Химическая кинетика и равновесие 1 страница

СТРОЕНИЕ АТОМА

Решение типовых задач

Пример 1.1.Дано значение одного из четырех квантовых чи-сел, например, n = 4. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел: n, l, m_l,m_s. Приведите характеристику каждого квантового числа и его возможные значения.

Р е ш е н и е

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Ввиду того, что n определяет основную характеристику электрона в атоме – квантованность его энергии, эта величина получила название главного квантового числа. Главное квантовое число характеризует энергетический уровень, чем больше n, тем выше энергия квантового состояния. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, … ∞.

Орбитальное квантовое число l характеризует форму орбитали, а также энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальное квантовое число зависит от главного и принимает набор целочисленных значений: 0, 1, 2, 3, …до (n – 1).

Для указания подуровней и соответствующих им орбиталей используют буквенные обозначения: s, p, d, f …

Согласно квантовомеханическим расчетам s-орбитали имеют форму сферы, р-орбитали – форму гантели, d- и f-орбитали более сложные формы.

Следует учесть, что чем выше номер энергетического уровня, тем большим набором форм орбиталей он характеризуется. Например:

Главное квантовое число, n	Орбитальное квантовое число, l	Обозначение орбитали
		1s
	0, 1	2s, 2p
	0, 1, 2	3s, 3p, 3d
	0, 1, 2, 3	4s, 4p, 4d, 4f

Таким образом, для электрона первого энергетического уровня (n = 1) возможна только одна форма орбитали, для второго (n = 2) возможны две формы орбиталей и т.д.

В зависимости от формы, орбитали одного уровня отличаются по энергии, т.е. каждый энергетический уровень делится на подуровни: 1-й уровень содержит один подуровень, 2-й – два, 3-й – три, 4-й – четыре.

В примере n = 4, следовательно, четвертый энергетический уровень содержит четыре подуровня, а именно 4s, 4p, 4d, 4f, и орбитальное квантовое число принимает значения 0; 1; 2; 3.

Магнитное квантовое число m_l характеризует расположение (ориентацию) орбитали в пространстве вокруг ядра под действием магнитных полей ядра, других электронов и внешнего магнитного поля. Магнитное квантовое число зависит от l и принимает набор значений от –l, включая 0, до +l.

Таким образом, энергетический подуровень включает то число атомных орбиталей, сколько значений m_l отвечает конкретному значению l_n.

Следовательно, s-состоянию отвечает одна орбиталь, р-состоянию – три, d-состоянию – пять, f-состоянию – семь орбиталей.

Например, для l = 2 возможные значения m_l будут: -2; –1; 0; +1; +2, т.е. на данном подуровне (d-подуровень) существует пять орбиталей.

Спиновое квантовое число или спин m_s характеризует собственный момент количества движения электрона, связанное с вращением вокруг своей оси. Спиновое квантовое число имеет только два значения: +1/2 и –1/2. Положительное и отрицательное значения m_s связаны с направлением движения электрона по часовой или против часовой стрелки. Электроны с разными спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками.

При данном n = 4 запишем значения всех квантовых чисел в виде табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1

n	l	me	ms
			+1/2; -1/2
		-1; 0; +1	+1/2; -1/2
		-2;-1;0;+1;+2	+1/2; -1/2
		-3;-2;-1;0;+1;+2;+3	+1/2; -1/2

Пример 1.2.Для вольфраманапишите распределение элек-тронов в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите валентные электроны. Определите число протонов и нейтронов у .

Р е ш е н и е

Распределение электронов для атома W в нормальном состоянии напишем согласно правилу Клечковского, т. е. с учетом энергии каждого уровня и подуровня:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁴ .

Для проявления возбужденного состояния нарисуем электронную формулу валентного слоя:

нормальное состояние

6s

5d

При возбуждении атома электроны переходят в более высокое энергетическое состояние в пределах внешнего уровня:

возбужденное состояние

6p

6s

5d

Протон (р) – это частица, имеющая массу 1,67·10^-27 кг и положительный заряд.

Нейтрон (n) – незаряженная частица, обладающая массой 1,67·10^-27 кг.

Число протонов в ядре характеризует его заряд (z) и принадлежность атома данному химическому элементу, соответствует порядковому номеру элемента. Его пишут слева внизу у символа элемента.

Сумму протонов (z) и нейтронов (n), содержащихся в ядре атома, называют массовым числом (А), А = z + n. Массовое число обычно пишут слева вверху у символа элемента.

Следовательно, у атома вольфрама имеется 74 протона и 110 нейтронов.

