Периодический закон и периодическая система
Химических элементов Д.И. Менделеева
Типовые задачи и их решение
1. Главное квантовое число n = 3. Какие значения принимают орбитальное и магнитное квантовые числа? Какова емкость данного уровня?
Решение.Орбитальное квантовое число l принимает значения: 0, 1, 2, …, (n – 1), а магнитное ml : –l ,…, 0, …, +l . Следовательно, при n = 3 орбитальное квантовое число будет иметь значения: 0, 1, 2, что отвечает трем под-уровням: s, p, d соответственно.
Магнитное квантовое число будет принимать значения при l= 0
(s-подуровень): ml= 0; при l = 1 (р-подуровень): ml = –1, 0, +1; при l = 2
(d-подуровень), ml = –2, –1, 0, +1, +2.
Емкость третьего (М) энергетического уровня составляет: 2n2 или 2∙32 = = 18 электронов (3s2 3p6 3d10).
2.Написать электронную формулу и краткую электронную схему элемента с порядковым номером Z = 22. К какому электронному семейству, периоду, группе, подгруппе он принадлежит? Указать конкурирующие подуровни.
Решение. Элементом с порядковым номером 22 является титан (Ti). Электронная формула имеет вид:
22Ti 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2.
Два первых квантовых уровня (K, L) полностью заполнены, поэтому электронную схему можно записать в кратком виде:
22Ti KL s p d
| ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | | | |||||
| ¯ |
Титан относится к d-семейству , т.к. у него заполняется d-подуровень. 4s 3dявляются конкурирующими подуровнями. Он находится в четвертом периоде, т.к. заполняется четвертый энергетический уровень (максимальное n равно 4), в четвертой группе: сумма электронов на конкурирующих подуровнях равна 4 (4s2 3d2),в побочной подгруппе – заполняются внешний и предвнешний энергетические уровни.
3.Сколько валентных электронов содержит атом с порядковым номером Z = 15 в нормальном и возбужденном состояниях?
Решение. Элемент с порядковым номером Z = 15 – фосфор имеет электронную схему внешнего уровня:
15Р KL s p d
| ¯ | | | |
в нормальном состоянии.
Количество валентных (неспаренных) электронов равно 3.
В возбужденном состоянии:
15Р* KL s p d
| | | | | |
количество валентных электронов равно 5.
4.Представить электронную формулу элемента с порядковым номером Z = 29. Какая аномалия наблюдается в электронной структуре атома этого элемента, чем она объясняется? К какому электронному семейству принадлежит данный элемент?
Решение. Элементом с порядковым номером Z = 29 является медь (Cu). Электронная формула имеет вид:
29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10.
У меди наблюдается «провал» электрона с 4s-на 3d-подуровень, что обусловлено более выгодным энергетическим состоянием всего атома: система …4s1 3d10 имеет меньший запас энергии, чем система …4s2 3d9. Элемент относится к d-семейству, т.к. идет заполнение 3d-подуровня.
5. Объяснить, почему фтор всегда имеет валентность равную 1, а хлор проявляет переменную валентность от 1 до 7?
Решение.Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо обратиться к электронным схемам в нормальном и возбужденном состояниях атомов этих элементов.
9F К 2 s р
| ¯ | ¯ | ¯ | |
У атома фтора возбужденного состояния не может быть, т.к. все квантовые орбитали (ячейки) на 2р-подуровне заняты электронами и возможности их распаривания нет, поскольку на втором энергетическом уровне имеются только энергетические s- и р-подуровни.
17Сl KL 3 s p d
| ¯ | ¯ | ¯ | |
В нормальном состоянии хлор имеет один неспаренный электрон, т.е. его валентность равна 1.
У хлора могут быть возбужденные состояния, поскольку валентные электроны находятся на третьем энергетическом уровне, который имеет энергетические s-, p-, d-подуровни. d-подуровень имеет свободные квантовые орбитали (ячейки), которые при возбуждении атома могут занять электроны с 3s- и 3р- подуровней:
17Сl* KL 3 s p d
| ¯ | ¯ | | | | ||||||
| ¯ | | | | | | |||||
| | | | | | | |
Хлор имеет три возбужденных состояния и валентность его соответственно равна 3, 5, 7.
