Учителю химии
картотека по химии (8 класс) на тему

Электронная оболочка атома

Движение  электрона  в  атоме  носит  вероятностный  характер.  Околоядерное  пространство,  в котором  с  наибольшей  вероятностью (0,90 - 0,95)  может  находиться  электрон,  называется атомной  орбиталью (АО).  Атомная  орбиталь,  как  любая  геометрическая  фигура,  характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m l, ms). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых  чисел  различаются  на  единицу.  Квантовые  числа  определяют  размеры (n), форму (l), ориентацию (m l) атомной орбитали в пространстве. Атомные орбитали, которым отвечают значения l, равные 0, 1, 2, 3 называются  соответственно s-, p-, d- и f-орбиталями.  В электронно-графических формулах атомов каждая атомная орбиталь обозначается квадратом ( □ ). Занимая ту или иную атомную

орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l, m l, ms). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона: число n (главное квантовое число) характеризует энергетический(квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень); число ml (магнитное) - магнитный момент; ms- спин. Спин возникает за счет вращения электрона вокруг собственной оси.

Согласно  принципу  Паули:  в  атоме  не  может  быть  двух  электронов,  характеризующихся одинаковым набором 4х- квантовых чисел. Поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (ms= ± 1/2). 

В табл. 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Устойчивому (невозбужденному)  состоянию  многоэлектронного  атома  отвечает  такое распределение электронов по атомным орбиталям, при котором энергия атома минимальна. Поэтому они  заполняются  в  порядке  последовательного  возрастания  их  энергий.  Этот  порядок  заполнения

определяется правилом Клечковского (правило n+l):

-  заполнение  электронных  подуровней  с  увеличением  порядкового  номера  атома  элемента

происходит от меньшего значения(n +l) к большему значению(n +l);

- при равных значениях(n +l) заполняются сначала энергетические подуровни с меньшим значением n.

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→(5d1) →

→4f →5d→6p →7s→(6d1) →5f→6d→7p.

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических)  ячейках,  которые  являются  схематическим  изображением  атомных орбиталей. Размещение электронов по атомным орбиталям в пределах одного энергетического уровня

определяется  правилом  Хунда(Гунда):  электроны  в  пределах  энергетического  подуровня располагаются  сначала  по  одному,  а  затем  если  электронов  больше  чем  орбиталей,  то  они заполняются уже двумя электронами или чтобы суммарный спин был максимальным.

П р и м е р  Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22.

Решение  Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева, то для серы-Z = 16, титана- Z = 22. Электронные формулы имеют вид:

Электронно-графические формулы этих атомов:

П р и м е р Какой энергетический подуровень будет заполняться раньше 3d или 4s?

Решение  В  соответствии  с  принципом  наименьшей  энергии (правило  Клечковского) энергетическому подуровню 3d соответствует сумма n+l= 3 + + 2 = 5, а4s соответствует сумма4 + 0 =

4. Следовательно, сначала заполнится подуровень4s, а затем3d.

П р и м е р  Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

П р и м е р  На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

Решение  Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора- Z = 17, марганца- Z = 25. Электронные формулы имеют вид:

Валентные электроны хлора- 3s23p5, а марганца- 4s23d5. Таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов- 7. Поэтому оба элемента

помещают в одну и ту же группу периодической системы Д. И. Менделеева.

Задачи

156  Чему равно число энергетических подуровней для данного энергетического уровня? Каким значением  главного  квантового  числа  характеризуется  энергетический  уровень,  если  он  имеет 4 подуровня? Дайте их буквенное обозначение.

157  Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n = 3 и l = 1? Чему равно для них значение магнитного квантового числа? Должны ли они иметь антипараллельные спины?

158  Укажите значения квантовых чисел n и  l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 12, 13, 23.

159  Напишите  электронные  и  электронно -  графические  формулы  атомов  с  порядковыми номерами18, 63. К какому электронному семейству они относятся?

160  Объясните, пользуясь правилом Клечковского, какие атомные орбитали заполняются раньше:

а) 3d или 4р; б) 4f или 5p; в) 5p или 6s; г) 4d или 4f.

