Занятие 2. Строение атома. Химическая связь и строение молекул

Цель занятия:

Сформировать современные представления о строении атома, о природе химической связи, её влиянии на строение и свойства химических соединений; а также развить культуру речи, логичность и глубину мышления, умение работать с литературой.

Задачи:

Научиться:

· пользоваться системой квантовых чисел для характеристики энергетического состояния электрона в атоме и молекуле;

· составлять электронные формулы атомов элементов и на основании последних уметь определять положение элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, принадлежность к семейству элементов (s-, p-, d-, f-), свойства простых веществ (окислитель, восстановитель и т. д.);

· составлять электронно-графические формулы (спиновые схемы) атомов элементов и на основании последних определять валентность атомов элементов в основном и возбужденном состояниях;

· на основании положения элемента в периодической системе определять величину радиуса атома, энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности и сравнивать их со значениями этих величин атомов других элементов.

Научиться определять:

· с позиции метода валентных связей (МВС) кратность, прочность и тип (σ, π) связи;

· влияние направленности связи на строение (пространственную конфигурацию) молекул;

· тип гибридизации атомов элементов в простейших соединениях и её влиянии на пространственную конфигурацию молекул;

· предсказывать физико-химические свойства соединений в зависимости от их строения (типа химической связи).

Содержание занятия:

1. Обсуждение вопросов по теме занятия.

2. Контроль усвоения темы (устный или письменный опрос).

Вопросы, предлагаемые для обсуждения на занятии:

1. Квантово-механическая модель атома. Дуализм электрона. Уравнение де Бройля. Вероятностный характер движения электрона в атоме. Принцип неопределенности Гейзенберга. Электронное облако. Атомная орбиталь.

2. Характеристика энергетического состояния электрона в атоме системой квантовых чисел: главное (n), орбитальное (l), магнитное (m) и спиновое (s) квантовые числа; их физический смысл и взаимосвязь.

3. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Максимальное число электронов на орбиталях, подуровнях и уровнях.

4. Принцип минимума энергии. Последовательность заполнения электронами атомных орбиталей. Электронные формулы элементов; s-, p-, d-, f-элементы.

5. Заполнение электронами атомных орбиталей одного подуровня, правило Хунда. Электронно-графические формулы (спиновые схемы) элементов.

6. Связь между электронным строением атомов и положением элементов в периодической системе: s-, p-, d-, f- семейства элементов.

7. Радиусы атомов. Закономерности изменения радиусов атомов, энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности s- и p- элементов (по группам и периодам).

8. Основное и возбужденное состояние атома.

9. Метод валентных связей. Основные положения метода. Механизм и способы образования ковалентной химической связи. Валентность. Максимальная валентность. Валентно-насыщенное и валентно-ненасыщенное состояние атома (на примере элементов II периода). Длина связи. Энергия связи.

10. Направленность химической связи. Влияние направленности связи на пространственную конфигурацию молекул типа АА, АВ, А₂В, А₃В. Насыщаемость, кратность связи.

11. Гибридизация атомных орбиталей атомов Ве, В, С на примере образования молекул ВеН₂, ВН₃, СН₄ .

12. σ- и π-Связи.

13. Понятие о нелокализованной π-связи.

14. Полярность и поляризуемость химической связи. Дипольный момент связи (постоянный и индуцированный). Полярная и неполярная ковалентная связь. Ионная связь как предельно поляризованная ковалентная связь. Степень окисления атомов. Гомо- и гетеролитический разрыв связи.

15. Водородная связь. Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь. Роль водородной связи в процессах ассоциации, растворения и биохимических процессах.

Контрольные вопросы и задачи

1. Вычислить массу фотона, соответствующего длине волны
λ = 589·10^-9 м (h = 6.626 × 10^-34 Дж/с).

2. Значением какого квантового числа определяется размер электронного облака и энергии электрона? Какие возможные значения может принимать данное квантовое число?

3. Главное квантовое число n = 3. Сколько возможных значений будет иметь орбитальное квантовое число?

4. Значением какого квантового числа определяется форма электронного облака?

5. Какая форма электронного облака соответствует значению квантового числа l = 1?

6. Значениями какого квантового числа определяется ориентация атомных орбиталей в пространстве?

7. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого равно 2?

8. Электронная формула атома имеет вид 1s²2s²2p⁶3s¹ . Укажите и объясните, к какому периоду, группе периодической системы элементов и семейству (s, p, d, f) относится данный элемент?

9. Среди приведенных ниже электронных конфигураций укажите невозможные и объясните причину невозможности их реализации:

а) 1p³, б) 3p⁶, в) 4s², г) 2d⁴, д) 2p⁷, е) 3f⁸, ж) 4d¹⁰

10. Сколько вакантных d-орбиталей имеется в атоме титана? Напишите для него электронно-графическую формулу (спиновую схему) d-подуровня.

11. Укажите способы образования химических связей в ионе NH₄⁺.

12. Дайте определение валентности. Приведите графические формулы следующих соединений: Mn₂O₃, MnO₃, Mn₂O₇, и определите валентность марганца в них.

13. Укажите тип связи в соединениях:

а) NaCl, б) Br₂ , в) NH₃.

14. Руководствуясь разностью относительных электроотрицательностей (ОЭО) атомов элементов в связи Э–О, определите, как меняется характер связи в оксидах элементов III периода периодической системы элементов (ОЭО Na – 0.9; Mg – 1.2; Al – 1.5; Si – 1.8; P – 2.1; S – 2.5; Cl – 3.0; O – 3.5).

15. Что такое гибридизация атомных орбиталей? Какой тип гибридизации орбиталей атома кремния предшествует образованию молекулы SiH₄? Какова её пространственная структура?

16. У какого из ионов: Na⁺ или Clˉ – поляризующая способность выше?