Строение атома
Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Движение электрона в атоме носит вероятностно-волновой характер.
Пример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?
Решение. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (90-95%) находится электрон, называется атомной орбиталью. Атомная орбиталь характеризуется квантовыми числами (n, l, m).
n – главное квантовое число, характеризует общую энергию электрона - энергетический уровень и размер орбитали. Принимает значения целых чисел от 1 до ¥. Чем больше n, тем больше энергия электрона и размер орбитали.
l – орбитальное квантовое число, характеризует энергию электронов на подуровнях данного уровня (энергетический подуровень) и форму орбитали. Принимает все целочисленные значения от 0 до (n - 1). Например, при n = 4, орбитальное квантовое число принимает значения 0, 1, 2, 3. Чем больше орбитальное квантовое число l при данном n, тем больше энергия электрона на подуровне. Число подуровней в каждом энергетическом уровне равно значению его главного квантового числа (табл. 1). Обычно подуровни обозначаются буквами:
l 0 1 2 3
обозначение подуровня s p d f
Атомные орбитали, для которых l = 0, 1, 2, 3, соответственно называются s-, p-, d-, f–орбиталями, а электроны, занимающие эти орбитали, называются s-, p -, d -, f-электронами.
m – магнитное квантовое число, характеризует магнитный момент количества движения и пространственную ориентацию атомных орбиталей. Принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Каждому значению m при данном l соответствует определенная ориентация орбитали в пространстве: так, для s-орбитали (l = 0) возможно одно значение m (m = 0) и одно положение в пространстве; для p-орбиталей (l = 1) возможно три значения m (-1, 0, +1) и три ориентации по координатным осям (х,у,z); d-орбиталям соответствует пять, а f-орбиталям семь различных ориентаций в пространстве. Число возможных значений магнитного квантового числа при заданном l равно (2l +1) и определяет количество орбиталей в подуровне. Следовательно, s - подуровень состоит из одной орбитали, р – из трех, d – из пяти, f – из семи орбиталей.
Графическое изображение орбиталей в подуровнях s, p, d
l=3
l=2
l=1
l=0 f
p d
s
Состояние электрона в атоме описывает также спиновое квантовое число ms, которое характеризует собственный момент количества движения электрона (вращение вокруг своей оси – спин электрона) и принимает два значения +1/2 или –1/2 (ms = ±1/2), обозначаемых в электронно-графических формулах стрелкой или ¯.
Распределение электронов в многоэлектронных атомах основано на трех положениях: принципе Паули, принципе наименьшей энергии и правиле Хунда.
В атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел (принцип Паули), поэтому на атомной орбитали может находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (ms = ±1/2). В связи с этим на подуровне может находиться максимально 2(2l+ 1) электронов, а на уровне 2n2 электронов.
В таблице 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем уровне и подуровне.
Таблица 1. Максимальное число электронов на атомных энергетических уровнях и подуровнях.
| Энергетический уровень | Энергетический подуровень | Возможные значения магнитного квантового числа m | Число орбиталей в подуровне | Максимальное число электронов | |
| На под- уровне | На уровне 2n2 | ||||
| К (n=1) | s (l=0) | 2 1s2 | |||
| L (n=2) | s (l=0) p (l=1) | -1; 0; +1 | 2s2 8 2p6 | ||
| М (n=3) | s (l=0) p (l=1) d (l=2) | -1; 0; +1 -2; -1; 0; +1; +2 | 3s2 18 3p6 3d10 | ||
| N (n=4) | s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3) | -1; 0; +1 -2; -1; 0; +1; +2 -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3 | 4s2 4p6 32 4d10 4f14 |
Пример 2. Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 4, 16, 22. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов. Какие электроны являются валентными? Постоянную или переменную валентность имеют эти элементы?
Решение. Электронные формулы изображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням. При записи электронной формулы вначале ставится номер уровня, затем буквенное обозначение подуровня, в виде степени указывается число электронов, имеющихся на данном подуровне. Число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Число уровней, на которых располагаются электроны данного элемента, соответствует номеру периода.