161  Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов с порядковыми номерами 27, 83. Сколько свободных f-орбиталей в атомах этих элементов?

162  Какие из приведенных электронных формул неверны и объясните причину:

а) 1s12s22p6 

б) 1s22s22p63s23p54s1;

в) 1s22s22p63s1;

г)1s22s22p63s23p63d4;

д) 1s22s22p3;

е) 1s22s3.

163  Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, ml и ms, характеризующие состояние электронов в атоме алюминия.

164  Какое максимальное число электронов находится на s-, p-, d-, f подуровнях? Напишите электронную и электронно-графическую формулу атома с порядковым номером 51.

165  Какое максимальное число электронов может находиться на уровнях К, L, M, N, O, P? Что такое квантовые числа?

166  Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атома некоторого элемента имеют следующие значения: n = 5, l= 0, ml= 0, ms= + 1/2. Сколько свободных 4d-орбиталей

содержит атом данного элемента. Напишите электронную и электронно-графическую формулу данного атома?

167  Напишите значения квантовых чисел  l, ml и ms для электронов, главные квантовые числа которых равны 3 и 4.

168  Укажите порядковый номер элемента у которого:

а) заканчивается заполнение электронами3d-орбитали;  

б)  заканчивается  заполнение  электронами 4s-орбитали;  

в)  начинается  заполнение электронами 4p-орбитали;

г) начинается заполнение электронами 4f-орбитали.

169 Сколько вакантных 3d-орбиталей имеют возбужденные атомы:

а) серы; б) хлора; в) фосфора; г) ванадия?

170  Укажите значения квантовых чисел n и  l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 10, 15, 33.

171  Какое  значение  имеет: а) орбитальное  квантовое  число  для  энергетических  подуровней, емкость  которых равна10 и 14; б) главное квантовое число для энергетических уровней, емкость которых равна 32, 50, 72?

172  Учитывая  емкость  энергетических  уровней,  покажите  сколько  их  содержит  электронная оболочка атома из18, 36, 54 и 86 электронов.

173 Сколько неспаренных электронов содержат атомы в невозбужденном состоянии: а) магния; б) алюминия; в) углерода; г) бора; д) серы?

174  Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 39 и 41. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов.

175  Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит "провал" одного 4s-электрона на 3d-подуровень. Чему  равен  максимальный  спин d-электронов  у  первого  атома  и p-электронов  у  атомов  второго элемента?

176  Напишите  электронные  формулы  атомов  элементов:  а) цезия;  б) бро-ма;  в) ванадия;  г) молибдена; д) железа; е) титана; ж) кальция; з) олова; и) хлора; к) брома; л) кобальта; м) платины; н) свинца; o) марганца; п) серы.

177 Сколько электронов находится на энергетических уровнях, если главное квантовое число равно 2, 3 и 4?

178  Сколько электронов находится на:

а) 4f- и 5d-подуровнях атома свинца;

б) 5s- и 4d-подуровнях атома цезия;

в) 5d- и 4f-подуровнях атома вольфрама;

г) 3p- и 3d-подуровнях атома кобальта;

д) 3d- и 4s-подуровнях атома мышьяка?

179  Сколько нейтронов в ядрах атомов: а) фосфора; б) свинца; в) магния; г) кремния; д) олова; е) серебра; ж) висмута; з) кадмия; и) железа?

180  Какое  максимальное  валентное  состояние  могут  проявлять:  а) олово;  б)  вольфрам;  в) алюминий; г) висмут; д) кальций; е) титан; ж) кислород; з) фтор; и) хлор?

181  Сколько свободных f-орбиталей содержат атомы элементов с порядковыми номерами 57, 68 и 82? Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям.

182  Исходя из электронного строения атомов фтора и хлора объясните сходство и различие свойств этих элементов.

183  Пользуясь  правилом  Клечковского  напишите  электронные  формулы  атомов  следующих элементов: а) марганца; б) хрома; в) циркония; г) гафния.

185  Пользуясь  правилом  Хунда,  распределите  электроны  по  орбиталям,  отвечающим невозбужденному состоянию атомов: а) фосфора; б) углерода; в) марганца; г) кислорода; д) железа.

