Методичка СТРОЕНИЕ АТОМА. Строение атома методические указания к практическим занятиям по курсу общей и неорганической химии для студентов химических и нехимических специальностей дневной и вечерней форм обучения Нижний Новгород 2007
 Скачать 321.5 Kb.
|
|
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА Кафедра "Общая и неорганическая химия"  СТРОЕНИЕ АТОМА Методические указания к практическим занятиям по курсу общей и неорганической химии для студентов химических и нехимических специальностей дневной и вечерней форм обучения Нижний Новгород 2007 Составители: Л.А. Смирнова, Ж.В. Мацулевич, Г.А. Паничева, Г.Ф. Володин, Л.Н. Четырбок, С. В. Краснодубская. УДК 54 (07) СТРОЕНИЕ АТОМА : метод. указания к практ. занятиям по курсу общей и неорганической химии для студентов химических и нехимических специальностей дневной и вечерней форм обучения/ НГТУ; сост . : Л.А. Смирнова и др. Н.Новгород, 2007-34 с. Методические указания включают задания для текущего контроля знаний в виде вопросов и задач по строению атома. Научный редактор Ю.М.Тюрин Редактор Э.Б.Абросимова Подп. к печ. 6.09.07.Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л. 2,4. Уч.-изд.л. 2,4. Тираж 1500 экз. Заказ . ______________________________________________ Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул.Минина, 24. Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2007 Для определения основного состояния многоэлектронного атома орбитали заполняют электронами в порядке возрастания их энергий до тех пор, пока не будут размещены все электроны. Теоретически число энергетических уровней бесконечно, но в основном бывают заняты уровни с самой низкой энергией. Расстояние между двумя энергетическими уровнями уменьшается по мере их удаления от ядра.  Распределение электронов в атомах элементов определяется тремя основными положения-ми: принципом Паули, принципом наименьшей энергии и правилом Гунда. Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел, т.е. два электрона должны отличаться по крайней мере значениями одного квантового числа.Правило Гунда: устойчивому состоянию атома соответству-ет такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня , при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально. Таким образом, заполнение орбиталей, отвечающей низшему энергетическому состоянию атома, происходит следующим образом: сначала электроны располагаются по орбиталям, Рис. 1. Зависимость энергии отвечающим различным атомных орбиталей от значениям магнитного порядкового номера элемента квантового числа, и только 3 после того как все орбитали однократно заполнены, в орбиталях появляется второй электрон с противоположно направленным спином. Наиболее устойчиво состояние атома, в котором электроны имеют наиболее низкую энергию, т.е. находятся в наиболее близких к ядру слоях. Поэтому электрон не занимает вышележащего энергетического уровня, если в нижележащем уровне есть места. Так как энергия электрона, в основном, определяется значениями квантовых чисел n и ℓ, тосначала заполняются подуровни с наименьшим значением суммы (n + ℓ), а при равенстве этих сумм предпочтение отдается подуровню с наименьшим значением n. Максимальное число электронов на подуровне согласно принципу Паули будет 2(2 ℓ +1), число орбиталей данного энергетического уровня n2, а число электронов на этом уровне 2 n2. Чем меньше величина квантового числа, тем меньше энергия состояния электрона, и поэтому, допуская, что квантовые состояния не вырождены,следует ожидать такого порядка увеличения энергий состояния: 1s<2s<2p<3s<3p<3d<4s<4p<4d<4f<5s<5p<5d<5f<6s... Однако экспериментально было доказано, что энергии подуровней ns и n(n-1)d; n(n-1)d и n(n-2)f близки, поэтому последовательность возрастания энергии такова: 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s≈4f≈5d<6p<7s<5f≈6d<7p Такой неожиданный порядок заполнения электронных состояний объясняется расщеплением электронных уровней энергии по мере того, как в атоме накапливается все больше электронов. На рис.1 показана зависимость энергии атомных орбиталей от порядкового номера элемента. РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПРИМЕР I. Напишите электронные формулы элементов №32 и №43. Определите: 1) место элементов в периодической системе (группа, подгруппа, период); 4 2) распределение валентных электронов по атомным орбиталям в нормальном и возбужденном состоянии; высшую степень окисления 3) формулу их высших соединений с кислородом и укажите их характер; 4) какой из этих элементов обазует газообразное соединение с водородом и какова формула этого соединения; 5) какие кантовые числа характеризуют их