6.Охарактеризовать свойства кремния по его положению в таблице Д.И.Менделеева.
Решение.Кремний имеет порядковый номер Z = 14. В атоме кремния 14 протонов в ядре и столько же электронов в оболочке. Количество нейтронов (Nn ) считается по разнице между атомной массой (A = 28) и порядковым номером (Z = 14): Nn = A – Z = 28 – 14 = 14.
Электронная формула: 14Si 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2.
Электронная схема: KL 3 s p
| ¯ | | |
в нормальном состоянии.
В возбужденном состоянии: 14Si* KL 3 s p
| | | | |
Валентные электроны находятся на энергетических s- и р-подуровнях третьего энергетического уровня. Кремний проявляет в нормальном состоянии валентность равную 2, а в возбужденном – четыре (количество неспаренных электронов).
Кремний находится: в 3 периоде (максимальное значение n = 3), четвертой группе (сумма валентных электронов равна 4), главной подгруппе (заполняется внешний уровень). Он принадлежит к р-семейству (последним заполняется р-подуровень).
Оксид кремния (IV) проявляет кислотные свойства, поскольку слева от кремния в таблице размещен алюминий, являющийся амфолитом, а справа – фосфор – неметалл, способный образовывать кислоты. Кремниевая кислота должна быть слабой.
Такой вывод можно сделать на основании того, что в пределах периода слева направо восстановительные (металлические) свойства ослабевают, а окислительные (неметаллические) – усиливаются (за счет увеличения количества электронов на внешнем уровне, уменьшения радиуса, увеличения энергии ионизации и сродства к электрону).
7. У элементов 5 периода I группы с порядковыми номерами 37 и 47 имеется одинаковая электронная конфигурация внешнего уровня 5s1. Почему эти элементы находятся в разных подгруппах? Ответ мотивировать электронным строением атомов этих элементов. Определить принадлежность данных элементов к электронному семейству. Какими свойствами обладают атомы этих элементов?
Решение. Элемент с порядковым номером 37 – рубидий. Его электронная формула:
37Rb 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1.
Элемент находится в главной подгруппе, т. к. идет заполнение внешнего уровня n = 5. Рубидий относится к электронному s-семейству.
Элемент с порядковым номером 47 – серебро.
Электронная формула:
47Ag 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10.
Серебро находится в побочной подгруппе, т.к. идет заполнение внешнего и предвнешнего энергетических уровней (конкурирующие подуровни). У серебра наблюдается “провал” электрона с 5s-на 4d-подуровень, который объясняется более выгодным энергетическим состоянием атома (минимальный запас энергии). Серебро относится к d-семейству, т.к. последним заполняется d-подуровень.
Эти элементы обладают восстановительными свойствами (металлическими), т.к. на внешнем энергетическом уровне имеют по одному электрону, который они способны легко отдать.
8.Марганец и бром находятся в 4 периоде, в VII группе. На основании электронных формул атомов этих элементов определить их принадлежность к электронному семейству. Объяснить, почему эти элементы находятся в разных подгруппах и обладают противоположными свойствами?
Решение.Электронная формула марганца:
25Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5.
Он принадлежит к d-семейству, находится в побочной подгруппе, т. к. идет заполнение конкурирующих энергетических подуровней (внешнего и предвнешнего энергетических уровней). Марганец проявляет восстановительные (металлические) свойства, т.к. на последнем – четвертом энергетическом уровне имеется 2 электрона, которые он способен легко отдать.
Электронная формула брома:
35Br1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5.
Он принадлежит к р-семейству, находится в главной подгруппе, т.к. у него идет заполнение электронами только последнего уровня (4s24p5). Брому до завершения р-подуровня необходим 1 электрон, следовательно, он проявляет окислительные (неметаллические) свойства.