Пример 1.3.Напишите распределение электронов для ₈₀Hg и ₅₆Ва. Определите, к каким периоду, группе, семейству они относятся, укажите их валентные электроны. Объясните, в чем сходство и различие элементов с учетом следующих параметров: возможные степени окисления, радиус атома, энергия ионизации, относительная электроотрицательность, восстановительная и окислительная способности.

Р е ш е н и е

Напишем распределение электронов:

для ₅₆Ва 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²

для ₈₀Hg 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰.

Выпишем отдельно валентные электроны:

для ₅₆Ва это 6s², для ртути ₈₀Hg – 5d¹⁰6s².

Оба элемента находятся в шестом периоде и во II группе, но барий в главной подгруппе, а ртуть – в побочной. Поскольку у Ва последним заполняется s-подуровень, этот элемент относится к s-се-мейству. У ртути (Hg) идет заполнение d-подуровня, следовательно, это ds-элемент.

Валентный слой Ва, содержащий 2 электрона, представим графически:

в нормальном состоянии

6s ,

В возбужденном состоянии

6p

6s .

Теоретически возможные степени окисления бария будут 0 и +1; +2.

У ртути валентный слой содержит 12 электронов:

в нормальном состоянии:

6s

;

5d

в возбужденном состоянии:

6р

6s

5d .

Возможные степени окисления ртути будут 0; +1; +2.

Воспользуемся табличными данными и приведем значения радиуса атома, энергии ионизации и электроотрицательности элементов.

	Ва	Hg
rат, нм	0,221	0,160
I1, кДж/моль	502,8	1007,1
ОЭО	0,9	1,9

Видно, что радиус атома Ва значительно больше радиуса атома Hg. Энергия ионизации и относительная электроотрицательность у атома Ва практически в два раза меньше, чем у атома Hg. Это свидетельствует о том, что восстановительная способность атома Ва выше, чем у атома Hg.

Оба элемента относятся к металлам и являются восста-новителями. Как сильный восстановитель барий энергично взаимо-действует с большинством неметаллов уже при комнатной температуре. Взаимодействие с водой, даже на холоде, сопровождается образованием гидроксида Ва.

Ртуть плохо окисляется на воздухе, но при нагревании взаимодействует с серой и галогенами, растворяется в HNO₃, горячей концентрированной H₂SO₄, царской водке и не растворима в HCl и разбавленной H₂SO₄. Ртуть образует комплексные ионы, для которых характерно координационное число 4. Ртуть и ее соединения очень ядовиты.

Сходные признаки и различия указанных элементов могут быть представлены в виде таблицы.

Пример 1.4.Объясните, что характеризуют и как изменяются радиус атома, энергия ионизации, восстановительная способность, сродство к электрону, электроотрицательность: а) по периоду слева направо, б) по группе сверху вниз?

а) ₇₃Та – ₈₁Тl; б) ₃₁Ga – ₈₁Tl.

Р е ш е н и е

Радиус атома орбитальный – теоретически рассчитанное положение главного максимума плотности внешних электронных облаков. Практически приходится пользоваться эффективным. Эффективный радиус – 1/2 расстояния между ядрами атомов химически связанных элементов.

В периодах атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра, в общем, уменьшаются, так как при одинаковом числе электронных слоев возрастает заряд ядра, а следовательно, притяжение им электронов.

В пределах каждой подгруппы элементов, как правило, радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, так как возрастает число электронных уровней.

Энергией ионизации называется количество энергии I, необ-ходимое для отрыва электрона от атома или иона: Э⁰ + I = Э⁺ + .

По периоду энергия ионизации немонотонно возрастает. Резкие максимумы соответствуют атомам благородных газов, которые обладают наиболее устойчивой электронной конфигурацией s²p⁶.

В пределах одной группы с увеличением порядкового номера энергия ионизации обычно убывает, что связано с увеличением расстояния внешнего электронного уровня от ядра.

Энергия ионизации является мерой восстановительной способ-ности атома.

Сродством к электрону называется энергетический эффект F процесса присоединения электрона к атому: Э⁰+ = Э^- ± F.

В периодах сродство к электрону и окислительные свойства элементов возрастают, в группах, как правило, уменьшаются.

Понятие электроотрицательности (ОЭО) позволяет оценить способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по сравнению с другими элементами соединения. Эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. Согласно Малликену, электроотрица-тельность атома может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону: ОЭО = 1/2 (I + F). В периодах наблюдается общая тенденция роста величины электроотрица-тельности, а в группах – ее падение.

Задачи

1.1. Дано значение одного из четырех квантовых чисел. Составьте таблицу значений четырех квантовых чисел: n, l, m_e,m_s. Приведите характеристику каждого квантового числа и его возможные значения.