валентные электроны. РЕШЕНИЕ. Порядковый номер элемента соответствует заряду его атома и, следовательно, количеству электронов в атоме. Зная порядок заполнения атомных орбиталей и максимальную емкость каждого квантового подуровня, можем записать электронную формулу элемента №32 следующим образом: 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Внешним у этого элемента является четвертый квантовый уровень (n=4), поэтому он расположен в 4 периоде. Количество электронов на внешнем квантовом уровне равно 4, значит, он находится в 4 группе, и так как это р-элемент (ℓ=1) – в главной подгруппе. Магнитное квантовое число для электронов, завершающих электронную формулу, может принимать любое из значений: -1, 0, 1. Распределение валентных электронов по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии следующее: 4s 4p 4s 4p     Cуммарный спин в основном cостоянии ∑S=1. Высшая положительная степень окисления этого элемента равна +4, а высшая отрицательная степень окисления -4. Его высшее соединение с кислородом имеет формулу ЭО2 (GeO2) и обладает амфотерными свойствами. С водородом элемент дает газообразное соединение состава GeH4. Элемент № 43 имеет электронную формулу: 5 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s2 Внешним у него является пятый квантовый уровень (n=5), поэтому он расположен в 5 – м периоде, в 7 – й группе, так как сумма электронов на внешнем 5s подуровне и незавершенном 4d подуровне равна 7, и так как это d элемент - в побочной подгруппе (ℓ=2) . Магнитное квантовое число для электронов, завершающих электронную формулу, может принимать значения: -2, -1, 0, 1, 2. Распределение валентных электронов по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии следующее: 4d 5s Cуммарный спин в основном состоянии ∑S=2,5. 4d 5s 5p Максимальная положительная степень окисления этого элемента +7. Его высшее соединение с кислородом имеет формулу Э2O7 (Тс2О7). ЗАДАНИЕ 1 1. Назовите, запишите и расшифруйте соотношение, констатирующее двойственную (волновую и корпускулярную) природу микрочастиц. Укажите границы целесообразной применимости этого соотношения. 2. Назовите квантовые числа электронов в атомах, укажите их разрешенные значения и их взаимосвязь. Опишите через набор квантовых чисел понятия : энергетический уровень, подуровень, квантовый слой, подслой, атомная орбиталь. Укажите буквенные обозначения слоев, подслоев и атомных орбиталей. 6 3. Какие элементы называются полными и неполными электронными аналогами? 4. Напишите электронные формулы элементов №12 и №25. Распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии и определите суммарный спин. Назовите элементы, обоснуйте их место в периодической системе (период, группа, подгруппа, семейство), их возможные степени окисления и принадлежность к металлам, неметаллам. Какие квантовые числа совпадают для электронов, завершающих электронные формулы этих элементов? 5. На основании электронной конфигурации атома …3s1 напишите электронные конфигурации электронных аналогов этого элемента. Укажите названия, группу, подгруппу, семейство, возможные степени окисления, изменение восстановительных свойств соответствующих химических элементов, а также изменение кислотно-основных свойств их гидроксидов в подгруппе. Что является количественной характеристикой восстановительной способности атомов в газовой фазе? 6. Для элемента, находящегося в 6 периоде V группе главной подгруппе, составьте электронную формулу и распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии. По электронной формуле определите число электронов в его атоме, определите порядковый номер. Укажите название элемента и его принадлежность к семейству и классу металлов или неметаллов. Напишите электронную конфигурацию иона этого элемента с максимальной степенью окисления и электронный переход от атома к иону. ЗАДАНИЕ 2 1. Охарактеризуйте сущность, свойства и физический смысл понятий: волновая функция, модуль её квадрата, произведение квадрата модуля волновой функции на элемент объёма, 7 электронное облако и его граничная поверхность. 2. Поясните с позиций квантовой теории строения атома структуру периодической системы и понятия: период, группа, подгруппа, семейство. Запишите электронные формулы внешнего электронного слоя первого и последнего элемента в периоде. Что такое атомный остов элементов данного периода? 3. Исходя из теории строения атома, объясните, почему высшая степень окисления элемента, как правило, не превышает номер его группы в периодической системе? Как объяснить исключения из этого правила в случае элементов f- семейства и элементов I группы побочной подгруппы? 