Домашнее задание по теме «СТРОЕНИЕ АТОМА».
Теоретические основы
Квантово-механическая модель атома. Квантовые числа. Атомные орбитали. Принцип Паули. Правило Гунда (или Хунда). Принцип минимума энергии (правило Клечковского). Электронные и электронно-графические формулы атомов и их ионов (полные, сокращенные, валентных электронов) в основном и возбужденном состояниях. Ядро атома, атомный номер и массовое число. Состав ядра. Периодический закон и периодическая система элементов . Основные характеристики атомов элементов: радиус атома, энергия ионизации, энергия сродства к электрону, относительная электроотрицательность. Изменение основных характеристики атомов элементов по группам и периодам в периодической системе элементов .
Задание:
- написать краткий конспект по данной теме;
- для элементов, соответствующих Вашему варианту, ответить на следующие вопросы:
1. Напишите электронные формулы атомов и их ионов в соответствии с правилом Клечковского.
2. Определите для каждого атома число протонов, электронов, нейтронов.
3. Определите число энергетических уровней у каждого атома.
4. Определите, в какой группе и подгруппе (главной – А или побочной - В) находится каждый атом.
5. К какому семейству элементов принадлежит каждый атом.
6. Напишите сокращенные электронные формулы для внешних и валентных электронов данных атомов.
7. Изобразите электронно-графические формулы валентных электронов данных атомов и определите значения всех квантовых чисел этих электронов.
8. Определите суммарный спин электронов подуровня, заполняющегося последним.
9. Определите число спаренных и неспаренных валентных электронов данных атомов в нормальном состоянии.
10. Определите число свободных и занятых атомных орбиталей на последнем уровне данных атомов в нормальном состоянии.
11. Напишите сокращенные электронные и электронно-графические формулы для всех возможных возбужденных состояний данных атомов.
Вариант | Элементы |
1 | Галлий, иттрий, натрий |
2 | Кобальт, стронций, сера |
3 | Рений, йод, магний |
4 | Таллий, цирконий, кальций |
5 | Висмут, рутений, бериллий |
6 | Никель, астат, рубидий |
7 | Родий, свинец, калий |
8 | Рений, селен, натрий |
9 | Вольфрам, хлор, радий |
10 | Титан, сурьма, барий |
11 | Бром, молибден, кальций |
12 | Мышьяк, тантал, стронций |
13 | Олово, иридий, калий |
14 | Кадмий, осмий, фосфор |
15 | Ванадий, франций, кремний |
Вариант | Элементы |
16 | Фосфор, вольфрам, калий |
17 | Индий, магний, тантал |
18 | Технеций, сера, барий |
19 | Рубидий, мышьяк, вольфрам |
20 | Хром, радий, олово |
21 | Марганец, сурьма, натрий |
22 | Йод, титан, франций |
23 | Алюминий, цирконий, рубидий |
24 | Калий, сурьма, тантал |
25 | Магний, осмий, бром |
26 | Хлор, франций, иттрий |
27 | Селен, барий, рений |
28 | Кальций, йод, тантал |
29 | Натрий, мышьяк, иридий |
30 | Кремний, молибден, радий |
Образец решения.
Задание. Для элементов цезий, железо и теллур ответить на вопросы:
1. Определите число энергетических уровней у каждого атома.
2. Определите, в какой группе и подгруппе (главной – А или побочной - В) находится каждый атом.
3. Определите для каждого атома число протонов, электронов, нейтронов.
4. Напишите электронные формулы атомов и их ионов в соответствии с правилом Клечковского.
5. К какому электронному семейству элементов принадлежит каждый атом.
6. Напишите сокращенные электронные формулы для внешних и валентных электронов данных атомов.
7. Изобразите электронно-графические формулы валентных электронов данных атомов и определите значения всех квантовых чисел этих электронов.
8. Определите суммарный спин электронов подуровня, заполняющегося последним.
9. Определите число спаренных и неспаренных валентных электронов данных атомов в нормальном состоянии.
10. Определите число свободных и занятых атомных орбиталей на последнем уровне данных атомов в нормальном состоянии.
11. Напишите сокращенные электронные и электронно-графические формулы для всех возможных возбужденных состояний данных атомов.
