Элементы в периодической системе Менделеева делятся на s-, p-, d-элементы. Это подразделение осуществляется на основе того, сколько уровней имеет электронная оболочка атома элемента и каким уровнем заканчивается заполнение оболочки электронами.

К s-элементам относят элементы IA-группы – щелочные металлы . Электронная формула валентной оболочки атомов щелочных металлов ns1 . Устойчивая степень окисления равна +1. Элементы IА-группы обладают сходными свойствами из-за сходного строения электронной оболочки. При увеличении радиуса в группе Li-Fr связь валентного электрона с ядром слабеет и уменьшается энергия ионизации. Атомы щелочных элементов легко отдают свой валентный электрон, что характеризуют их как сильные восстановители.

Восстановительные свойства усиливаются с возрастанием порядкового номера.

К p-элементам относятся 30 элементов IIIA-VIIIA-групп периодической системы; p-элементы расположены во втором и третьем малых периодах, а также в четвертом-шестом больших периодах. Элементы IIIА-группы имеют один электрон на p-орбитали. В IVА-VIIIА -группах наблюдается заполнение p-подуровня до 6 электронов. Общая электронная формула p-элементов ns2np6 . В периодах при увеличении заряда ядра атомные радиусы и ионные радиусы p-элементов уменьшаются, энергия ионизации и сродство к электрону возрастают, электроотрицательность увеличивается, окислительная активность соединений и неметаллические свойства элементов усиливаются. В группах радиусы атомов увеличиваются. От 2p-элементов к 6p-элементам энергия ионизации уменьшается. Усиливаются металлические свойства p-элемента в группе с увеличением порядкового номера.

К d-элементам относятся 32 элемента периодической системы IV–VII больших периодов . В IIIБ-группе у атомов появляется первый электрон на d-орбитали, в последующих Б-группах d-подуровень заполняется до 10 электронов. Общая формула внешней электронной оболочки (n-1)dansb, где a=1?10, b=1?2 . С увеличением порядкового номера свойства d-элементов изменяются незначительно. У d-эле-ментов медленно происходит возрастание атомного радиуса, также они имеют переменную валентность, связанную с незавершенностью предвнешнего d-электронного подуровня. В низших степенях окисления d-элементы обнаруживают металлические свойства, при увеличении порядкового номера в группах Б они уменьшаются. В растворах d-элементы с высшей степенью окисления обнаруживают кислотные и окислительные свойства, при низших степенях окисления – наоборот. Элементы с промежуточной степенью окисления проявляют амфотерные свойства.

8. Ковалентная связь. Метод валентных связей

Химическая связь, осуществляемая общими электронными парами, возникающих в оболочках связываемых атомов, имеющих антипараллельные спины, называется атомной, или ковалентной связью. Ковалентная связь двухэлектронная и двуцентровая (удерживает ядра). Она образуется атомами одного вида – ковалентная неполярная – новая электронная пара, возникшая из двух неспаренных электронов, становится общей для двух атомов хлора; и атомами разного вида, сходных по химическому характеру – ковалентная полярная. Элементы с большей электроотрицательностью (Cl) будут оттягивать общие электроны от элементов с меньшей электроотрицательностью (Н). Атомы с непарными электронами, имеющими параллельные спины, отталкиваются – химическая связь не возникает. Способ образования ковалентной связи называется обменным механизмом .

Свойства ковалентной связи. Длина связи – межъядерное расстояние. Чем это расстояние короче, чем прочнее химическая связь. Энергия связи – количество энергии, требующееся для разрыва связи. Величина кратности связи прямо пропорциональна энергии связи и обратно пропорциональна длине связи. Направленность связи – определенное расположение электронных облаков в молекуле. Насыщаемость – способность атома образовывать определенное количество ковалентных связей. Химическая связь, образованная перекрыванием электронных облаков вдоль оси, соединяющей центры атомов, называется ?-связью. Связь, образованная перекрыванием электронных облаков перпендикулярно оси, соединяющей центры атомов, называется ?-связью . Пространственная направленность ковалентной связи характеризуется углами между связями. Эти углы называются валентными углами. Гибридизация – процесс перестройки неравноценных по форме и энергии электронных облаков, ведущих к образованию одинаковых по тем же параметрам гибридных облаков. Валентность – число химических связей (ковалентных ), посредством которых атом соединен с другими. Электроны, участвующие в образовании химических связей, называются валентными . Число связей между атомами равно числу его неспаренных электронов, участвующих в образовании общих электронных пар, поэтому валентность не учитывает полярность и не имеет знака. В соединениях, в которых отсутствует ковалентная связь, имеет место степень окисления – условный заряд атома, исходный из предположения, что оно состоит из положительно или отрицательно заряженных ионов. К большинству неорганических соединений применимо понятие степень окисления.

1. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m e при орбитальной квантовом числе l=0,1,2 и 3? Какие элементы в периодической системе носят названия s-, p-, d- и f-элементов? Приведите примеры.

Решение:

при l =0, m e = 0; (1значение)

при l = 1, m e = -1, 0, +1; (3значения)

при l =3, m e = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. (7значений)

s-элементы – элементы, у которых s-подуровень заполняется электронами последним. К s-элементам относятся первые два элемента каждого периода.

p-элементы – элементы, у которых p-подуровень заполняется электронами последним. К p-элементам относятся элементы второго периода (кроме первых двух).

d-элементы – элементы, у которых d-подуровень заполняется электронами последним. К d-элементам относятся элементы от иттрия до кадмия.

f-элементы – элементы, у которых f-подуровень заполняется электронами последним. К f-элементам относятся лантаноиды от лантана до лютеция.

36. Чем отличаются амфотерные оксиды от основных и кислотных оксидов? (Примеры).

Решение:

Амфотерные оксиды обладают двойственной природой и взаимодействуют с растворами щелочей, так и с растворами кислот с образованием соли и воды. То есть они проявляют и основные и кислотные свойства.

Амфотерные оксиды: t

Al 2 O 3 + 2NaOH + 7H 2 O 2Na Al(OH) 4 *2H 2 O

Al 2 O 3 + 6HCI = AlCI 3 = 3 H 2 O

Кислотные оксиды:

SO 3 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O

Основные оксиды:

CaO + H 2 = Ca SO 4 + H 2 O

67. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция H 2 (г)+CO 2 (г) =H 2 O(ж) + CO(г); DH=-2,85 кДж. Зная тепловой эффект реакции и стандартные абсолютные энтропии соответствующих веществ, определите DG 298 этой реакции.

H 2 (г)+CO 2 (г) =H 2 O(ж) + CO(г)

DG 0 x . p . =DH 0 x . p . -TDS 0 x . p .

Вычисляем DS 0 x.p. =(DS 0 H 2 O +DS 0 CO) - (DS 0 CO 2 +DS 0 H2);

DS 0 x . p = (69.96+197.4) – (213.6 +130.6) = 267.36-344.2 = -76.84 Дж/моль.град =- 0.7684 к Дж/моль.град

Изменение свободной энергии (энергии Гиббса) вычисляют:

DG 0 x . p . =-2,85 – 298*(- 0.7684) = -2,85 + 22,898 = +20,048 кДж.

Экзотермическая реакция (DH 0 0) самопроизвольно не протекает, если при

DS 0 0 окажется, что G 0 x.p. >0.

В нашем случае DH 0 0 (-2,85 кДж)

DS 0 0 (-0,07684 кДж/моль.град)

G 0 x . p . >0. (+20,048 кДж)

100. Что получится при действии гидроксида натрия на смесь равных объемов оксида азота (11) и оксида азота (1V), реагирующих согласно уравнению

NO + NO 2 N 2 O 3 ?

Решение:

N 2 O 3 + 2NaOH = 2NaNO 2 + H 2 O

Так как гидроксид натрия вступает в реакцию с оксидом азота (III), то в системе уменьшается количество продукта реакции. Принцип Ле Шателье указывает, что удаление из равновесной системы какого-либо вещества приводит к смещению равновесия в направлении, соответствующем образованию дополнительного количества данного вещества. В данном случае равновесие сместиться в сторону образования продуктов реакции.

144. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения совместного гидролиза, происходящего при смешивании растворов K 2 S и. Каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца.

Решение:

Соль K 2 S гидролизуется по аниону. Соль CrCl 3 гидролизуется по катиону.

S 2- + H 2 O HS - + OH -

Cr 3+ + H 2 O CrOH 2+ +H +

Если растворы солей находятся в одном сосуде, то идет взаимное усиление гидролиза каждой из них, ибо ионы Н + и ОН - образуют молекулу слабого электролита Н 2 0. При этом гидролитическое равновесие сдвигается вправо и гидролиз каждой из взятых солей идет до конца с образованием Сr(ОН)з и H 2 S. Ионно-молекулярное уравнение

2Cr 3+ + ЗS 2- + 6Н 2 О = 2Cr(ОН)з + ЗH 2 S ,

молекулярное уравнение

2CrCl 3 + 3K 2 S + 6Н 2 О =2Cr(ОН)з + ЗH 2 S + 6KL

162. На основе электронного строения атомов укажите, могут ли быть окислителями:

г) катион водорода;

з) сульфид ионы;

г) H 1 1s 1 атому водорода до заполнения последнего электронного уровня не хватает одного электрона, поэтому он может быть окислителем.

з) S 16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Анионы неметаллов (кислотные остатки бескислородных кислот) могут проявлять высокую восстановительную способность. Это связано с тем, что они могут отдать не только электроны, обуславливающие отрицательный заряд анионов, но и собственные валентные электроны.

182ж,у не существует, поэтому сделали 181. Написать уравнения реакций, происходящих при электролизе следующих растворов.

Понятие переходный элемент обычно используется для обозначения любого элемента с валентными d- или f-электронами. Эти элементы занимают в периодической таблице переходное положение между электроположительными s-элементами и электроотрицательными p-элементами.

d-Элементы принято называть главными переходными элементами. Их атомы характеризуются внутренней застройкой d-подоболочек. Дело в том, что s-орбиталь их внешней оболочки обычно заполнена уже до того, как начинается заполнение d-орбиталей в предшествующей электронной оболочке. Это означает, что каждый новый электрон, добавляемый в электронную оболочку очередного d-элемента, в соответствии с принципом заполнения, попадает не на внешнюю оболочку, а на предшествующую ей внутреннюю подоболочку. Химические свойства этих элементов определяются участием в реакциях электронов обеих указанных оболочек.

d-Элементы образуют три переходных ряда - в 4-м, 5-м и 6-м периодах соответственно. Первый переходный ряд включает 10 элементов, от скандия до цинка. Он характеризуется внутренней застройкой 3d-орбиталей. Орбиталь 4s заполняется раньше, чем орбиталь 3d, потому что имеет меньшую энергию (правило Клечковского).

Следует, однако, отметить существование двух аномалий. Хром и медь имеют на своих 4s-орбиталях всего по одному электрону. Дело в том, что полузаполненные или полностью заполненные подоболочки обладают большей устойчивостью, чем частично заполненные подоболочки.

В атоме хрома на каждой из пяти 3d-орбиталей, образующих 3d-подоболочку, имеется по одному электрону. Такая подоболочка является полузаполненной. В атоме меди на каждой из пяти 3d-орбиталей находится по паре электронов. Аналогичная аномалия наблюдается у серебра.

Все d-элементы являются металлами.

Электронные конфигурации элементов четвертого периода от скандия до цинка:

Хром

Хром находится в 4-м периоде, в VI группе, в побочной подгруппе. Это металл средней активности. В своих соединениях хром проявляет степени окисления +2, +3 и +6. CrO - типичный основный оксид, Cr 2 O 3 - амфотерный оксид, CrO 3 - типичный кислотный оксид со свойствами сильного окислителя, т. е. рост степени окисления сопровождается усилением кислотных свойств.

