Учебное пособие 800215

				Таблица 1.3
	Валентность атомов некоторых элементов в соединениях
	Обозначение	Величина
	валентности	валентности	Металлы	Неметаллы
		атомов
	I	Одновалентные	Li, Na, K, Ag, Cu*,	H, Cl*, F, I*,
			Hg*, Rb, Cs, Fr	Br*, N*
	II	Двухвалентные	Mg, Ca, Ba, Zn, Cu*,	О, S*, N*, C*
			Hg*, Fe*, Sn*, Pb*,
			Cr*, Mn*, Ni*, Co*
	III	Трехвалентные	Аl, Cr*, Fe*	N*, В, Р*, Cl*
	IV	Четырехвалентные	Sn*, Pb*, Mn*	C* , Si, S*
	V	Пятивалентные	V*, Mn*	Р*, Cl*
	VI	Шестивалентные	Cr*, Mn*	S*

* − элементы, проявляющие переменную валентность.

Пример составления химических формул оксидов при условии, что валентность кислорода равна двум, приводится в табл. 1.4.

		Таблица 1.4
Составление химических формул оксидов
Валентность элементов	III II	V II
Формула оксида	Al2O3	P2O5
Произведение валент-	(III)·2 = (II)·3	(V)·2 = (II)·5
ности на число атомов

Упражнение 1.10. Составьте формулы оксидов следующих элементов:

С(ΙV), Cr(ΙΙΙ), Sn(ΙV), N(ΙΙΙ), N(Ι), N(ΙV).

Упражнение 1.11. Определите валентность элементов в соединениях: N2О3, N2О, ВН3, НBr.

1.4. РАСЧЁТЫ ПО ХИМИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЯМ

Химические уравнения составляются в соответствии с законом сохране- ния массы веществ: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, полученных в результате реакции. Поэтому число атомов каждого эле-

11

мента в левой и правой частях уравнения реакции должно быть одинаково, что регулируется с помощью коэффициентов.

Пример 1.8. Рассчитайте объём кислорода (н.у.), вступившего в реакцию, и массу оксида магния, которая образуется при сгорании: а) 0,5 моль Mg; б) 4 г магния.

Решение. Запишем химическое уравнение и расставим коэффициенты:

2 Mg + O2 = 2 MgO.

Найдём относительные атомные и рассчитаем молекулярные массы, а также молярные массы всех веществ, которые участвуют в химической реакции, и запишем их под формулами веществ в уравнении реакции. Рассчитаем массы веществ с учётом числа их молей (1.1). Кислород − газ, поэтому рассчи-

таем его объём (1.2).
2Mg	+	O2	=	2MgO
Mr =24				Mr =40
M=24 г/моль	Vm =22,4 л/моль		M=40 г/моль
ν=2 моля		ν=1 моль		ν=2 моля
m=2·24=48 г	V=1·22,4=22,4 л		m=2·40=80 г

По условию задачи сгорает 0,5 моля магния. Чтобы рассчитать массу ок- сида магния составим и решим пропорцию:

по уравнению реакции из 2-х молей Mg образуется 80 г MgO, по условию задачи из 0,5-и молей Mg образуется х г MgO.

х = (0,5 моль · 80 г) : 2 моль = 20 г.

Рассчитаем массу оксида магния, которая образуется при сгорании 4 г магния:

по уравнению реакции из 48 г Mg образуется 80 г MgO, по условию задачи из 4 г Mg образуется х г MgO.

x = (4 г · 80 г) : 48 г = 6,6 г.

Составим и решим пропорцию, чтобы рассчитать объём кислорода, вступившего в реакцию с 0,5 молями магния:

по уравнению реакции с 2-я молями Mg взаимодействуют 22,4 л О2,

по условию задачи с 0,5-ю молями Mg взаимодействуют		х л О2.
x = (0,5 моль · 22,4 л) : 2 моль = 5,6 л.
Рассчитаем объём кислорода, вступившего в реакцию с 4 г магния:
по уравнению реакции с 48 г	Mg взаимодействует 22,4 л	О2,
по условию задачи с 4 г Mg	взаимодействует х л О2.
x = (4 г·22,4 л) : 48 г = 1,87 л.