Cs (цезий) | Fe (железо) | Te (теллур) |
1.Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором расположен элемент в таблице Менделеева:
NУРОВНЕЙ (Cs) = 6 | NУРОВНЕЙ (Fe) = 4 | NУРОВНЕЙ (Te) = 5 |
2.Группу и подгруппу, в которой расположен элемент, определяем по таблице
Менделеева
По таблице Менделеева: Cs – I группа Аподгр (главная) | По таблице Менделеева: Fe – VIII группа Bподгр (побочная) | По таблице Менделеева: Te – VI группа Аподгр (главная) |
3.Число протонов (р) = номеру порядковому в таблице Менделеева
Число электронов в атоме (e) = числу протонов
Число нейтронов (n) = атомная масса – число протонов = А - р
А — атомная масса одного из изотопов по таблице Менделеева.
p (Cs) = 55 e (Cs) = 55 n (Cs) = 133 – 55 = 78 | p (Fe) = 26 e (Fe) = 26 n (Fe) = 56 – 26 = 30 | p (Te) = 52 e (Te) =52 n (Te) = 128 – 52 = 76 |
4. Электронные формулы в соответствии с правилом Клечковского (принцип минимума энергии):
1s1-2 2s1-2 2p1-6 3s1-2 3p1-6 4s1-2 3d1-10 4p1-6 5s1-2 4d1-10 5p1-6 6s1-2 5d1 4f1-14 5d2-10 6p1-6
7s1-2 6d1 5f1-14 6d2-10 7p1-6
для р - и d - элементов 6-го периода, кроме лантана записываем: ... 6s24f145d2-106p1-6
для р - и d - элементов 7-го периода, кроме актиния записываем: ... 6s24f145d106p6
7s25f14 6d2-10 7p1-6
Для написания электронной формулы иона, следует определить, какое простое вещество образует элемент: металл или неметалл.
Атомы металлов образуют простые ионы-катионы со степенями окисления от +1 до +4:
s- элементы отдают валентные электроны с s-подуровня последнего уровня;
р- элементы отдают валентные электроны сначала с p-подуровня, затем и
с s-подуровня последнего уровня;
d-элементы отдают валентные электроны сначала с s-подуровня последнего уровня, а затем и с d-подуровня предпоследнего уровня.
Атомы неметаллов образуют простые ионы-анионы, принимая электроны на p-подуровень последнего уровня, чтобы на подуровне (максимально) стало 6е.
Cs (цезий) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 6s1 | Fe (железо)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 | Te (теллур)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p4 |
Cs - металл Cs – 1е →Cs+1 катион: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 | Fe - металл Fe — 2е → Fe2+ катион:1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d6 Fe — 3е → Fe3+ катион:1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d6 | Te - неметалл Te + 2е →Te2- анион: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 |
5.Электронное семейство элемента определяется подуровнем, который в атоме заполняется электронами последним.
Cs - цезий Семейство s-элементов, т. к. последним заполняется s- подуровень (6s) | Fe (железо) Семейство d-элементов, т. к. последним заполняется d-подуровень (3d) |
Te (теллур) Семейство p-элементов, т. к. последним заполняется p-подуровень (5p) |
6. Внешние электроны – это электроны, находящиеся на внешнем (последнем)
уровне.
Валентные электроны определяются электронным семейством элемента:
для s-элементов — это электроны, находящиеся на внешнем (последнем)
уровне, т. е. совпадают с внешними электронами;
для p-элементов - это электроны, находящиеся на внешнем (последнем)
уровне, т. е. совпадают с внешними электронами;
для d-элементов - это электроны, находящиеся на s- подуровне внешнего (последнего) уровня и на d-подуровне превнешнего (препоследнего) уровня.
Cs - цезий Внешние электроны: 6s1 Валентные электроны: для s-элементов соответствуют внешним электронам: 6s1 6s1
| Fe (железо) Внешние электроны: 4s2 Валентные электроны: для d-элементов - это электроны последнего s-подуровня и электроны d-подуровня предпоследнего уровня:4s23d6 4s2 │ 3d6
|
Te (теллур) Внешние электроны: 5s25p4 Валентные электроны: для p-элементов соответствуют внешним электронам: 5s25p4 5s2│ 5p4
|
7. Для полного описания состояния каждого электрона в атоме в квантово-волновой механике используется система четырех параметров n,l,ml ,ms , называемых квантовыми числами. Квантовые числа - величины безразмерные.
1) n – главное квантовое число определяет общую энергию электрона на данной орбитали и указывает, насколько данное электронное облако удалено от ядра: чем больше значение n, тем слабее связан электрон с ядром.
n соответствует (равно) номеру уровня, на котором находится электрон;
2) l – побочное (орбитальное) квантовое число характеризует различное энергетическое состояние электронов в пределах данного уровня, а также форму электронного облака, пространственную область его наиболее вероятного нахождения. Возможное число подуровней в каждом энергетическом уровне равно значению главного квантового числа:
n = 1, то число подуровней = 1, s - подуровень;
n = 2, то число подуровней = 2, s - и p - подуровни;
n = 3, то число подуровней = 3, s-, p -, d-подуровни;
n = 4, то число подуровней = 4, s -, p - , d -, f - подуровни.
l соответствует (равно) номеру подуровня, на котором находится электрон,
если электрон находится на s-подуровне, то для этого электрона l=0
если электрон находится на p-подуровне, то для этого электрона l=1
если электрон находится на d-подуровне, то для этого электрона l=2
если электрон находится на f-подуровне, то для этого электрона l=3
3) ml – магнитное (азимутальное) квантовое число характеризует направление орбитального момента количества движения электрона и определяет ориентацию атомных орбиталей в магнитном поле атома, а также число атомных орбиталей на энергетическом подуровне.
