Пример решения 1.1

 

Элемент 34Se(Селен)

 

1.1.1. Исходя из положения данного элемента в таблице Д.И. Менделеева (Приложение I) определяем, что селен, имеющий порядковый номер 34, находится в 4 периоде и VI A группе.

1.1.2. Чтобы записать электронную формулу атома селена воспользуемся общей формулой распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f145d2-106p67s26d15f146d2-10 ..., и представленной ниже схемой (рис. 1.1), на которой показаны валентные электроны, т. е. электроны, участвующие в связи. Записываем электронную формулу, валентные электроны и определяем, к какому семейству относится данный элемент.

Электронная формула селена: 1s22s22p63s23p64s23d104p4. Валентные электроны находятся на 4-м энергетическом уровне: 4s24p4. Так как последний электрон на р-подуровне, то селен относится к элементам р-семейства.

 
 

Рис. 1.1. Схема распределения валентных электронов для атомов элементов в семействах (s, p, d, f):

n – номер периода, цифрами указано возможное количество валентных электронов

 

 

1.1.3. Чтобы записать степени окисления элемента, нужно иметь ввиду, что степень окисления – это условный заряд атома в соединении, указывающий сколько электронов оттянуто или притянуто к атому элемента. Все металлы способны только отдавать электроны, они находятся слева от границы Цинтля, проходящей по линии, соединяющей элементы 5В и 85At. Отдавая электроны, атом элемента приобретает положительный заряд. Все металлы являются восстановителями. Справа от границы Цинтля находятся элементы, которые являются окислителями.

Самый электроотрицательный элемент – 9F. Это самый сильный окислитель. Фтор способен только принимать электроны и, кроме степени окисления, равной "0" (в соединении F2) может иметь степень окисления 1-. Остальные элементы, расположенные между границей Цинтля и фтором, несмотря на преимущественные окислительные свойства могут как отдавать, так и принимать электроны и имеют степени окисления как со знаком "+", так и со знаком "-" в зависимости от атома элемента, вступающего с ним в связь. Знаки при степенях окисления показаны на схеме (рис. 1.2).

 

 
 

 
 

Рис. 1.2. Знаки степеней окисления элементов

в таблице Д.И. Менделеева

 

Чтобы определить степени окисления селена записываем валентные электроны для селена в нормальном состоянии.

 

 

       
   
 

 

Согласно схеме (рис. 1.2), селен может не только принимать, но и отдавать электроны.

Учитывая число "посадочных мест", определяем, что селен может принять 1 или 2 электрона, а имея в виду, что неспаренных электронов также 2, делаем вывод, что селен может отдать 1 или 2 электрона. Селен в нормальном состоянии имеет следующие степени окисления: 2–, 1–, 0, 1+, 2+, устойчивыми из них являются 2–, 0, 2+.

Далее записываем валентные электроны для селена в возбужденном состоянии. При получении дополнительной энергии происходит распаривание неподеленных пар электронов. Электроны переходят в более высокое энергетическое состояние. Следует отметить, что переход электронов происходит только в пределах внешнего уровня, в данном случае четвертого.

 
 

       
   
 

 
 

 

В возбужденном состоянии увеличиваются возможности селена к отдаче электронов, поэтому теоретически возможные степени окисления Se в возбужденном состоянии атома следующие: 2-, 1-, 0, 1+, 2+, 3+, 4+, 5+, 6+. Однако устойчивыми степенями окисления являются: 2-, 0, 2+, 4+, 6+.

Приведем примеры соединений, в которых селен имеет различные степени окисления (табл. 1.1). В случае затруднений при ответе на данный вопрос следует воспользоваться учебниками по химии для ВУЗов.

Таблица 1.1

 

Степень окисления Формула соединения Название
Se Селен
2- H2Se Селенистый водород
4+ H2SeO3 Селенистая кислота
6+ H2SeO4 Селеновая кислота

 

1.1.4. В справочной литературе приводятся разные выражения для радиуса атома (металлический, орбитальный, эффективный и др.). За эффективный радиус атома принимают половину расстояния между ядрами атомов, связанных в молекулу в ее устойчивом состоянии.

Потенциал ионизации, I (эВ/атом) – это потенциал, который надо приложить к одиночному атому или иону, чтобы оторвать от него электрон. Энергия ионизацииимеет аналогичный смысл и выражается в размерности энергии: кДж/моль.

Энергия сродства к электрону, F,(кДж/моль)– энергетический эффект присоединения электрона к нейтральному атому или иону.

Электроотрицательность, (Э.О.) характеризует способность атома, как принимать, так и отдавать электроны.

Все свойства атома определяются силами взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. При движении по периодам и группам таблицы Д.И. Менделеева (сверху вниз) заряд ядра и суммарный заряд электронов увеличиваются, и силы притяжения между ними возрастают. Однако следует иметь ввиду, что, если заряд ядра можно условно рассматривать как точечный, то электроны распределяются по энергетическим уровням. С увеличением числа уровней (слоев) электроны удаляются от ядра, и силы притяжения между ядром и электронами ослабляются. Далее надо учесть, что каждый уровень "расщепляется" на подуровни. Среди подуровней появляются d- и f-подуровни, наиболее плотно заполненные электронами. Начинает действовать эффект d- и f-сжатия, конкурирующий с удалением электронов от ядра.

Рассмотрим изменение свойств атомов элементов по периоду слева направо:

1) заряд ядра и суммарный заряд электронов увеличиваются – сила притяжения между ядром и электронами возрастает;

2) число энергетических уровней остается постоянным;

3) у элементов больших периодов заполняется d-подуровень (а начиная с 6 периода и f-подуровень) – действует эффект d- и f-сжатия.