Последовательность размещения электронов по уровням и подуровням атома должна соответствовать наименьшей энергии электрона и атома в целом. В этом случае устойчивость электронной системы будет максимальной и связь электронов с ядром – наиболее прочной. Увеличение энергии и соответственно заполнение энергетических уровней и подуровней происходит в порядке возрастания суммы значений квантовых чисел (n + l), а при равной сумме значений (n + l) сначала заполняется подуровень с меньшим значением n (правило Клечковского), что соответствует для многоэлектронного атома следующей последовательности:
1s ®2s ®2p ®3s ®3p®4s ®3d ®4p ®5s ®4d ®5p ®6s ®
®(5d1) ®4f ®5d ®6p ®7s ®(6d1) ®5f ®6d®7p
Элемент с порядковым номером 4 – бериллий, расположен во втором периоде, следовательно, 4 электрона расположены на двух энергетических уровнях. Электронная формула атома бериллия 4Be 1s22s2.
Элемент с порядковым номером 16 – сера, расположен в третьем периоде, следовательно, 16 электронов расположены на трех энергетических уровнях. Электронная формула атома серы 16S 1s22s22p63s23p4.
Элемент с порядковым номером 22 – титан, расположен в четвертом периоде, следовательно, 22 электрона расположены на четырех энергетических уровнях. Заполнение электронами энергетических подуровней в атоме титана в соответствии с принципом наименьшей энергии:
22Ti 1s22s22p63s23p64s23d2 . После 3p-подуровня заполняется 4s подуровень (n +l = 4+0 = 4), затем 3d подуровень (n +l = 3+2 = 5). При составлении электронной формулы возможна такая запись: сначала последовательно записать все состояния электронов с меньшим значением n, (в атоме титана с n = 3), а затем уже переходить к состояниям с более высоким значением n (в атоме титана n=4). Электронная формула атома титана
22Ti 1s22s22p63s23p63d24s2.
Электронно-графические формулы отражают распределение электронов по атомным орбиталям (квантовым ячейкам), изображаемых в виде клеточки или черты – , в которых один неспаренный электрон обозначается или (¾) , а два спаренных электрона (электронная пара)
(или ¾ ). Распределение электронов по орбиталям на подуровне подчиняется правилу Хунда: электроны заполняют максимальное число свободных орбиталей, чтобы число неспаренных электронов было наибольшим, т.е. сначала по одному с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами.
Электронно-графические формулы атомов бериллия, серы и титана:
р
s
4Be n =2
n=1
d
p
s
n =3
 |
16S n =2
n=1
f
d
s P
n = 4
n = 3
22Ti
n = 2
n = 1
В зависимости от того, на какой энергетический подуровень в атоме поступает последний электрон, элементы делятся на s-, p-, d-, f- элементы (электронные семейства). При этом s-элементы составляют главные подгруппы I-II групп периодической системы – металлы, а также Н и Не;
р-элементы – металлы и неметаллы, составляют главные подгруппы III – VIII групп; d-элементы - металлы составляют побочные подгруппы I –VIII групп; к f-элементам относятся лантаноиды и актиноиды (металлы).
Бериллий находится во второй группе, главной подгруппе, последний электрон занимает s – подуровень. Бериллий – s – элемент. Сера находится в четвертой группе, главной подгруппе, последний электрон занимает р-подуровень. Сера – р-элемент. Титан находится в четвертой группе, побочной подгруппе, последний электрон в соответствии с правилом Клечковского занимает d-подуровень. Титан – d-элемент.
Номер группы указывает максимальное число валентных электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. Валентность элемента определяется числом неспаренных электронов в основном (нормальном) и возбужденном состоянии атома. Основное состояние атома (состояние с минимальной энергией) характеризует электронная конфигурация атома, соответствующая положению элемента в периодической системе. Возбужденное состояние – это более высокое энергетическое состояние атома с иным распределением электронов в пределах валентного уровня. Источником энергии возбуждения может быть энергия тепла, света, энергия, выделяющая при образовании новых веществ в процессе химической реакции.
Для s- и р-элементов валентными могут быть электроны внешнего энергетического уровня; для d-элементов – электроны внешнего уровня и неспаренные d-электроны предвнешнего уровня.
Бериллий – s – элемент. Валентными являются s – электроны внешнего уровня: 2s2.
Сера – р-элемент. Валентными электронами являются s и р электроны внешнего уровня: 3s23р4.
Титан – d-элемент. Валентные электроны: 3d24s2.