Упражнение 1.12. Основное химическое уравнение при получении строительной извести (СаО) из известняка (СаСО3) записывается следующим образом:

СаСО3 = СаО + СО2↑.

В реакцию вступает 1000 кг СаСО3. Рассчитайте массу полученной извести и объём СО2, измеренный при н.у.

12

Домашние задания Задание 1.10. Составьте формулы оксидов следующих элементов:

Na, P(III), Zn, Ca, Si, Fe(II), K.

Задание 1.11. Запишите валентность хлора в соединениях: Cl2О, КСlО4,

HCl, Cl2О5.

Задание 1.12. Рассчитайте объём кислорода (н.у.), вступившего в реакцию, и массу оксида серы (IV), которая образуется при сгорании: а) 4 молей серы; б) 160 г серы. Уравнение реакции: S + O2 = SO2.

1.5. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Теоретические вопросы

1. Понятия: атом, молекула, вещество (простое, сложное), химический элемент, относительная атомная масса, относительная молекулярная масса.

2.Характеристика количества вещества – моль, молярная масса, молярный объем.

3.Валентность элемента, определение валентности элементов в соединении.

4.Относительная и абсолютная плотность газа, их расчет.

Задачи и упражнения

1. При взаимодействии 4 г карбоната кальция с водой, содержащей углекислый газ, происходит его растворение с образованием гидрокарбоната кальция по реакции:

СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2.

Рассчитайте:

·объем углекислого газа, измеренный при нормальных условиях, необходимый для растворения 4 г карбоната кальция;

·массу образовавшегося при этом Са(НСО3)2;

·массу 1 моля СаСО3;

·абсолютную плотность СО2;

·валентность элементов в СО2.

2. Определите массу одного моля газа, если известно, что 19,02 г его при нормальных условиях занимают объем 6 л. Рассчитайте плотность этого газа по воздуху.

3. При взаимодействии 5,6 г оксида кальция (СаО) с углекислым газом (СО2) образуется карбонат кальция СaСО3. Напишите уравнение реакции и рассчитайте:

·какой объем СO2, измеренный при нормальных условиях, вступит во взаимодействие;

·сколько молей карбоната кальция при этом образуется;

·массу одного моля оксида кальция.

13

Тема 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Прочитайте и запомните слова и словосочетания, приведённые в табл. 2.1.

				Таблица 2.1
	Слова и словосочетания для справок
	Русский язык	Английский язык		Родной язык
	Атомная орбиталь (АО)	Atomic orbital
	Волновая функция (ψ)	Wave function
	Главное квантовое число	Total quantum number
	Заполнение энергетических	Completing of energy
	уровней	level
	Заряд ядра атома	Charge of the nucleus of
		an atom
	Квантовые числа	Quantum numbers
	Магнитное квантовое число	Magnetic quantum num-
		bers
	Непарный электрон	The unpaired electron
	Неподелённая электронная пара	Unshared electron pair
	Орбитальное квантовое число	Orbital quantum numbers
	Ориентация	Orientation
	Подуровень	Sublevel
	Положение в периодической	Position of the
	системе	periodical system
	Порядковый номер	Order number
	Принцип	Principle
	Распределение элетронов	The distribution of elec-
		trons
	Состояние электрона	State of electron
	Спаренные электроны	Paired electrons
	Спиновое квантовое число	Spin quantum numbers
	Уровень	Level
	Форма АО (тип АО)	Shape AO (type AO)
	Химические превращения	Chemical transformations
	Электрон	Electron
	Электронная оболочка	Electronic shell
	Электронная структура атома	Electronic structure of
		atom
	Электронная формула	Electronic formula
	Электронное строение атома	Electronic configuration
		of atom
	Энергетическая (квантовая)	Quantum cell
	ячейка
	Энергетический уровень	Energy level
		14

2.1. СТРОЕНИЕ АТОМА

Атом состоит из ядра и электронов. Заряд ядра атома равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и числу электронов в атоме. В процессе химических превращений ядро остается неизменным, а электронные оболочки атомов изменяются. Поэтому химические свойства атомов рассматривают с точки зрения их электронной структуры.