9.Записать полную электронную формулу атома элемента, которая заканчивается в нормальном состоянии электронной конфигурацией, отраженной данными квантовыми числами:
n = 3;
l = 2;
ml = −2, −1, 0 +1, +2;
ms = +1/2, +1/2, +1/2, +1/2, +1/2, −1/2, −1/2, −1/2.
Определить: элемент, его положение в периодической системе, свойства.
Решение.Окончание электронной формулы атома будет: 3d8,т.к. заполняется 3 энергетический уровень (n =3); d-подуровень (l =2), а количество электронов равно 8. Запишем полную электронную формулу:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8.
Сумма всех электронов у данного атома равна 28, следовательно, Z = = 28. Этим элементом является никель – Ni.
Никель расположен в 4 периоде (максимальное n равно 4), VIII группе, побочной подгруппе (заполняются конкурирующие энергетические подуровни). Относится к d-семейству. Обладает восстановительными (металлическими) свойствами, т. к. на внешнем четвертом уровне имеет 2 электрона, которые способен легко отдавать.
10. У какого элемента: азота или мышьяка, более выражены окислительные (неметаллические) свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из электронной структуры их атомов, величин энергий ионизации (Еи As =
= 9,81 эВ, Еи N = 14,54 эВ), радиусов этих атомов.
Решение.Электронная формула азота: 7N1s2 2s2 2p3 .
Электронная формула мышьяка:
33As1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3.
Исходя из электронной конфигурации атомов, можно сделать вывод, что радиус атома мышьяка больше, чем атома азота, т.к. у мышьяка идет заполнение четвертого энергетического уровня, а у азота – второго. Поэтому азоту легче присоединить 3 электрона, недостающие до завершения второго энергетического уровня, чем мышьяку. Следовательно, азот будет в большей степени проявлять окислительные свойства, чем мышьяк. Об этом свидетельствуют и величины энергий ионизации: необходимо затратить больше энергии для отрыва электрона от атома азота, чем от атома мышьяка.
Контрольные задачи
1. Записать полную электронную формулу атома элемента, электронная конфигурация которой заканчивается следующими квантовыми числами: n = 3; l = 2; ml = −2, −1, 0, +1, +2; ms = +1/2, +1/2, +1/2. Определить данный элемент. Записать его электронные схемы в нормальном и возбужденном состояниях. Какую максимальную валентность может проявлять данный элемент? Объяснить: почему он находится в 4 периоде, V группе, побочной подгруппе, к какому электронному семейству относится?
2.На основании электронных формул и электронных схем объяснить постоянную валентность у атома кислорода и переменную – у атома серы, находящихся в VI группе главной подгруппе.
3.На примере атомов элементов 2-го периода Периодической системы объяснить изменения:
- радиуса,
- электроотрицательности,
- свойств (восстановительных, окислительных), написав их электронные формулы.
4.У какого атома элемента: магния или бария, более выражены восстановительные свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из:
- электронной структуры атомов,
- их радиусов,
- электроотрицательностей.
5.Фтор и бром находятся в VII группе главной подгруппе Периодической системы, имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня s2p5.Исходя из строения атомов этих элементов, их радиусов, электроотрицательности, объяснить: фтор или бром проявляет в большей степени окислительные свойства? Почему фтор проявляет валентность равную только 1, а бром может иметь переменную: 1, 3, 5, 7? Объяснить, написав электронные схемы атомов фтора и брома в нормальном и возбужденных состояниях.
6.Углерод и титан находятся в 4 группе Периодической системы. На основании электронных формул и электронных схем элементов определить их валентность в нормальном и возбужденном состояниях, принадлежность к электронным семействам. Объяснить, почему атомы этих элементов находятся в разных подгруппах и обладают противоположными свойствами?
