C6H7N) 14. При изгарянето на 1,44 g органична материя се образуват 1,792 литра въглероден диоксид и 1,44 g вода. Установете формулата на вещество, ако относителната му плътност във въздуха е 2,483. (C 4 H 8 O) 15. При пълно окисление на 1,51 г гуанин се образуват 1,12 л въглероден диоксид, 0,45 г вода и 0,56 л азот. Извлечете молекулната формула на гуанина. (C 5 H 5 N 5 O) 16. При пълно окисление на органична материя с тегло 0,81 g се образуват 0,336 l въглероден диоксид, 0,53 g натриев карбонат и 0,18 g вода. Установете молекулната формула на веществото. (C 4 H 4 O 4 Na 2) 17. При пълното окисление на 2,8 g органична материя се образуват 4,48 литра въглероден диоксид и 3,6 g вода. Относителната плътност на материята във въздуха е 1,931. Установете молекулната формула на дадено вещество. Какъв обем 20% разтвор на натриев хидроксид (плътност 1,219 g / ml) е необходим за абсорбиране на въглеродния диоксид, освободен по време на горенето? Каква е масовата част на натриевия карбонат в получения разтвор? (C4H8; 65,6 ml; 23,9%) 18. При пълно окисление на 2,24 g органична материя се образуват 1,792 l въглероден диоксид, 0,72 g вода и 0,448 l азот. Изведете молекулната формула на веществото. (C 4 H 4 N 2 O 2) 19. При пълно окисление на органична материя с тегло 2,48 g се образуват 2,016 литра въглероден диоксид, 1,06 g натриев карбонат и 1,62 g вода. Установете молекулната формула на веществото. (C5H9O2Na) Цел на урока: Да се формират представите на учениците за структурата на електронната обвивка на атома на примера на химични елементи 1-3 периода на периодичната система. Да се затвърдят понятията "периодичен закон" и "периодична система". Цели на урока: Да се научат да съставят електронните формули на атомите, да определят елементите по техните електронни формули, да определят състава на атома. Оборудване: Периодична таблица на химичните елементи D.I. Менделеев, черна дъска, мултимедиен проектор, персонален компютър, оформление и презентация „Съставяне на електронни формули за структурата на атомите“. Тип урок: комбиниран Методи: словесен, визуален. По време на занятията I. Организационен момент. Поздравления. Отсъстващ знак. Активиране на класа за усвояване на нова тема. Учителят произнася и записва темата на урока на дъската „Структурата на електронните обвивки на атома“. II. Обяснение на новия материал учител:В началото на 20 век, планетарен модел на структурата на атома, предложен от Ръдърфорд, според който електроните се движат около много малко по размер положително заредено ядро, подобно на планетите около Слънцето. ( Презентация.
Слайд 1.модел на Ръдърфорд). Следователно в атома има траектории, по които се движи електронът. По-нататъшни изследвания обаче показват, че в атома няма електронни траектории. Движение без траектория означава, че не знаем как се движи електрон в атом, но можем да локализираме областта, където най-често се намира електронът. Това вече не е орбита, а орбитала .