Экспериментально установлено, что электрон имеет двойственную природу: он одновременно обладает свойствами частицы (наличие у него массы, заряда и т.д.) и волны (способность давать дифракционную и интерференционную картины).

Пространство вокруг ядра, где наиболее вероятно нахождение электрона, называют атомной орбиталью (АО). В квантовой механике атомная орбиталь

– это волновая функция ψ.

Квантовые числа

Главное квантовое число (n) определяет основной запас энергии электрона и размер АО; n принимает значения 1, 2, 3, 4, …, ∞. Орбитали с одинаковым значением n составляют в атоме определенный энергетический уровень. Номер уровня совпадает со значением главного квантового числа.

Орбитальное квантовое число (l) определяет тип и форму АО, а в многоэлектронных атомах − также и энергию электрона на атомной орбитали (подуровне); l принимает значения от 0 до (n-1), число значений орбитального квантового число совпадает со значением n. Электронная оболочка любого атома представляет собой сложную систему. Она делится на энергетические уровни, которые пронумерованы, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4… , и орбитали, которые имеют буквенные обозначения: s, p, d, f.

Значения квантовых чисел n и l для атомных орбиталей, разрешённые на первых четырёх энергетических уровнях, представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Атомные орбитали, разрешённые на первых четырёх энергетических уровнях

	Главное	Орбитальное	Атомная	Главное	Орбитальное	Атомная
	квантовое	квантовое	орбиталь	квантовое	квантовое	орбиталь
	число	число		число	число
	n = 1	l = 0	1s		l = 0	4s
	n = 2	l = 0	2s	n = 4	l = 1	4p
		l = 1	2p		l = 2	4d
		l = 0	3s		l = 3	4f
	n = 3	l = 1	3p
		l = 2	3d

При записи различных состояний электрона главное квантовое число ставится перед буквенным обозначением типа АО.

15

Магнитное квантовое число (ml) характеризует ориентацию АО в пространстве и определяет число атомных орбиталей определённого типа на одном энергетическом уровне; ml принимает значения в зависимости от значения орбитального квантового числа: − l …, 0,…,+ l .

Число атомных орбиталей определённого типа рассчитывается по формуле:

NAO = 2l + 1.

Состоянию s соответствует одна орбиталь (l=0), р-состоянию – три (l=1), d-состоянию – пять (l=2), f – состоянию – семь (l=3) орбиталей.

Таким образом, атомная орбиталь характеризуется определенными значениями квантовых чисел n, l, ml, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией в пространстве электронного облака.

Пример 2.1. Укажите значения квантовых чисел для атомных орбиталей

3p, 2s, 4d.

Решение.

AO n l ml

—— — — — — — — — — — — — — — — — — —

3p	3	1	− 1,	0,	+ 1
2s	2	0		0
4d	4	2	−2, − 1,	0,	+ 1, +2

Упражнение 2.1. Укажите значения квантовых чисел: n, l, ml для атомных орбиталей 3d, 5p, 4s.

Спиновое квантовое число (ms) характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг собственной оси; ms может принимать только два значения: − ½; + ½. Если на орбитали находится один электрон, то он называется непарным, если два – то это парные электроны, они должны иметь противоположные спины.

Таким образом, состояние электрона в атоме полностью характеризуется набором четырех квантовых чисел: n, l, ml, ms.

Электронные формулы

Электронное строение атома может быть представлено в виде электронных формул или энергетических (квантовых) ячеек. При распределении элек-

тронов в атоме учитывают: принцип минимальной энергии, правило Клечковско-

го, принцип (запрет) Паули, правило Гунда.

Электроны в атоме в первую очередь заполняют атомные орбитали с минимальной энергией. В соответствии с правилом Клечковского увеличение энергии АО происходит в порядке возрастания суммы значений (n + l). Если эта сумма для двух АО равна, то раньше заполняется та АО, у которой значение n меньше.