В конечном итоге: сила притяжения между ядром и электронами возрастает, радиус атома уменьшается, потенциал ионизации увеличивается, восстановительная активность снижается, усиливаются окислительные свойства и электроотрицательность.

Рассмотрим изменение свойств атомов s- и p-элементов (по группам сверху вниз):

1) заряд ядра и суммарный заряд электронов возрастают;

2) число энергетических уровней увеличивается, электроны уда-ляются от ядра, и сила притяжения уменьшается;

3) d- и f-сжатие действует слабо, так как эти электроны остаются во внутренних оболочках.

Таким образом, по группе сверху вниз: радиус атома увеличивается; потенциал ионизации уменьшается, восстановительная активность возрастает, а окислительные свойства и электроотрицательность уменьшаются.

Проанализируем изменение свойств атомов d-элементов по группе сверху вниз (правая часть d-семейства):

1) заряд ядра и суммарный заряд электронов возрастают;

2) число энергетических уровней увеличивается, но незначи-тельно;

3) очень сильно действует эффект d и f-cжатия, так как d- и f- подуровни все более близки к заполнению.

В результате – радиус атома уменьшается, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность также уменьшается.

Следует иметь в виду, что, если элемент находится в левой части d-семейства, эффект d- и f-сжатия действует слабо, так как на d- и f-подуровнях еще мало электронов. Поэтому сохраняются закономерности, характерные для изменения по группам свойств s- и p-элементов.

Данный элемент (селен) относится к семейству р-элементов. По периоду слева направо от калия до криптона сила взаимодействия между ядром и электронами увеличивается, радиус атома уменьшается, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность возрастает.

По группе сверху вниз от кислорода до полония сила взаимодействия между ядром и электронами возрастает, радиус атома уменьшается, восстановительная активность уменьшается, электроотрицательность уменьшается.

 

Рассмотрим следующий элемент.

 

Элемент 92U (Уран)

 

1.1.1. Уран в таблице Д.И. Менделеева находится в 7 периоде, относится к актиноидам и включен в III В группу длиннопериодного варианта таблицы Д.И. Менделеева.

1.1.2. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням следующее:

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f145d2-106p67s26d15f3. Так как последний электрон находится на f-подуровне, то уран относится к f-семейству.

 
 

1.1.3. Валентные электроны U: 7s26d15f3.

           
     
 

Электрон 6d может "провалиться" на 5f, так как при этом формируется более устойчивое состояние. Эти состояния являются равновероятными.

 
 

Так как число неспаренных электронов равно 4 и уран находится слева от границы Цинтля, то теоретически возможные степени окисления имеют следующие значения: 0, 1+, 2+, 3+, 4+, при этом наиболее устойчивыми являются: 0, 2+. 3+. 4+.

 
 

При возбуждении происходит распаривание 7s электронов и переход на 7p подуровень.

 
 

 

Наиболее устойчивые степени окисления: 0, 1+,2+,3+,4+,5+,6+.

Некоторые соединения урана приведены в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2

 

Степени окисления Формула соединения Название
U Уран
3+ UCl3 Хлорид урана
4+ UO2 Оксид урана
5+ UF5 Фторид урана

 

1.1.4. По периоду слева направо сила взаимодействия между ядром и электронами увеличивается, радиус атома уменьшается, потенциал ионизации возрастает, восстановительная активность уменьшается, окислительная способность возрастает, электроотрицательность возрастает.

По группе сверху вниз значительно увеличивается число энергетических уровней, электроны удаляются от ядра, что ослабляет силу притяжения между ядром и электронами. Поэтому, несмотря на d- и f-сжатие, которое в левой части d- и f-семейств действует слабо, сила притяжения электронов к ядру уменьшается, радиус атомов возрастает, потенциал ионизации и восстановительная активность увеличиваются, электроотрицательность уменьшается.

Далее по аналогии даем описание еще 2-х элементов, соответствующих Вашему варианту (табл. I.1).

 

Таблица I.1

 

Номер Символы химических элементов
варианта s- p- d- f-
87Fr 5B 80Hg 71Lu
88Ra 6C 79Au 70Yb
56Ba 7N 78Pt 69Tm
55Cs 8O 77Ir 68Er
38Sr 9F 76Os 67Ho
37Rb 13Al 75Re 66Dy
55Cs 14Si 74W 65Tb
56Ba 15P 73Ta 64Gd
87Fr 16S 72Hf 63Eu
88Ra 17Cl 57La 62Sm
56Ba 31Ga 89Ac 61Pm
55Cs 32Ge 104Rf 60Nd
87Fr 33As 105Db 59Pr
88Ra 34Se 106Sg 58Ce
20Ca 35Br 48Cd 90Th
4Be 50Sn 47Ag 91Pa
3Li 51Sb 46Pd 92U
38Sr 52Te 45Rh 93Np
20Ca 53I 44Ru 94Pu
37Rb 49In 43Tc 95Am
19K 81Tl 42Mo 96Cm
12Mg 82Pb 41Nb 97Bk
11Na 83Bi 40Zr 98Cf
4Be 84Po 39Y 99Es
3Li 85At 30Zn 100Fm
19K 81Tl 29Cu 101Md
20Ca 82Pb 28Ni 102No
11Na 83Bi 27Co 103Lr
12Mg 84Po 26Fe 98Cf
38Sr 85At 25Mn 99Es

 

 

Тема II. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Задание 2.1. Для двух, указанных по варианту молекул (табл. II.1), с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:

2.1.1. Каков тип гибридизации центрального атома в молекуле и валентный угол между связями?

2.1.2. Какова пространственная структура молекулы?

2.1.3. Сколько σ- и π-связей содержит молекула?

2.1.4. Определить полярность связей и полярность молекулы в целом.