В основном состоянии у атома бериллия нет неспаренных электронов, валентность его равна нулю (В=0). Однако у бериллия имеется три свободных орбитали 2p - подуровня. При возбуждении атома происходит распаривание электронов внешнего уровня и один из 2s – электронов переходит на свободную 2p орбиталь. Число неспаренных электронов становится равным двум. Бериллий в соединениях проявляет постоянную валентность равную 2.
Основное состояние Возбужденное состояние
4Be … 2s2 4Be* …2s12p1
р p
s s
n = 2
В основном состоянии атом серы содержит два неспаренных электрона и ее валентность равна двум. Однако у серы есть пять свободных орбиталей 3d – подуровня, за счет этого число неспаренных электронов, а, следовательно, и валентность может увеличиваться. При возбуждении атома спаренные электроны внешнего уровня могут распариваться и переходить на свободные орбитали другого подуровня в пределах того же (валентного) уровня. При возбуждении атома серы происходит переход 3р – электрона (первое возбужденное состояние S*), затем 3s - электрона на свободные d-орбитали (второе возбужденное состояние S**). Число неспаренных электронов становится равным соответственно 4 и 6. Сера проявляет переменную валентность равную 2, 4, 6.
Основное состояние Возбужденное состояние
16S …3s23p4 16S* …3s23p33d1
p d
s
p d
s p d
s
16S** … 3s13p33d2
В основном состоянии атом титана содержит 2 неспаренных электрона и его валентность равна двум. При возбуждении спаренные 4s - электроны внешнего уровня распариваются и один 4s - электрон переходит на 4р - подуровень, число неспаренных электронов становится равным четырем. Титан проявляет переменную валентность равную 2 и 4.
Основное состояние Возбужденное состояние
22Ti …3s23p63d24s2 22Ti* ... 3s23p63d24s14p1
p d p d
s s
n = 4
n = 4
p d p d
s s
n = 3
n = 3
Пример 3. Охарактеризуйте с помощью квантовых чисел n, l, m, ms валентные электроны атома марганца.
Решение. Электронная формула атома марганца:
25Mn 1s22s22p63s23p63d54s2. Марганец – d элемент, валентными электронами являются s-электроны внешнего и неспаренные d-электроны предвнешнего уровней. Электронная и электронно-графическая формулы валентных электронов атома марганца в основном состоянии:
25Mn …3d54s2
s
d n=4
n=3
а) валентные d электроны (3d5) находятся на третьем энергетическом уровне, что соответствует значению главного квантового числа, т.е. n=3. Буквенное обозначение подуровня d соответствует значению орбитального квантового числа равного двум, т.е. l=2. При l=2 магнитное квантовое число для пяти электронов занимающих d орбиталь принимает значения -2, -1, 0, +1, +2. Так как каждый d – электрон расположен в отдельной квантовой ячейке и спины у всех электронов одинаковы (), то значения спинового квантового числа для всех электронов одинаково и равно ms = +1/2
d
n=3
l=2
m = -2 m = -1 m=0 m=+1 m=+2
ms=+1/2 ms=+1/2 ms=+1/2 ms=+1/2 ms=+1/2
б) валентные s электроны (4s2) находятся на четвертом энергетическом уровне, что соответствует значению главного квантового числа, т.е. n=4. Буквенное обозначение подуровня s соответствует значению орбитального квантового числа, равного нулю, т.е. l=0. При l=0 магнитное квантовое число для обоих электронов, заполняющих s орбиталь, равно нулю, т.е. m=0. Значение спинового квантового числа различны (ms=+1/2, -1/2), так как электроны на s орбитали имеют различные спины (¯).
s
n=4 l=0, m=0, ms=+1/2, ms= -1/2
ЗАДАНИЯ
21.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 5, 20, 43. Укажите период, группу, подгруппу, в которых находятся элементы. К какому электронному семейству относится каждый из них? Какие электроны являются валентными?
22.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов фосфора, ванадия, стронция. В каком периоде, группе, подгруппе находятся элементы? К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Какие электроны являются валентными?
23.Какие энергетические уровни не имеют: а) p-, б) d-, в) f- подуровней? Возможно ли отсутствие s-подуровня? Приведите по одному примеру
p -, d -, f - элементов. Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов этих элементов. В каком периоде, группе, подгруппе они находятся?