Движейки се около атома, електроните образуват в неговата съвкупност електронна обвивка. Нека разберем как се движат електроните около ядрото? Безпорядък или в определен ред? Изследвания Нилс Бор- основателят на съвременната атомна физика, както и редица други учени позволиха да се заключи: електроните в атомите са подредени в определени слоеве - обвивки и в определен ред. Структурата на електронните обвивки на атомите има важна роля в химията, тъй като именно електроните определят химичните свойства на веществата. Най-важната характеристика на движението на електрон в определена орбитала е енергията на връзката му с ядрото. Електроните в атома се различават по определена енергия и, както показват експериментите, някои се привличат към ядрото по-силно, докато други са по-слаби. Това се обяснява с отдалечеността на електроните от ядрото. Колкото по-близо са електроните до ядрото, толкова по-голяма е връзката им с ядрото, но толкова по-малко енергия се съхранява. С разстоянието от ядрото на атома силата на привличане на електрона към ядрото намалява и запасът от енергия се увеличава. Ето как електронни слоевев електронната обвивка на атома. Електроните с близки енергии образуват един електронен слой, или енергичен ниво... Енергията на електроните в атома и енергийното ниво се определят от главното квантово число ни приема цели числа 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Колкото по-голяма е стойността на n, толкова по-голяма е енергията на електрона в атома. Максималният брой електрони, които могат да бъдат на едно или друго енергийно ниво, се определя по формулата: Където н- максималният брой електрони на ниво; n е номерът на енергийното ниво. Установено е, че на първата обвивка са разположени не повече от два електрона, на втората не повече от осем, на третата не повече от 18 и на четвъртата не повече от 32. Няма да разглеждаме запълването на повече далечни черупки. Известно е, че на външно енергийно ниво не може да има повече от осем електрона, така се нарича завършен... Наричат се електронни слоеве, които не съдържат максимален брой електрони недовършен. Броят на електроните на външното енергийно ниво на електронната обвивка на атома е равен на номера на групата за химичните елементи от основните подгрупи. Както бе споменато по-рано, електронът не се движи по орбита, а по орбитала и няма траектория. Пространството около ядрото, където това е най-вероятно да се намери. електрон се нарича орбитала на този електрон или електронен облак. Орбиталите или поднивата, както още се наричат, могат да имат различни форми и техният брой съответства на номера на нивото, но не надвишава четири. Първото енергийно ниво има едно подниво ( с), вторият - две ( s, p), третият - три ( s, p, d) и др. Електроните от различни поднива на едно и също ниво имат различни форми на електронния облак: сферичен (s), дъмбел (p)и по-сложна конфигурация (г) и (е).Учените се съгласиха да наричат сферичната атомна орбитала с-орбитална... Той е най-стабилният и се намира доста близо до ядрото. Колкото повече е енергията на електрона в атома, толкова по-бързо се върти, толкова повече се разтяга площта на неговото пребиваване и накрая се превръща в дъмбел стр-орбитална: Електронен облак с тази форма може да заема атом три позициипо координатните оси на пространството х, ги z... Това е лесно обяснено: в края на краищата всички електрони са отрицателно заредени, следователно, електронни облаци взаимно се отблъсквати се стремят да се настанят колкото е възможно по-далеч един от друг. Така, стр-орбиталите могат да бъдат три. Енергията им, разбира се, е една и съща, но разположението им в пространството е различно. Начертайте диаграма на последователно запълване на енергийни нива с електрони Сега можем да съставим диаграма на структурата на електронните обвивки на атомите: На с
-подниво може да бъде единатомна орбитала и нататък стр-
тяхното подниво може вече да е три - (според трите координатни оси): Орбитали д–
и е-