7.Сера и хром находятся в VI группе Периодической системы. Объяснить, почему хром проявляет восстановительные (металлические), а сера – окислительные (неметаллические) свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из электронного строения атомов этих элементов, величины их электроотрицательности. К каким электронным семействам принадлежат сера и хром? Имеют ли атомы этих элементов возбужденные состояния? Ответ подтвердить, написав их электронные схемы. Чем объясняется «провал» электрона у атома хрома?
8.Германий и свинец находятся в IV группе главной подгруппе, имеют одинаковую конфигурацию внешнего энергетического уровня: s2p2. На основании электронного строения атомов этих элементов объяснить изменение в главной подгруппе: радиуса, электроотрицательности, свойств. Какую валентность могут проявлять атомы этих элементов в нормальном и возбужденном состояниях? Поясните, написав их электронные схемы.
9.У какого элемента – фосфора или сурьмы более выражены окислительные (неметаллические) свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из: электронной структуры атомов, их радиусов, величин электроотрицательностей. Какую валентность могут иметь атомы данных элементов в нормальном и возбужденном состояниях? Ответ мотивируйте электронными схемами. К какому электронному семейству принадлежат эти элементы?
10.На примере р-элементов 4 периода объяснить изменение: радиуса атомов, энергии ионизации и сродства к электрону, их свойств. Ответ дать на основании строения атомов этих элементов, написав их электронные формулы и электронные схемы.
11.Почему углерод и олово находятся в IV группе главной подгруппе, а обладают противоположными свойствами? Дать обоснованный ответ, исходя из их электронного строения, радиусов атомов, электроотрицательности. Могут ли атомы этих элементов проявлять валентность, равную номеру группы, в которой находятся? Объяснить, написав их электронные схемы.
12. Электронная формула атома элемента заканчивается следующими квантовыми числами: n = 5; l = 1; ml = −1, 0, +1; ms = +1/2, +1/2. Дать характеристику квантовым числам. Записать полную электронную формулу. Определить элемент. К какому электронному семейству он принадлежит? Определить спин-валентность данного атома в нормальном и возбужденном состояниях, записав электронные схемы. Какими свойствами обладает атом этого элемента и почему?
13. Кислород и селен находятся в главной подгруппе VI группы периодической системы. Почему кислород имеет спин-валентность равную 2, а селен может иметь cпин-валентность равную: 2, 4, 6? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов данных элементов. Как изменяются радиус и свойства атомов элементов в главной подгруппе VI группы?
14. Литий и калий находятся в главной подгруппе I группы периодической системы. Записать электронные формулы и схемы атомов этих элементов. К какому электронному семейству они относятся? Как изменяются радиус и свойства атомов элементов в главной подгруппе I группы?
15. Натрий и серебро находятся в I группе, но в разных подгруппах. Почему ? Объяснить, написав электронные формулы атомов этих элементов. Учесть, что у одного из атомов имеется "провал" электрона. К каким электронным семействам они принадлежат ? Какими свойствами обладают: окислительными, восстановительными, металлическими, неметаллическими ?
16. Натрий и хлор находятся в третьем периоде периодической системы, но в разных группах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов этих элементов. К каким электронным семействам они относятся? Объяснить, почему атом хлора может иметь переменную спин-валентность? Пояснить, написав электронные схемы возбужденных состояний. Как изменяются радиус и свойства атомов элементов третьего периода?
17. Алюминий и скандий находятся в третьей группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов этих элементов в нормальном состоянии. К каким электронным семействам они относятся? Записать электронные схемы этих атомов в возбужденном состоянии. Определить спин-валентность в разных состояниях. Какими свойствами обладают атомы этих элементов: окислительными или восстановительными? Объяснить, почему?
18. Углерод и свинец находятся в главной подгруппе IV группы периодической системы. Почему? Объяснить, записав электронные формулы и схемы атомов этих элементов. К какому электронному семейству они принадлежат? Чему равна спин-валентность атомов элементов в нормальном и возбужденном состояниях? Пояснить, написав электронные схемы. Как и почему изменяются свойства элементов главной подгруппы IV группы?