Последовательность заполнения атомных орбиталей:

16

l s < 2 s < 2р < 3 s < 3р < 4 s ≈ 3d < 4р < 5 s ≈ 4 d < 5р < 6 s ≈ 5 d ≈ 4f …

(2.1)

Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов, которые находились бы в одинаковых квантованных состояниях, т.е. в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Значением хотя бы одного они должны отличаться.

Таким образом, на одной атомной орбитали (АО) максимально может быть только два электрона. Такие электроны образуют неподелённую электронную пару (спаренные электроны) и изображаются в энергетической ячейке в виде стрелок следующим образом:

−↓

Прямоугольник соответствует атомной орбитали, а стрелки – электронам

спротивоположными значениями спинового квантового числа.

Всоответствии с максимально возможным числом атомных орбиталей на

одном энергетическом уровне: s −1, p – 3, d – 5,		f	− 7,	в каждом из этих состоя-
ний максимально может находиться следующее число электронов:
s − 2, p − 6,	d − 10,		f	− 14.	(2.2)

В соответствии с правилом Гунда электроны на эквивалентных орбиталях распределяются сначала по одному с одинаковым значением спинового квантового числа (ms), затем по второму. Причем второй электрон должен иметь противоположенное значение спина.

Пример 2.2. Напишите электронную формулу азота. Покажите распре-

деление электронов в энергетических ячейках.

Решение. Электронная формула азота: 7N 1s2 2s2 2p3 . Распределение электронов в энергетических ячейках:

2s	2p
↓↑	↑	↑	↑
1s
↑↓

Упражнение 2.2. Напишите электронную формулу кислорода. Покажите распределение электронов в энергетических ячейках.

Домашние задания

Задание 2.1. Охарактеризуйте состояние электрона 3p. Укажите номер энергетического уровня, тип атомной орбитали.

Задание 2.2. Укажите значения квантовых чисел: n,. l, ml для атомных орбиталей 5d, 2p, 1s.

Задание 2.3. Напишите электронные формулы элементов третьего периода периодической системы. Покажите распределение электронов в энергетических ячейках.

17

2.2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ

Прочитайте и запомните слова и словосочетания, приведённые в табл. 2.3.

			Таблица 2.3
	Слова и словосочетания для справок
	Русский язык	Английский язык	Родной язык
	Большой период	Big period
	Валентные электроны	Valence electrons
	Восстановители	Reducer
	Главная подгруппа (А)	Main subgroup
	Графическое выражение	graphic expression
	Группа периодической системы	Periodic group
	Инертный газ	Inert gas
	Ион	Ion
	Малый (большой) период	Small (large) period
	Металл	Metal
	Металлические свойства	Metallic properties
	Неметалл	Non-metal
	Неметаллические свойства	Nonmetallic properties
	Окислители	Oxidant
	Окислительная активность	Oxidation activity
	Отрицательно заряженный ион	Anion
	Период	Period
	Периодическая зависимость	Periodic dependence
	Периодический закон	Periodic law
	Периодическая система	Periodic system
	элементов	of the elements
	Побочная подгруппа (В)	Secondary subgroup
	Положение (расположение)	Position of the elements
	элементов в периодической	periodical system
	системе
	Положительно заряженный ион	Cation
	Сродство к электрону	Electron affinity
	Щелочной металл	Alkali metal
	Электроотрицательность (ЭО)	Electronegative
	Электронный аналог	Electronic analogue
Элементы s-, p-, d-семейства		A set of elements
(s-, p-, d-элементы)		(s-, p-, d- elements)
	Энергия ионизации	Ionization energy
	Сходство в свойствах	The similarity in properties
		18

Согласно периодическому закону Д.И. Менделеева свойства элементов

и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра. Гра-

фическим выражением периодического закона является периодическая система элементов. Она содержит семь периодов, восемь групп. Место элемента в периодической системе соответствует электронной структуре атома.