подниво в атома може вече да има пети седемсъответно: Ядрото на водороден атом има заряд +1, така че само един електрон се движи около ядрото му на едно енергийно ниво. Нека запишем електронната конфигурация на водородния атом За да установите връзка между структурата на атом на химичен елемент и неговите свойства, разгледайте още няколко химически елемента. Следващият елемент зад водорода е хелият. Ядрото на хелиевия атом има заряд +2, така че хелиевият атом съдържа два електрона на първо енергийно ниво: Тъй като на първото енергийно ниво не може да има повече от два електрона, се счита завършен. Клетка № 3 е литиева. Литиевото ядро има заряд +3, следователно литиевият атом има три електрона. Два от тях са на първо енергийно ниво, а третият електрон започва да запълва второто енергийно ниво. Първо се запълва s-орбитала на първо ниво, след това s-орбитала на второ ниво. Един електрон на второ ниво е по-слабо свързан с ядрото от другите два. За въглероден атом вече е възможно да се приемат три възможни схеми за запълване на електронни черупки в съответствие с електронно-графични формули: Анализът на атомния спектър показва, че последната схема е правилна. Използвайки това правило, не е трудно да се изготви диаграма на електронната структура на азотния атом: Тази схема съответства на формулата 1s 2 2s 2 2p 3. След това започва двойното поставяне на електрони в 2p орбитали. Електронни формули на останалите атоми от втория период: При неоновия атом запълването на второто енергийно ниво завършва и изграждането на втория период от системата от елементи завършва. Намерете химическия знак на лития в периодичната таблица; от литий до неон Ne зарядът на атомните ядра естествено се увеличава. Вторият слой постепенно се запълва с електрони. С увеличаване на броя на електроните на втория слой металните свойства на елементите постепенно отслабват и се заменят с неметални. Третият период, както и вторият, започва с два елемента (Na, Mg), в които електроните са разположени на s-поднивото на външния електронен слой. След това следват шест елемента (от Al до Ar), в които се образува p-поднивото на външния електронен слой. Подобна се оказва структурата на външния електронен слой на съответните елементи от втория и третия период. С други думи, с увеличаване на ядрения заряд електронната структура на външните слоеве на атомите периодично се повтаря. Ако елементите имат сходно подредени външни енергийни нива, тогава свойствата на тези елементи са сходни. Например аргонът и неонът съдържат по осем електрона на външно ниво и следователно са инертни, тоест почти не влизат в химични реакции. В свободна форма аргонът и неонът са газове, които имат едноатомни молекули. Атомите на литий, натрий и калий съдържат един електрон на външно ниво и имат сходни свойства, поради което са поставени в една и съща група на периодичната система. III. Заключения. 1. Свойствата на химичните елементи, подредени в порядъка на нарастващ ядрен заряд, периодично се повтарят, тъй като структурата на външните енергийни нива на атомите на елементите периодично се повтаря. 2. Плавната промяна в свойствата на химичните елементи в рамките на един период може да се обясни с постепенно увеличаване на броя на електроните на външно енергийно ниво. 3. Причината за сходството на свойствата на химичните елементи, принадлежащи към едно и също семейство, се крие в една и съща структура на външните енергийни нива на техните атоми. IV. Осигуряване на нов материал. Задача на класа: 1. Начертайте структурата на атомите на следните елементи: а) натрий; 2. Сравнете структурата на азотните и фосфорните атоми. 3. От данните за разпределението на валентните електрони намерете елемента: а) 1s 2 2s 1 4. С помощта на компютърната презентация „Съставяне на електронни формули за структурата на атомите” съставете електронните формули на атомите а) азот; б) сяра .
5. Използване на оформлението "Съставяне на електронни формули за структурата на атомите" електронни формули на атомите: а) магнезий; б) кислород. V. Домашна работа: § 8, с. 28-33. Начертайте диаграми на структурата на електронните обвивки на атомите: бор, хлор, литий, алуминий. Изключителният датски физик Нилс Бор (фиг. 1) предполага, че електроните в атома могат да се движат не по каквито и да е, а в строго определени орбити. В този случай електроните в атома се различават по своята енергия. Експериментите показват, че някои от тях са привлечени от ядрото по-силно, докато други са по-слаби. Основната причина за това се крие в различните разстояния на електроните от атомното ядро. Колкото по-близо са електроните до ядрото, толкова по-силно са свързани с него и толкова по-трудно е да се извадят от електронната обвивка. По този начин, с увеличаване на разстоянието от ядрото на атома, енергийният резерв на електрона се увеличава. Електроните, движещи се близо до ядрото, сякаш блокират (екранират) ядрото от други електрони, които са привлечени от ядрото по-слабо и се движат на по-голямо разстояние от него. Така се образуват електронните слоеве. Всеки електронен слой се състои от електрони с подобни енергии; следователно, електронните слоеве се наричат още енергийни нива. Ядрото е разположено в центъра на атома на всеки елемент, а електроните, които образуват електронната обвивка, са разположени около ядрото на слоеве. Броят на електронните слоеве в атом на елемент е равен на броя на периода, в който се намира този елемент. Например, натрий Na е елемент от 3-ти период, което означава, че неговата електронна обвивка включва 3 енергийни нива. В бромния атом Br има 4 енергийни нива, тъй като бромът се намира в 4-ти период (фиг. 2). Модел на натриев атом: Модел на бромен атом: Максималният брой електрони в енергийно ниво се изчислява по формулата: 2n 2, където n е номерът на енергийното ниво. Така максималният брой електрони на: 3 слой - 18 и т.