24.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов калия, марганца, селена в основном и возбужденном состоянии. Укажите период, группу, подгруппу в которых находятся элементы. К какому электронному семейству относится каждый из них? Какие электроны являются валентными? Какой подуровень в атоме селена заполняется раньше: а) 3d или 4s; б) 3d или 4p. Объясните на основании правил Клечковского.
25.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами: 12, 14, 23. В каком периоде, группе, подгруппе находятся эти элементы? К какому электронному семейству они относятся? Укажите значения квантовых чисел n и l для валентных электронов атомов данных элементов.
26.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 17, 19, 29 в основном и возбужденном состояниях. В каком периоде, группе, подгруппе они находятся? К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Какие электроны являются валентными?
27.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов натрия, селена и фтора. В каком периоде, группе, подгруппе находятся эти элементы? К какому электронному семейству относится каждый из них? Какие электроны являются валентными. Объясните, почему селен проявляет переменную валентность, а фтор - постоянную.
28.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов магния, хлора и ванадия. В каком периоде, группе, подгруппе находится каждый из этих элементов? К какому электронному семейству они относятся? Какие электроны являются валентными? Объясните, почему хлор проявляет переменную, а магний - постоянную валентность.
29.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов хрома, селена, рубидия. В каком периоде, группе, подгруппе находится каждый из этих элементов? К какому электронному семейству они относятся? Какие электроны являются валентными? Сформулируйте правило Хунда и, пользуясь этим правилом, распределите электроны по энергетическим ячейкам, соответствующим низшему энергетическому состоянию атомов.
30.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 11, 15 и 40 в основном и возбужденном состояниях. В каком периоде, группе, подгруппе находится каждый из этих элементов? К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Какие электроны являются валентными? Охарактеризуйте квантовыми числами валентные электроны фосфора.
31.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов технеция, хлора, фтора в основном и возбужденном состояниях. В каком периоде, группе, подгруппе находится каждый из этих элементов? К какому электронному семейству они относятся? Какие электроны являются валентными? Объясните, почему у элементов одной группы – хлора и фтора разные валентные возможности.
32.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 12, 26, 35 в основном и возбужденном состоянии. В каком периоде, группе, подгруппе находится каждый из этих элементов? К какому электронному семейству они относятся? Какие электроны являются валентными? Какой подуровень в атоме брома заполняется раньше: а) 3d или 4s; б) 3d или 4p? Объясните на основании правил Клечковского.
33.Какие четыре квантовых числа определяют состояние электрона в атоме? Дайте характеристику этих квантовых чисел. Какие значения может принимать каждое из них? Напишите электронную и электронно-графическую формулу атома мышьяка и охарактеризуйте квантовыми числами его валентные электроны. В каком периоде, группе, подгруппе находится мышьяк, к какому электронному семейству он относится?
34.Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m при орбитальном квантовом числе: а) l = 0; б) l =1; в) l =2; г) l =3? Какие элементы в периодической системе носят название s-, p-, d-, f-элементов? Приведите примеры этих элементов и напишите их электронные и электронно-графические формулы. Укажите период, группу, подгруппу, в которых находятся эти элементы.
35.Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n=3, l=1? Чему равно для них значение магнитного квантового числа? Должны ли они иметь антипараллельные спины? Напишите электронную и электронно-графическую формулу атома этого элемента. В каком периоде, группе, подгруппе находится этот элемент? К какому электронному семейству он относится? Какие электроны являются валентными?
36.На основании правил Клечковского объясните, какие орбитали заполняются раньше: а) 4s или 3d; б) 5s или 4d? Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 34 и 46, учитывая, что последний, находясь в пятом периоде, на пятом энергетическом уровне не содержит ни одного электрона. Укажите период, группу, подгруппу в которых находится каждый из этих элементов. К какому электронному семейству они относятся?
37.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24, 33, 37 в основном и возбужденном состояниях. Укажите, к какому электронному семейству относится каждый из этих элементов. Какие электроны являются валентными?
38.Дайте формулировку принципа Паули и правила Хунда. Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по энергетическим ячейкам, соответствующим низшему энергетическому состоянию, для атомов элементов с порядковыми номерами 14, 23, 37. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Какие электроны являются валентными?
39.В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р7- или d12-электронов? Почему? Напишите электронные электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 34 и 40. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Какие электроны являются валентными?
40.Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 7,32,42. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов? Какие электроны являются валентными? Охарактеризуйте с помощью квантовых чисел p - электроны атома азота.