19. Фосфор и ванадий находятся в V группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов данных элементов. Указать валентные электроны. Чему равна спин-валентность данных атомов в нормальном и возбужденном состояниях. Записать электронные схемы фосфора и ванадия в возбужденных состояниях. К каким электронным семействам они относятся? Какими свойствами обладают атомы этих элементов и почему?
20. Азот и висмут находятся в главной подгруппе V группы периодической системы. Почему? Объяснить, написав электронные формулы атомов этих элементов. Указать валентные электроны. Изменяется ли спин-валентность этих атомов в возбужденном состоянии? Пояснить, написав электронные схемы. Как изменяются свойства атомов в главной подгруппе V группы и почему?
21. Объяснить периодичность изменения свойств атомов элементов:
Li → F → Na. Написать их электронные формулы. Как у них изменяются: радиус, электроотрицательность, свойства? Почему? Объяснить, почему атомы этих элементов не имеют возбужденного состояния? Какая спин-валентность атомов данных элементов? Записать их электронные схемы.
22. Марганец и хлор находятся в VII группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы атомов данных элементов. Указать валентные электроны. К каким электронным семействам относятся марганец и хлор? Чему равна спин-валентность этих атомов в нормальном и возбужденном состояниях? Написать электронные схемы атомов марганца и хлора в нормальном и возбужденных состояниях. Какими свойствами обладают атомы марганца и хлора? Почему?
23. Назвать квантовые числа, характеризующие энергетическое состояние электрона в атоме. Объяснить, как отражены эти числа в электронной конфигурации 5p5. Записать полную электронную формулу, учитывая, что она заканчивается электронной конфигурацией 5p5. Определить элемент. Указать валентные электроны. Записать электронные схемы атома в нормальном и возбужденном состояниях. Определить спин-валентность в разных состояниях. Какими свойствами обладает атом данного элемента? Почему?
24. В структуре внешних электронных уровней атомов различных элементов имеются конфигурации: а) 5s25p4; б) 4d55s1. Написать полные электронные формулы атомов этих элементов. Определить их. Объяснить, почему они находятся в одном периоде, в одной группе, но в разных подгруппах? К каким электронным семействам относятся атомы этих элементов? Записать электронные схемы атомов данных элементов в нормальном и возбужденном состояниях. Учесть, что у одного из атомов имеется "провал" электрона. Какова спин-валентность в разных состояниях? Какими свойствами обладают атомы этих элементов и почему?
25. Написать электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 23 и 33. К каким электронным семействам они относятся? Указать валентные электроны. Почему элемент с порядковым номером 33 находится в главной подгруппе, а элемент под номером 23 – в побочной? Записать электронные схемы атомов этих элементов в нормальном и возбужденном состояниях. Чему равна их спин-валентность в разных состояниях? Какими свойствами обладают атомы этих элементов и почему?
26. Дать характеристику энергии ионизации и сродства к электрону. Как изменяются эти величины и радиус атомов элементов с увеличением порядкового номера в пределах одного периода? Иллюстрировать эти изменения на р-элементах 5 периода, написав их электронные формулы. Как изменяются их свойства?
27. Какая способность атома элемента характеризует: а) металли-
ческие, б) неметаллические свойства? Как изменяются эти свойства у
р-элементов VI группы периодической системы? Объяснить, написав электронные формулы атомов этих элементов.
28. Объяснить причину периодического изменения свойств атомов элементов, исходя из строения их атомов. Написать электронные формулы и схемы атомов Li и Na, F и Cl в нормальном и возбужденном состояниях. Сопоставить их свойства.
29. Чем обусловлено значительное сходство в свойствах d-элементов? Ответ иллюстрировать на примере d-элементов 4 периода периодической системы, написав электронные формулы и схемы атомов данных элементов.
30. Как изменяются свойства атомов элементов с увеличением порядковых номеров в периодах и главных подгруппах периодической системы? Ответ иллюстрировать на примерах s-элементов I группы и элементов 2 периода периодической системы, написав их электронные формулы. Назвать самый активный металл и самый активный неметалл.