4. Напишите электронные формулы элементов №19 и №43. Распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии и определите суммарный спин. Назовите элементы, обоснуйте их положение в периодической системе (период, группа, подгруппа, семейство), их возможные степени окисления и принадлежность к металлам, неметаллам. Какие квантовые числа совпадают для электронов, завершающих их электронные формулы? 5. На основании электронной конфигурации атома …4s24p5 укажите название, период, группу, подгруппу, семейство, максимальную и минимальную возможные степени окисления элемента. Напишите электронную конфигурацию электронных аналогов этого элемента. Как изменяются в подгруппе окислительно-восстановительные свойства соответствующих химических элементов, а также кислотно-основные свойства гидроксидов элементов в высшей степени окисления. Металлы или неметаллы эти элементы? Что является количественной характеристикой окислительно-восстановительной способности обсуждаемых атомов в газовой фазе? 6. Для элемента, находящегося в 5 периоде VI группе главной подгруппе, составьте электронную формулу и распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии. Напишите электронную конфигурацию 8 его ионов со степенью окисления +2 и -2 и электронный переход от атома к этим ионам. Укажите, как изменяются при этом размеры частиц. ЗАДАНИЕ 3 1. Как изменяется полная энергия электрона в атоме по мере удаления его от ядра? 2. Какими квантовыми числами могут отличаться электроны на одном энергетическом подуровне; на одной орбитали? 3. Какие периоды состоят из элементов только главных подгрупп и почему? 4. Напишите электронные формулы элементов №38 и №49. Распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии и определите суммарный спин. Назовите элементы, обоснуйте их место в периодической системе (период, группа, подгруппа, семейство), их возможные положительные и отрицательные степени окисления, принадлежность к классам металлов, неметаллов. Какие квантовые числа одинаковы и различны для валентных электронов указанных элементов? 5. На основании электронной конфигурации атома …4f75d16s2 определите группу, подгруппу и семейство элементов, наиболее вероятную степень окисления, принадлежность к классу металлов или неметаллов. Назовите электронные аналоги этого элемента и поясните, почему элементы этого семейства расположены в 6-м и 7-м периодах и отсутствуют в 1-5-м периодах? Чем можно объяснить близость свойств f-элементов? 6. Для элементов, находящихся в 4-м периоде VIII группе побочной подгруппе, составьте электронные формулы, распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии. Напишите электронную конфигурацию его ионов со степенью окисления +2 и +3 и электронный переход от атома к этим ионам. Как при этом 8 изменяется радиус частиц? Оцените устойчивость этих ионов по мере роста заряда ядер. ЗАДАНИЕ 4 1. В чем заключается соотношение неопределенностей Гейзенберга? 2. Какие периоды периодической системы называют малыми, а какие большими? Чем определяется число элементов в каждом из них? Какие периоды и почему содержат одинаковое число элементов? 3.Укажите допустимое число электронов на р- и d-подуровнях, а также форму граничных поверхностей р- и d- облаков. 4. Напишите электронные формулы элементов №14 и №24. Распределите валентные электроны по атомным орбиталям в основном и возбужденном состоянии и определите суммарный спин. Назовите элементы, обоснуйте их место в периодической системе (период, группа, подгруппа, семейство), их возможные положительные и отрицательные степени окисления, принадлежность к семействам и классам металлов, неметаллов. Какие квантовые числа одинаковы для электронов, завершающих их электронные формулы? 5. На основании электронной конфигурации атома …4s24p3 определите место элемента в периодической системе (период, группа, подгруппа). Напишите электронную конфигурацию электронных аналогов этого элемента и назовите их. Какие степени окисления характерны для этих элементов? Возможна ли для них отрицательная степень окисления? Как изменяется устойчивость максимальных степеней окисления? Какими свойствами может обладать элемент, его оксид и гидроксид? Как меняются радиусы атомов элементов главной подгруппы V группы с увеличением порядкового номера? 6. Для элемента, находящегося в 5 периоде II группе главной 9 подгруппе, напишите электронную конфигурацию атома в основном и возбужденном состоянии. Распределите электроны по атомным орбиталям. Напишите электронную конфигурацию иона с максимальной степенью окисления и электронный переход от атома к иону в газовой фазе. Как при этом изменяется радиус частицы? ЗАДАНИЕ 5 |