Железо

Железо находится в 4-м периоде, в VIII группе, в побочной подгруппе. Железо - металл средней активности, в своих соединениях проявляет наиболее характерные степени окисления +2 и +3. Известны также соединения железа, в которых оно проявляет степень окисления +6, которые являются сильными окислителями. FeO проявляет основные, а Fe 2 O 3 - амфотерные с преобладанием основных свойств.

Медь

Медь находится в 4-м периоде, в I группе, в побочной подгруппе. Ее наиболее устойчивые степени окисления +2 и +1. В ряду напряжений металлов медь находится после водорода, ее химическая активность не очень велика. Оксиды меди: Cu2O CuO. Последний и гидроксид меди Cu(OH)2 проявляют амфотерные свойства с преобладанием основных.

Цинк

Цинк находится в 4-м периоде, во II-группе, в побочной подгруппе. Цинк относится к металлам средней активности, в своих соединениях проявляет единственную степень окисления +2. Оксид и гидроксид цинка являются амфотерными.

Принадлежность элемента к электронному семейству определяется характером заполнения энергетических подуровней:

s- элементы – заполнение внешнего s - подуровня при наличии на предвнешнем уровне двух или восьми электронов, например:

Li 1s 2 2s 2

s -элементы являются активными металлами, характерные степени окисления которых численно равны количеству электронов на последнем уровне:

1 для щелочных металлов и +2 для элементов второй группы

р- элементы – заполнение внешнего p- подуровня, например:

F 1s 2 2s 2 2p 5

Элементы от В до Ne включительно образуют первую серию p -элементов (элементы главных подгрупп), в атомах которых наиболее удаленные от ядра электроны располагаются на втором подуровне внешнего энергетического уровня.

d- элементы – заполнение предвнешнего d- подуровня, например:

V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3

d- элементы относятся к металлам.

f- элементы – заполнение f- подуровня второго снаружи уровня, например:

Nd 1s 2 2s 2 2p 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 4

f- элементы – это элементы семейств актиноидов и лантаноидов.

Квантовая механика, сравнивая электронные конфигурации атомов приходит к следующим теоретическим выводам:

1. Строение внешней оболочки атома является периодической функцией зарядового числа атома Z.

2. Поскольку химические свойства атома определяются строением внешней оболочки, из предыдущего пункта следует: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра.

Контрольные вопросы

1. Ядерная модель строения атома. Изотопы (радионуклиды).

2. Квантово - механическая модель строения атома.

3. Квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное, спиновое).

4. Строение электронных оболочек атомов. Принцип Паули. Принцип наименьшей энергии. Правило Гунда.

5. Электронно-структурные формулы атомов. Гибридизация атомных орбиталей.

6. Характеристики атома. Атомный радиус. Электроотрицательность. Сродство к электрону. Энергия ионизации. S, p, d, f – электронные семейтсва атомов.

Типовые задачи

Задача № 1.Радиусы ионов Na + и Cu + одинаковы (0,098 нм). Объяснить различие температур плавления хлорида натрия (801°С) и хлорида меди(I) (430°С).

При одинаковых зарядах и размерах ионов Na + и Cu + ,ион Cu + имеет 18 – электронную внешнюю оболочку и более сильно поляризует анион Cl - , чем ион Na + , обладающий электронной структурой благородного газа. Поэтому в хлориде меди(I) в результате поляризации с аниона на катион переносится более значительная часть электронного заряда, чем в хлориде натрия. Эффективные заряды ионов в кристалле CuCl становятся меньше, чем NaCl, а электростатическое взаимодействие между ними – более слабое. Этим объясняется более низкая температура плавления CuCl в сравнении с NaCl, кристаллическая решётка которого близка к чисто ионному типу.

Задача №2. Как обозначается состояние электрона а) с n=4,L=2; б) с n=5,L=3.

Решение: При записи энергетического состояния цифрой указывают номер уровня (n), а буквой - характер подуровня (s, p, d, f). При n=4 и L=2 записываем 4d; при n=5 и L=3 записываем 5f.

Задача № 3. Сколько всего орбиталей соответствует третьему энергетическому уровню? Сколько электронов на этом уровне? На сколько подуровней расщепляется этот уровень?