н. За елементи от основните подгрупи, номерът на групата, към която принадлежи елементът, е равен на броя на външните електрони на атома. Външните електрони се наричат последния електронен слой. Например, в натриевия атом има 1 външен електрон (тъй като това е елемент от подгрупата IA). Бромният атом има 7 електрона на последния електронен слой (това е елемент от подгрупата VIIA). Структурата на електронните обвивки на елементи от 1-3 периода При водородния атом ядреният заряд е +1 и този заряд се неутрализира от един електрон (фиг. 3). Следващият елемент след водорода е хелият, също елемент от 1-ви период. Следователно в атома на хелия има енергийно ниво, където са разположени два електрона (фиг. 4). Това е максималният възможен брой електрони за първото енергийно ниво. Клетка № 3 е литиева. Литиевият атом има 2 електронни слоя, тъй като е елемент от 2-ри период. На 1 слой в литиевия атом има 2 електрона (този слой е завършен), а на 2 слой има -1 електрон. Берилиевият атом има 1 електрон повече от литиевия атом (фиг. 5). По същия начин можете да изобразите диаграмите на структурата на атомите на останалите елементи от втория период (фиг. 6). В атома на последния елемент от втория период - неона - последното енергийно ниво е завършено (има 8 електрона, което съответства на максималната стойност за 2-ри слой). Неонът е инертен газ, който не влиза в химични реакции, поради което електронната му обвивка е много стабилна. американски химик Гилбърт Луисдаде обяснение за това и предложи октетно правило, според което осемелектронният слой е стабилен(с изключение на 1 слой: тъй като върху него не може да има повече от 2 електрона, двуелектронно състояние ще бъде стабилно за него). След неона идва елементът от 3-ти период - натрий. Натриевият атом има 3 електронни слоя, върху които са разположени 11 електрона (фиг. 7). Ориз. 7. Схема на структурата на натриевия атом Натрият е в група 1, неговата валентност в съединенията е I, както в лития. Това се дължи на факта, че има 1 електрон върху външния електронен слой от натриеви и литиеви атоми. Свойствата на елементите периодично се повтарят, тъй като атомите на елементите периодично повтарят броя на електроните на външния електронен слой. Структурата на атомите на останалите елементи от третия период може да бъде представена по аналогия със структурата на атомите на елементите от втория период. Структурата на електронните обвивки от 4 елемента от периода Четвъртият период включва 18 елемента, сред които има елементи както от основната (А), така и от вторичната (В) подгрупа. Характеристика на структурата на атомите на елементи от странични подгрупи е, че техните пред-външни (вътрешни), а не външни електронни слоеве се запълват последователно. Четвъртият период започва с калий. Калият е алкален метал, проявяващ валентност I в съединенията. Това е в съответствие със следната структура на неговия атом. Като елемент от 4-ти период, калиевият атом има 4 електронни слоя. Последният (четвърти) електронен слой на калия съдържа 1 електрон, общият брой електрони в калиевия атом е 19 (редовният номер на този елемент) (фиг. 8). Ориз. 8. Схема на структурата на калиевия атом Калият е последван от калций. Калциевият атом на външния електронен слой ще има 2 електрона, като берилий с магнезий (те също са елементи от подгрупа II A). Следващият елемент след калция е скандият. Това е елемент от вторичната (В) подгрупа. Всички елементи от вторични подгрупи са метали. Характеристика на структурата на техните атоми е наличието на не повече от 2 електрона върху последния електронен слой, т.е. предпоследният електронен слой ще бъде последователно запълнен с електрони. Така че, за скандий, можете да си представите следния модел на структурата на атома (фиг. 9): Ориз. 9. Схема на структурата на атома на скандия Такова разпределение на електроните е възможно, тъй като максимално допустимият брой електрони на третия слой е 18, тоест осем електрона на третия слой е стабилно, но непълно състояние на слоя. В десет елемента от вторични подгрупи от 4-ти период, от скандий до цинк, третият електронен слой се запълва последователно. Диаграмата на структурата на цинковия атом може да бъде представена по следния начин: на външния електронен слой - два електрона, на пред-външния слой - 18 (фиг. 10). Ориз. 10. Схема на структурата на цинковия атом Следните елементи след цинка принадлежат към елементите от основната подгрупа: галий, германий и др. към криптона. В атомите на тези елементи 4-тият (т.