186  Пользуясь  правилом  Хунда,  распределите  электроны  по  орбиталям,  отвечающим возбужденному состоянию атомов: а) бора; б) серы; в) хлора.

Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

П р и м е р  Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром?

Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение  Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы

Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным

зарядом,  который  приобретает  атом  при  присоединении  того  количества  электронов,  которое

необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2np6).

Данные  элементы  находятся  соответственно  в  главных  подгруппах V, VI, VII-групп и имеют

структуру  внешнего  энергетического  уровня s2р3, s2p4, s2p5.  Следовательно,  степени  окисления

мышьяка, селена, брома в соединениях таковы:

Аs +5 (высшая), -3 (низшая) --- As2O5, AsH3;

Se +6 (высшая), -2 (низшая) --- SeO3, Na 2Se;

Br +7 (высшая), -1 (низшая) --- КВrO4, KBr.

П р и м е р У какого из элементов четвертого периода марганца или брома сильнее выражены

металлические свойства?

Решение  Электронные формулы данных элементов:

25Mn 1s22s22p63s23p64s23d5

35Br 1s22s22p63s23p64s23d104p5.

Марганец- d-элемент VII-группы побочной подгруппы, а бром- p-эле-мент VII-группы главной

подгруппы. На внешнем энергетичеcком уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома- семь.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем

энергетическом  уровне,  а,  следовательно,  тенденцией  терять  эти  электроны.  Они  обладают  только восстановительными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а, следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами,  тогда  как  для  брома,  проявляющего  слабые  восстановительные  свойства  более  свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у марганца.

Задачи

191  Дайте  современную  формулировку  периодического  закона.  Чем  она  отличается  от  той,

которая была дана Д. И. Менделеевым?

192  Открытие каких трех элементов было триумфом периодического закона? Как точно совпали

свойства  этих  элементов  и  их  простейших  соединений  со  свойствами,  предсказанными  Д.  И.

Менделеевым?

193  Покажите, как периодический закон иллюстрирует и подтверждает один из всеобщих законов

развития природы - закон перехода количества в качество.

194  Как учение о строении атома объясняет периодичность в изменении свойств химических

элементов?

195  Какой физический смысл имеет порядковый номер и почему химические свойства элемента в

конечном счете определяются зарядом ядра его атома?

196  Объясните  три  случая (укажите  их)  отклонения  от  последовательности  расположения

элементов в периодической системе по возрастанию их атомных масс?

197  Какова структура периодической системы? Периоды, группы и подгруппы. Физический смысл номера периода и группы.

198  В каких случаях емкость заполнения энергетического уровня и число элементов в периоде: а)

совпадают; б) не совпадают? Объясните причину.

199  Значениям  какого  квантового  числа  отвечают  номера  периодов? Приведите определение

периода, исходя из учения о строении атома?

200  Какие  периоды  периодической  системы  называют  малыми,  а  какие  большими? Чем

определяется число элементов в каждом из них.

201  Укажите  валентные  энергетические  подуровни  в  приведенных  электронных  формулах

нейтральных атомов: а) [KL]3s23p1; б) [K]2s22p5; в) [KLM]4s2 4p3 ; г) [KL]4s23d8.

202  Где в периодической системе находятся благородные газы? Почему раньше они составляли

нулевую группу и как их называли?

203  Почему водород помещают вI и VII группу периодической системы? Какое обоснование

можно дать тому и другому варианту?

204  Как изменяются свойства элементов главных подгрупп по периодам и группам? Что является

причиной этих изменений?

205  Какое  место  в  периодической  системе  занимают  два  элемента,  один  из  которых

характеризуется  наибольшим  значением  ионизационного  потенциала  и  электроотрицательности,  а другой- наименьшими значениями этих величин?

206  В атомах каких элементов осуществляется так называемый "провал" электронов? Объясните

причину этого эффекта.

207  При нормальных условиях только11 химических элементов в свободном виде являются

газами и 2 элемента в свободном виде жидкостями. Укажите символы и названия этих элементов.