Возможное число атомных орбиталей на подуровне равно 2l + 1 и принимает целочисленные значения от -l до + l, включая и ноль,
ml соответствует (равно) номеру орбитали, на которой находится электрон:
s-подуровень имеет одну орбиталь: ml =0
p-подуровень имеет три орбитали: ml = -1 0 +1
d-подуровнь имеет пять орбиталей: ml = -2 -1 0 +1 +2
4) ms – спиновое квантовое число характеризует собственный момент количества движения электрона (вокруг своей оси), получивший название спин
ms может принимать только два значения:
если ↑, то ms = + 1/2 , если ↓, то ms = - 1/2
При заполнении подуровня с несколькими атомными орбиталями сначала заполняют все орбитали электронами с одним спином (или все ↑, или все ↓) в соответствии с правилом Гунда (или Хунда) и только затем добавляют на каждую орбиталь по второму электрону с противоположным спином (принцип Паули).
Cs - цезий Квантовые числа для валентных электронов(6s1) атомов цезия: 6s1
n 6 l 0 ml 0 ms +1 2 | Fe (железо) Квантовые числа для валентных электронов (4s2 3d6 )атомов железа: 4s2 │ 3d6
n 4 4 3 3 3 3 3 3 l 0 0 2 2 2 2 2 2 ml 0 0 -2 -2 -1 0 +1 +2 ms +1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 +1 2 2 2 2 2 2 2 2 | Te (теллур) Квантовые числа для валентных электронов (5s2 5p4) атомов теллура: 5s2 │ 5p4
n 5 5 5 5 5 5 l 0 0 1 1 1 1 ml 0 0 -1-1 0 +1 ms +1 -1 +1 -1 +1 +1 2 2 2 2 2 2 |
8.Суммарный спин – это сумма значений ms всех электронов на подуровне, взятое по абсолютной величине (по модулю).
В атоме цезия последним заполняется 6s1
Суммарный спин: ∑ (ms)6s = │+1/2│= 1/2 | В атоме железа последним заполняется3d6
Суммарный спин: ∑(ms)3d = =│+1/2-1/2+1/2+1/2+1/2+1/2│ = 4/2 = 2 | В атоме теллура последним заполняется 5p4
Суммарный спин: ∑(ms)5p =│+1/2 1/2+1/2+1/2│= = 2/2 = 1 |
9. Электроны, находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно направленными спинами ↑↓, называются спаренными, а одиночный электрон на орбитали называется неспаренным.
Валентные электроны у атома цезия: 6s1
1 неспаренный электрон | Валентные электроны у атома железа: 4s2 │ 3d6
4 спаренных электрона 4 неспаренных электрона | Валентные электроны у атома теллура: 5s2 │5p4
4 спаренных электрона 2 неспаренных электрона |
10. Число возможных атомных орбиталей (АО) на уровне равно N 2 уровня, но реально в настоящее время известны только подуровни: s,p,d,f
Последний (внешний)уровень у атома шестой (6) уровень: число возможных атомных орбиталей равно 62 = 36, т. е. 1 занятая и 35 свободных реально существующих атомных орбиталей равно 16 (подуровни s,p,d,f ) 6s1│ 6p │6d │6f
Реально 1 занятая и 15 свободных АО | Последний (внешний)уровень у атома четвертый (4) уровень: число возможных и реально существующих атомных орбиталей равно 42 = 16, т. е. 1 занятая и 15 свободных 4s2 │4p│4d │4f
Реально 1 занятая и 15 свободных АО | Последний (внешний)уровень у атома пятый (5) уровень: число возможных атомных орбиталей равно 52 = 25, т. е. 4 занятых и 12 свободных реально существующих атомных орбиталей равно 16 (подуровни s,p,d,f ) 5s2│5p4 │5d │5f
Реально 4 занятых и 12 свободных АО |
11.Возбужденное состояние возможно для тех атомов, у которых на внешнем уровне есть спаренные электроны и свободные атомные орбитали (АО). Атом при получении дополнительной энергии может переходить в возбужденное состояние - это распаривание электронов последнего (внешнего) уровня и переход их на свободные орбитали этого же уровня.
У атома цезия на внешнем уровне 1 неспаренный электрон, нет возбужденного состояния, т. к. нет спаренных электронов. | У атома железа на внешнем уровне имеются и спаренные электроны и свободные орбитали, т. е. возможно возбужденное состояние Fe⃰ 4s1 │4p1
| У атома теллураа на внешнем уровне имеются и спаренные электроны и свободные орбитали, т. е. возможно возбужденное состояние 1-ое возбужденное состояние Te⃰ 5s2│ 5p3 │5d1
2-ое возбужденное состояние Te⃰ ⃰ 5s1│ 5p3 │5d2
|