е. външният) електронен слой се запълва последователно. В атом от инертен газ криптон ще има октет на външната обвивка, т.е. стабилно състояние. Резюме на урока В този урок научихте как работи електронната обвивка на атома и как да обясните феномена на периодичността. Запознахме се с моделите на структурата на електронните обвивки на атомите, с помощта на които е възможно да се предскажат и обяснят свойствата на химичните елементи и техните съединения. Библиография Домашна работа Открихме, че сърцето на атома е неговото ядро. Около него са разположени електрони. Те не могат да бъдат неподвижни, тъй като веднага биха паднали върху ядрото. В началото на ХХ век. е възприет планетарен модел на структурата на атома, според който електроните се движат около много малко положително ядро, точно както планетите се въртят около слънцето. По-нататъшни изследвания показват, че структурата на атома е много по-сложна. Проблемът за структурата на атома остава актуален за съвременната наука. Елементарни частици, атом, молекула – всичко това са обекти от микрокосмоса, които ние не наблюдаваме. В него има различни закони, отколкото в макрокосмоса, чиито обекти можем да наблюдаваме директно или с помощта на инструменти (микроскоп, телескоп и др.). Следователно, обсъждайки по-нататък структурата на електронните обвивки на атомите, ще разберем, че създаваме собствено представяне (модел), което до голяма степен съответства на съвременните възгледи, въпреки че не е абсолютно същото като това на учен-химик. Нашият модел е опростен. Електроните, движещи се около ядрото на атома, заедно образуват неговата електронна обвивка. Броят на електроните в обвивката на атома е, както вече знаете, броят на протоните в ядрото на атома; той съответства на порядковия или атомен номер на елемента в таблицата на Д.И.Менделеев. И така, електронната обвивка на водороден атом се състои от един електрон, хлор - от седемнадесет, злато - от седемдесет и девет. Как се движат електроните? Хаотично, като мушици около запалена крушка? Или в някакъв конкретен ред? Получава се точно в определен ред. Електроните в атома се различават по своята енергия. Експериментите показват, че някои от тях са привлечени от ядрото по-силно, докато други са по-слаби. Основната причина за това се крие в различните разстояния на електроните от атомното ядро. Колкото по-близо са електроните до ядрото, толкова по-здраво са свързани с него и толкова по-трудно е да се извадят от електронната обвивка, но колкото по-далеч са от ядрата, толкова по-лесно е да се откъснат. Очевидно с увеличаване на разстоянието от ядрото на атома, запасът от енергия на електрона (E) се увеличава (фиг. 38). Ориз. 38 Електроните, движещи се близо до ядрото, сякаш блокират (екранират) ядрото от други електрони, които са привлечени от ядрото по-слабо и се движат на по-голямо разстояние от него. Така се образуват електронни слоеве в електронната обвивка на атома. Всеки електронен слой се състои от електрони с близки енергии, следователно електронните слоеве се наричат още енергийни нива. По-нататък ще кажем така: "Електронът е на определено енергийно ниво." Броят на енергийните нива, запълнени с електрони в атома, е равен на номера на периода в таблицата на Д. И. Менделеев, в който се намира химическият елемент. Това означава, че електронната обвивка на атомите от 1-ви период съдържа едно енергийно ниво, 2-ри период - две, 3-ти - три и т.н. Например в азотния атом тя се състои от две енергийни нива, а в магнезиевия атом - от три: Максималният (най-голям) брой електрони на енергийно ниво може да се определи по формулата: 2n 2, където n е номерът на нивото. Следователно първото енергийно ниво се запълва в присъствието на два електрона върху него (2 × 1 2 = 2); вторият - в присъствието на осем електрона (2 × 2 2 = 8); третият - осемнадесет (2 × З 2 = 18) и т.