Решение: Для третьего энергетического уровня n=3, количество атомных орбиталей 9(3 2), что

является суммой 1(s) +3(p) +5(d)=9. По принципу Паули количество электронов на этом уровне 18. Третий энергетический уровень расщепляется на три подуровня: s,p,d (количество подуровней совпадает с числом значений главного квантового числа).

Задача №4. На какие электронные семейства классифицируются химические элементы?

Решение: Все химические элементы можно классифицировать в зависимости от характера заполняемых подуровней на 4 типа:

s-элементы-заполняют электронами ns подуровень;

p-элементы -заполняют электронами np подуровень;

d-элементы-заполняют электронами (n-1)d подуровень;

f-элементы –заполняют электронами (n-2)f подуровень;

Задача № 5. Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня: а) 4р; б)4s

Решение: А) подуровню 4р отвечает сумма (n+1), равная 4+1=5. Такой же суммой характеризуются подуровни 3d (3+2=5) и 5s (5+0=5). Однако состоянию 3d отвечает меньшее значение n (n=3), чем состоянию 4р, поэтому подуровень 3d будет заполняться раньше, чем подуровень 4р. Следовательно, после заполнения подуровня 4р будет заполняться подуровень 5s, которому отвечает на единицу большее значение n(n=5).

Б) подуровню 4s соответствует сумма n+1=4+0=4. Такой же суммой n+1 характеризуется подуровень 3р, но заполнение этого подуровня предшествует заполнению подуровня 4s, т.к. последнему отвечает большее значение главного квантового числа. Следовательно, после подуровня 4s будет заполняться подуровень с суммой (n+1)=5,причем из всех возможных комбинаций n+l, соответствующих этой сумме(n=3, l=2; n=4; l=1; n=5; l=0), первой будет реализоваться комбинация с наименьшим значением главного квантового числа, то есть вслед за подуровнем 4s будет заполняться подуровень 3d.

Вывод: таким образом, заполнение подуровня d отстает на один квантовый уровень, заполнение подуровня f отстает на два квантовых уровня.

Для написания электронной формулы элемента необходимо: арабской цифрой указать номер энергетического уровня, написать буквенное значение подуровня, количество электронов записать в виде показателя степени.

Например: 26 Fe 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6

Электронная формула составлена с учетом конкуренции подуровней, т.е. правила минимума энергии. Без учета последнего электронная формула будет записываться: 26 Fe 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Задача № 6. Электронная структура атома описывается формулой 1s22s22p63s23d74s2. Какой это элемент?

Решение: Этот элемент принадлежит к электронному типу d-элементов 4 периода, т.к. происходит застройка электронами 3d подуровня; число электронов 3d 7 свидетельствует о том, что это седьмой элемент по порядку. Общее число электронов 27,значит порядковый номер 27. Этот элемент кобальт.

Тестовые задания

Выберите правильный вариант ответа

01.ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА ЭЛЕМЕНТА ИМЕЕТ ВИД … 5S 2 4D 4 . УКАЗАТЬ ЧИСЛО ЭЛЕКТРОНОВ В НАРУЖНОМ УРОВНЕ

02. МОГУТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ В АТОМЕ ДВА ЭЛЕКТРОНА С ОДИНАКОВЫМ НАБОРОМ ВСЕХ ЧЕТЫРЕХ КВАНТОВЫХ ЧИСЕЛ?

1) не могут

Могут

3) могут только в возбужденном состоянии

4) могут только в нормальном (невозбужденном) состоянии

03. КАКОЙ ПОДУРОВЕНЬ ЗАПОЛНЯЕТСЯ ПОСЛЕ ПОДУРОВНЯ 4D?

04. ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА ЭЛЕМЕНТА ИМЕЕТ ВИД: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 . УКАЗАТЬ ЧИСЛО ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

05. ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА ЭЛЕМЕНТА ИМЕЕТ ВИД: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 2 3D 7 . КАКОЙ ЭТО ЭЛЕМЕНТ?

06. КАКОЙ ПОДУРОВЕНЬ ЗАПОЛНЯЕТСЯ ПЕРЕД 4D-ПОДУРОВНЕМ?