208  Конфигурация валентных электронов в атомах двух элементов выражается формулами:

а) 3s23p2 и 4s23d2; б) 4s23d3 и 4s23d104p3. В каких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они отличаться по своим свойствам, имея одинаковое число валентных электронов?

209  Зная число элементов в каждом периоде, определите место элемента в периодической системе

и основные химические свойства по порядковому номеру: 35, 42 и56.

210  Вопреки собственной формулировке Д. И. Менделеев поставил в системе теллур перед иодом, а кобальт перед никелем. Объясните это.

211  Чем можно объяснить общую тенденцию - уменьшение атомных радиусов с увеличением

порядкового номера в периоде и увеличение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в группе?

212  На каком основании хром и сера находятся в одной группе периодической системы?  Почему

их помещают в разных подгруппах?

213  На каком основании фосфор и ванадий находятся в одной группе периодической системы?

Почему их помещают в разных подгруппах?

214  Какой ряд элементов расположен по мере возрастания их атомных радиусов: а) Na, Mg, Al, Si;

б) C, N, O, F; в) O, S, Sc, Fe; г) I, Br, Cl, F.

215 В чем сходство и различие атомов: а) F и Cl; б) N иP.

Ядерные реакции. Радиоактивность

Радиоактивностью  называют  самопроизвольное  превращение  неустойчивого  изотопа  одного химического  элемента  в  изотоп  другого  элемента,  сопровождающееся  испусканием  элементарных частиц или ядер.

Периодом  полураспада  (τ1/2)  называется  время,  за  которое  распадается  половина  исходного количества радиоактивного изотопа. В течение первого периода полураспада распадается 1/2 часть от первоначального числа ядер изотопа N0 и остается 1/2 N0= 2-1 N0

ядер. В течение второго периода распадается половина от 2-1 N0 и остается1/2•2-1 N0= 22 N0 ядер и т.д. В конце n-го периода полураспада остается 2-n N0  ядер  исходного  изотопа.  Аналогичное  выражение  справедливо  для  массы (m)  не распавшегося изотопа:

m = 2-nm0, где m0- исходная масса изотопа.

П р и м е р  Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа равен 3 часам. Какая масса его останется нераспавшейся через18 часов, если первоначальная масса изотопа составляла 200 г?

Решение  За время хранения радиоактивного изотопа прошло18/3 = 6 периодов полураспада (n = 6). Отсюда масса нераспавшегося изотопа, оставшаяся после18 часов хранения, равна:

m = 2-n m0= 2-6•200 = 200/64 = 3,125 г.

К основным видам радиоактивного распада относятся α-распад, β- и  β+

-распад, электронный захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием γ-лучей, т.е. жесткого(с малой длиной волны) электромагнитного излучения.

α-распад  α-частица- ядро атома  гелия  42He. При  испускании α- частицы ядро теряет два протона и два нейтрона, следовательно, заряд ядра уменьшается н а2, а массовое число на 4. Дочернее ядро принадлежит элементу, смещенному в периодической системе на две клетки влево по отношению к материнскому элементу:

β--распад  β--  частица - электрон. β--распаду предшествует процесс:

протекающий в ядре. Таким образом, при испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Дочернее ядро- изобар исходного - принадлежит элементу, смещенному на одну клетку вправо в периодической системе от места материнского элемента:

Позитронный распад  β+-частица- позитрон(е+) - обладает массой электрона и зарядом, равным заряду  электрона,  но  противоположным  по  знаку.  Позитронному  распаду  предшествует  ядерный процесс:

Число протонов в ядре при позитронном распаде уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Образующееся ядро - изобар исходного ядра- принадлежит элементу, смещенному от материнского элемента на одну клетку влево в периодической системе:

Электронный  захват  При  захвате  ядром  электрона  с  ближайшего  к  ядру  К-слоя  в  ядре уменьшается число протонов вследствие протекания процесса:

Заряд  ядра  уменьшается  на  единицу,  а  массовое  число  остается  прежним.  Дочернее  ядро принадлежит элементу (изобару исходного элемента), смещенному по отношению к материнскому на

одну клетку влево в периодической системе элементов:

При переходе периферийных электронов на освободившееся в  К-слое место выделяется энергия в виде кванта рентгеновского излучения.