Упражнение 2.3. Напишите электронные формулы элементов первого и второго периодов периодической системы. Электроны внешнего уровня распределите в энергетических ячейках.

Упражнение 2.4. Начертите в рабочей тетради табл. 2.4. Для выполнения задания используйте данные упражнения 2.3 и домашнего задания 2.3. Подчеркните атомные орбитали внешнего электронного уровня.

Обратите внимание, что число элементов в периоде и число электронов на заполняемых в данном периоде орбиталях совпадают.

Таблица 2.4

Заполнение атомных орбиталей у элементов первого, второго, третьего периодов

Период		Число
периодической	Заполняемые атомные орбитали	элементов
системы		в периоде
I
II
III

Упражнение 2.5. Запишите формулы оксидов элементов третьего периода. Какие элементы относятся к металлам, а какие − к неметаллам? Каково число электронов на внешнем уровне у металлов и у неметаллов?

Периодом называется горизонтальный последовательный ряд элементов, размещённых в порядке возрастания заряда ядра атомов. Каждый период (кроме 1-го и 7-го) начинается со щелочного металла и заканчивается инертным газом. Свойства элементов в периоде изменяются от металла через неметалл до инертного газа.

Строение внешней электронной оболочки атомов в периоде изменяется от ns1 до ns2np6 (или ns2 у первого периода). Значение n совпадает с номером периода и с максимальным значением главного квантового числа в электронной структуре атома.

Все элементы в периодической системе делятся на семейства элементов в зависимости от того, какая атомная орбиталь заполняется в последнюю очередь. Таким образом, периоды начинаются с s-элементов и заканчиваются p- элементами (у первого периода – s- элементом).

Первые три периода называются малыми. У элементов четвёртого и последующих больших периодов после заполнения s-орбитали внешнего уровня заполняется d-орбиталь предыдущего уровня (d-элементы) (см. формулу 2.1). Это приводит к увеличению числа элементов в периоде. Характер изменения

19

свойств элементов с ростом заряда ядра от металла через неметалл до инертного газа не меняется.

Восемь групп периодической системы соответствуют восьми электронам на внешнем электронном уровне p-элементов. Группы делятся на главные (А) и побочные (В) подгруппы. В одних и тех же подгруппах расположены элементы, имеющие аналогичное строение внешних электронных оболочек (электронные аналоги). В малых периодах расположены элементы только главных подгрупп, они являются s- или р-элементами.

Пример 2.3. Напишите электронную формулу элемента с порядковым номером 21. Покажите распределение электронов в энергетических ячейках.

Решение. При написании электронных формул нужно помнить:

1. Максимальное значение главного квантового числа (n m a x ), то есть количество заполняемых энергетических уровней, совпадает с номером периода,

вкотором находится данный элемент.

2.Номер группы элемента чаще всего совпадает с количеством валентных электронов (электронов, участвующих в образовании химической связи).

В случае главной подгруппы (А) валентные электроны находятся на последнем энергетическом уровне: на s- или на s- и p-орбиталях, поэтому в главные подгруппы включены элементы s- и р-семейств. Если подгруппа побочная (В), то валентные электроны находятся на s-орбитали последнего и d-орбитали предпоследнего уровня (d-элементы).

Элемент с порядковым номером 21 − это скандий. Электронная формула скандия имеет вид:

21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s23d1.

Изобразимраспределение электронов в атоме Sc методом энергетических ячеек (рис.1).

s

p

d

f

n = 4

↑↓

n = 3

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

n = 2

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

n = 1

↑↓

Рис. 1. Схема распределения электронов в энергетических ячейках атома скандия

Скандий относится к d-элементам, т.к. в последнюю очередь у него заполняется 3d-орбиталь. Валентные электроны расположены на атомных орбиталях 4s23d1, следовательно, он расположен в IIIB группе четвёртого периода.

Главное квантовое число (n) и орбитальное квантовое число (l) для валентных электронов скандия равны:

Sc: n = 4; l = 0 (s-орбиталь) и n=3; l = 2 (d-орбиталь).

20