Т а б л и ц а 1.2

Вариант	Значения	Вариант	Значения
	n = 2	1’	l = 2
	n = 3	2’	n = 1
	n = 4	3’	n = 3
	n = 5	4’	n = 4
	n = 6	5’	n = 5
	n = 7	6’	n = 6
	l = 0	7’	n = 7
	l = 1	8’	l = 0
	l = 3	9’	l = 1
	m = 0	10’	l = 3
	m = 1	11’	m = 0
	m = 2	12’	m = 1
	m = 3	13’	m = 2
	n = 1	14’	m = 3
	l = 2	15’	n = 2

1.2. Для элемента напишите распределение электронов в нормальном и возбужденном состоянии. Укажите валентные электроны. Определите число протонов и нейтронов у данного атома.

Т а б л и ц а 1.3

Вариант	Элемент	Вариант	Элемент
	32Ge	1’	40Zr
	51Sb	2’	53I
	33As	3’	55Cs
	31Ga	4’	43Tc
	26Fe	5’	56Ba
	34Se	6’	46Pd
	42Mo	7’	30Zn
	35Br	8’	47Ag
	52Te	9’	48Cd
	38Sr	10’	57La
	44Ru	11’	58Ce
	50Sn	12’	59Pr
	49In	13’	60Nd
	41Nb	14’	61Pm
	45Rh	15’	62Sm

1.3. Напишите распределение электронов для ₈₀Hg и ₅₆Ва. Определите, к каким периоду, группе, семейству они относятся, укажите их валентные электроны. Объясните, в чем сходство и различие элементов с учетом следующих параметров: возможные степени окисления, радиус атома, энергия ионизации, относительная электроотрицательность, восстановительная и окислительная способности.

Т а б л и ц а 1.4

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
	9F	85At	1’	17Cl	85At
	20Ca	30Zn	2’	19K	29Cu
	21Sc	31Ga	3’	23V	33As
	22Ti	32Ge	4’	39Y	49In
	57La	81Tl	5’	44Ru	52Te
	72Hf	82Pb	6’	20Ca	27Co
	73Ta	83Bi	7’	20Ca	28Ni
Окончание табл. 1.4
	41Nb	51Sb	8’	74W	84Po
	42Mo	52Te	9’	76Os	84Po
	40Zr	50Sn	10’	77Ir	85At
	24Cr	34Se	11’	78Pt	84Po
	25Mn	35Br	12’	37Rb	47Ag
	43Tc	52Te	13’	55Cs	79Au
	26Fe	36Kr	14’	38Sr	48Cd
	75Re	85At	15’	41Nb	50Sn

1.4. Объясните, что характеризуют и как изменяются радиус атома, энергия ионизации, восстановительная способность, сродство к электрону, электроотрицательность а) по периоду слева направо (табл. 1.5); б) по группе сверху вниз (табл. 1.6).

Т а б л и ц а 1.5

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
	87Fr - 108Hs	1'	88Ra - 109Mt
	55Cs - 86Rn	2'	56Ba - 85At
	37Rb - 54Xe	3'	38Sr - 52Te
	19K - 36Kr	4'	20Ca - 35Br
	11Na - 18Ar	5'	12Mg - 18Ar
	3Li - 10Ne	6'	4Be - 9F
	38Sr - 53I	7'	22Ti - 34Sе
	21Sc - 35Br	8'	40Zr - 53I
	12Mg - 17Cl	9'	72Hf - 85At
	74W - 84Po	10'	26Fe - 35Br
	46Pd - 53I	11'	44Ru - 53I
	58Ce - 71Lu	12'	13Al - 17Cl
	90Th - 103Lr	13'	76Os - 84Po
	37Rb - 53I	14'	20Ca - 33As
	25Mn - 36Kr	15'	37Rb - 52Te

Т а б л и ц а 1.6

Вариант	Элементы	Вариант	Элементы
	23V - 73Ta	1'	41Nb - 104Db
	26Fe - 76Os	2'	39Y - 89Ac
	29Cu - 79Au	3'	11Na - 55Cs
Окончание табл. 1.6
	3Li - 87Fr	4'	17Cl - 85At
	6C - 82Pb	5'	6C - 50Sn
	8O - 84Po	6'	27Co - 77Ir
	24Cr - 74W	7'	19K - 87Fr
	9F - 85At	8'	12Mg - 56Ba
	21Sc - 57La	9'	9F - 53I
	28Ni - 78Pt	10'	40Zr - 72Нf
	23V - 73Ta	11'	20Ca - 88Ra
	4Be - 88Ra	12'	13Al - 81Tl
	22Ti - 72Hf	13'	14Si - 50Sn
	25Mn - 75Re	14'	3Li – 37Rb
	30Zn - 80Hg	15'	7N - 51Sb