П р и м е р Закончите уравнения реакции радиоактивного распада:

Уравнения  ядерных  реакций (в  том  числе  и  реакций  радиоактивного  распада)  должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов: а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию,  равна  сумме  массовых  чисел  частиц-продуктов  реакции;  при  этом  массы  электронов,

позитронов и фотонов не учитываются; б) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию и частиц-продуктов реакции, равны между собой.

П р и м е р  Изотоп углерода 11C образуется при бомбардировке протонами ядер атомов 14N. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение  При  ядерных  реакциях  происходит  изменение  состава  ядер  атомов  химических элементов.  С  их  помощью  можно  из  атомов  одних  элементов  получить  атомы  других  элементов.

Превращения атомных ядер записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом сумма массовых чисел и алгебраические суммы зарядов частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны:

Сокращенная форма записи:

14N(p, α) 11С. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую - частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы  

обозначают соответственно α, p, d, n.

Задачи

216  Какие реакции называются ядерными? Чем они отличаются от химических? Кем и когда была впервые осуществлена ядерная реакция?

217  Природный водород состоит из двух изотопов - протия и дейтерия с массовыми долями 99,98 % и 0,02 % соответственно. Вычислите атомную массу водорода.

218  Определите атомную массу кислорода, состоящего из изотопов:

16O, 17O, 18O с массовыми долями 99,76 %; 0,04 %; 0,20 % соответственно.

219  Назовите три изотопа водорода. Укажите состав их ядер. Что такое тяжелая вода? Как она получается и каковы ее свойства?

220  В чем проявляется ограниченность закона сохранения массы? Какой закон применим без нарушений к ядерным реакциям?

221  Природный кремний состоит из трех изотопов: 28Si, 29Si, 30Si с массовыми долями процентов 0,923; 0,047; 0,030 соответственно. Вычислите атомную массу природного кремния.

222  Природный хлор состоит из двух изотопов: 35Cl и 37Cl. Относительная атомная масса хлора равна 35,5. Определите содержание изотопов хлора в массовых долях процента.

223  Определите атомную массу бора, состоящего из изотопов:

10B и 11B c массовыми долями19,6 % и 80,4 % соответственно.

224  Что такое изотопы и изобары? Чем объясняется, что у большинства элементов атомные массы выражаются дробными числами?

225 Вычислите массовые доли изотопов 79Br и 81Br в броме, атомная масса которого равна79,12.

226  Природный  неон  состоит  из  изотопов: 20Ne и 22Ne c массовыми  долями 90 % и 10 % соответственно. Вычислите атомную массу неона.

227  При бомбардировке ядер атомов бора 105B нейтронами был  получен изотоп лития 73Li. Определите промежуточное ядро и выброшенную частицу. Напишите уравнение реакции.

228  В результате бомбардировки изотопа неона 2110Ne некоторыми частицами образуется фтор и α-частица. Определите бомбардирующую частицу.

229  При действии α-частиц на 24Mg образуется неуcтойчивый изотоп другого элемента и электрон. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите ее в сокращенной форме.

230  Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций напишите их полные уравнения:

а) 6329Сu(p, n)6330Zn;

б) 9842Mo(n, -е ) 9943Tc;  

в) 27Al(p, α)24Mg;

г) 59Co (n, α) 56Mn;

д) 253Es (α, n) 256Md;

е) 242Сm (α, 2n) 244Сf.

231  При бомбардировке протонами ядер: а) изотопа 2110Ne образуются α-частицы; б) изотопа 6329 Cu - нейтроны. Какие изотопы и каких элементов при этом образовались?

232  Сколько α-частиц теряет ядро атома радона, если в результате образуется изотоп свинца 21432Pb?

233 Какие элементы образуются при α-распаде ядер атомов:

115B; 2814Si; 21484Po?

234 Какие элементы образуются при β-распаде ядер атомов:

23490Th;21482Pb;21083Bi.

235  Радиоактивный иод131I имеет период полураспада, равный 8 дням. Если взять100 мг этого изотопа, то сколько его останется через 16 дней.