н. В хода на химия от 8-9 клас ще разгледаме елементите само от първите три периода, следователно няма да се срещнем с завършеното трето енергийно ниво за атоми . Броят на електроните на външното енергийно ниво на електронната обвивка на атома за химичните елементи от основните подгрупи е равен на номера на групата. Сега можем да съставим диаграми на структурата на електронните обвивки на атомите, ръководени от плана: Ядрото на водороден атом има заряд +1, тоест съдържа само един протон, съответно само един електрон на едно енергийно ниво: Това се записва с помощта на електронна формула, както следва: Следващият елемент от 1-ви период е хелият. Ядрото на хелиевия атом има заряд +2. Той вече има два електрона на първо енергийно ниво: На първо енергийно ниво могат да се поберат само два електрона и нищо повече - то е напълно пълно. Ето защо 1-ви период от таблицата на Д. И. Менделеев се състои от два елемента. Литиевият атом, елемент от 2-ри период, има друго енергийно ниво, на което третият електрон ще „отиде“: В берилиевия атом още един електрон "стига" на второ ниво: Борният атом на външното ниво има три електрона, а въглеродният атом има четири електрона ... флуорният атом има седем електрона, неоновият атом има осем електрона: Второто ниво може да побере само осем електрона и следователно е пълно в неон. Натриевият атом, елемент от 3-ти период, има трето енергийно ниво (забележете - атомът на елемента от 3-ти период съдържа три енергийни нива!), И върху него има един електрон: Обърнете внимание: натрият е елемент от група I, на външно енергийно ниво има един електрон! Очевидно няма да е трудно да се запише структурата на енергийните нива за серния атом, елемента VIA от 3-ти период: Третият период завършва с аргон: Атомите на елементите от 4-ти период, разбира се, имат четвърто ниво, на което калиевият атом има един електрон, а калциевият атом има два електрона. След като се запознахме с опростените понятия за структурата на атомите на елементите от 1-ви и 2-ри период на Периодичната таблица на Д.И.Менделеев, можем да направим уточнения, които ни доближават до по-правилния поглед върху структурата на атомът. Да започнем с една аналогия. Точно както бързо движеща се игла на шевна машина, пробиваща тъкан, бродира върху нея шаблон, така и електрон, движещ се неизмеримо по-бързо в пространството около атомно ядро, „бродира“, не просто плосък, а триизмерен модел на електронен облак. Тъй като скоростта на движение на електрона е стотици хиляди пъти по-висока от скоростта на движение на шевна игла, те говорят за вероятността да се намери електрон на едно или друго място в пространството. Да кажем, че успяхме, както при спортен фотофиниш, да установим позицията на електрона на някое място близо до ядрото и да отбележим това положение с точка. Ако такова "фото покритие" се извършва стотици, хиляди пъти, тогава получавате модел на електронен облак. Електронните облаци понякога се наричат орбитали. Ние ще направим същото. Електронните облаци или орбитали се различават по размер в зависимост от енергията. Ясно е, че колкото по-малка е енергията на електрона, толкова по-силно се привлича той към ядрото и толкова по-малка е неговата орбитала. Електронните облаци (орбитали) могат да имат различни форми. Всяко енергийно ниво в атома започва със сферична s-орбитала. На второто и следващите нива след една s-орбитала се появяват p-орбитали с форма на дъмбел (фиг. 39). Има три такива орбитали. Всяка орбитала е заета от не повече от два електрона. Следователно може да има само две от тях на s-орбитала и шест на три p-орбитали. Ориз. 39. Използвайки арабски цифри за обозначаване на нивото и обозначавайки орбиталите с буквите s и p, и броя на електроните на дадена орбитала с арабска цифра в горния десен ъгъл над буквата, можем да изобразим структурата на атомите с по-пълна електронна формули. Нека запишем електронните формули на атомите от 1-ви и 2-ри периоди: Ако елементите имат външни енергийни нива, сходни по структура, тогава свойствата на тези елементи са сходни. Например аргонът и неонът съдържат по осем електрона на външно ниво и следователно са инертни, тоест почти не влизат в химични реакции. В свободна форма аргонът и неонът са газове, чиито молекули са едноатомни. Атомите на литий, натрий и калий съдържат един електрон на външно ниво и имат сходни свойства, поради което са поставени в една и съща група на Периодичната таблица на Д.И.Менделеев. Нека направим обобщение: една и съща структура на външните енергийни нива периодично се повтаря, следователно свойствата на химичните елементи периодично се повтарят. Този модел е отразен в името на Периодичната таблица на химичните елементи на Д. И. Менделеев. Ключови думи и фрази Работа с компютър Въпроси и задачиА) 1s 2 2s 2 2p 4 Б) 1s 2 2s 2 2p 6 Б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 Г) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1
А, Д V V V А г А, Д Б V Б, В
б) силиций
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
г) 1s 2 2s 2 2p 4
д) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1
Максимален брой електрони на енергийно ниво
Форми на s- и p-орбитали (електронни облаци)
