Учебно-методический комплекс дисциплины «Химия» для специальности 5В071700 — «Теплоэнергетика» (стр. 7 )

  1) вначале электроны заполняют максимально низкие из свободных уровней энергии;

2) если конкретный энергетический уровень имеет более одного подуровня, то каждый из подуровней будет заполняться только одним электроном до тех пор, пока все уровни этого уровня не будут иметь по одному электрону и лишь затем эти подуровни начинают заполняться вторым электроном. Это называется правилом Хунда;

3) последовательность заполнения атомных электронных орбиталей в зависимости от значения главного и орбитального квантовых чисел была исследована Клечковским, который установил, что энергия электронов возрастает по мере увеличения суммы этих двух квантовых чисел (n+l). В соответствии с этим им было сформулировано следующее положение:

а) первое правило Клечковского – при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы (n+l) к орбиталям с большим значением этой суммы;

б) второе правило Клечковского – согласно которому при одинаковых значениях суммы (n+l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения главного квантового числа.

3. Строение атомных ядер и изотопов. Ионы, энергия ионизации и сродство к электрону.

Атом любого элемента состоит из одних и тех же частиц единственное что меняется это количество различных субатомных частиц: протон, электрон, нейтрон.

Основные характеристики трех основных субатомных частиц

Название	Символ	Заряд	Масса в а. е.м.	Местоположение
Протон	p+	+1	1	Ядро
Нейтрон	n0	0	1	Ядро
Электрон	e-	-1	0,0005	Вне ядра

По сравнению с остальной частью атома ядро имеет крайне малый размер и большую плотность. В основном диаметр атомов равен примерно 10-10 м, а диаметр ядер приблизительно 10-15 м. В атоме все протоны и нейтроны находятся внутри ядра. Ядро составляет большую часть массы атома, поэтому при расчетах массу атома можно считать равной сумме масс протонов и нейтронов. Целое число равное сумме протонов и нейтронов в ядре атома называется массовым числом ядра, а количество в атоме одних только протонов называется порядковым номером (атомный номер или заряд ядра). Для обозначения атомных ядер применяют структурный символ элемента.

A – массовое число (p++ n0); Z – порядковый номер (p+): 

Количество электронов в атоме равно количеству протонов ядра всех атомов данного элемента имеют одинаковый заряд, то есть содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов в ядрах этих атомов может быть различным. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов, называется изотопами. Для обозначения изотопов пользуются обычными символами соответствующих элементов, добавляя к ним слева вверху индекс, указывающий массовое число изотопа: 1H; 2H; 3H

Атомы элементов способны отдавать, присоединять электроны и образовывать общие электронные пары. Атомы, лишившиеся одного или не нескольких электронов, становится заряженным положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы, присоединившие к себе лишние электроны, заряжаются отрицательно, образующиеся заряженные частицы называются ионами. Ионы обозначают теми же символами, что и атомы, указывая справа вверху их заряд, например положительный трех зарядный ион Al обозначают Al3+, отрицательный – Cl-. Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию называемую энергией ионизации. Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электрона становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах (В). Величина потенциала ионизации может служить мерой большей или меньшей металличности элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома. Тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента. Атомы могут также присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону. Сродство к электрону, как и энергия ионизации обычно выражается в электрон-вольтах (эВ). Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно. Из этого следует, что для атомов большинства металлов присоединение электронов энергетически невыгодно. Сродство к электрону атомов неметаллов всегда положительно.

4. Радиоактивность

       Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, б - частиц).

Радиоактивность, проявляемая природными изотопами элементов, называется естественной радиоактивностью.

Самопроизвольный распад ядер описывается уравнением: mt = m0 • (1/2)t / T1/2 где mt и m0 - массы изотопа в момент времени t и в начальный момент времени; Т1/2 - период полураспада, который является постоянным для данного изотопа. За время Т1/2 распадается половина всех ядер данного изотопа.

Основные виды радиоактивного распада.

a - распад. Сопровождается потоком положительно заряженных ядер атома гелия 42Не (a - частиц) со скоростью 20000 км/с. При этом заряд Z исходного ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах элементарного заряда), а массовое число А - на 4 единицы (в атомных единицах массы).

Z' = Z – 2

A' = A – 4

т. е. образуется атом элемента, смещенного по периодической системе на две клетки влево, от исходного радиоактивного элемента, а его массовое число на 4 единицы меньше исходного.

226 82

Ra ®

222 80

Rh +

4 2

He

b - распад. Излучение ядром атома потока электронов со скоростью 100'000 - 300'000 км/с. (Электрон образуется при распаде нейтрона ядра. Нейтрон может распадаться на протон и электрон.) При b - распаде массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1(Химический элемент смещается в периодической системе на одну клетку вправо, а его массовое число не изменяется):

234 90

Th ®

234 91

Po +

0 -1

e

g - распад. Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой проникающей способностью, при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд остаются неизменными. (Химический элемент не смещается в периодической системе, его массовое число не изменяется и лишь ядро его атома переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное).

Ядерные реакции - превращения ядер, происходящие при их столкновении друг с другом или с элементарными частицами. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом (1919 г.) при бомбардировке ядер азота a-частицами:

14 7

N +

4 2

He ®

17 8

O +

1 1

H

С помощью ядерных реакций были получены изотопы многих химических элементов и ядра всех химических элементов с порядковыми номерами от 93 до 110.

Основные понятия: Ядерная модель атома. Протоны, нейтроны, электроны. Основные положения квантовой механики. Уравнение Де Бройля. Корпускулярно – волновой дуализм. Волновая функция. Атомная орбиталь. Квантовые числа. Принцип заполнения орбиталей в многоэлектронных атомах. Принцип Паули, Правила Клечковского и Гунда.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какими научными открытиями была доказана сложность строения атома?

2. Сформулируйте основные принципы ядерной модели атома.

3. Достижения и противоречия атомной модели Резерфорда.

4. Основные положения постулатов Бора.

5. Из каких элементарных частиц состоит атомное ядро?

6. Что характеризует главное квантовое число?

7. Что характеризует спиновое квантовое число?

8. Как составляются электронные формулы?

9. Объясните правила Клечковского?

10. Каков смысл понятия атомная орбиталь? Каковы формы s и p - орбиталей?

11. Укажите число орбиталей, которые характеризуются следующими значениями орбитального квантового числа: 2; 1; 0.

12. Какое число электронов может находиться в энергетических состояниях 2s; 3p; 4d; 5f?

13. Составьте электронные формулы для атомов элементов: хлора, ванадия, олова.

14. Чему равен суммарный спин электронов в невозбужденном атоме хрома?

Лекция

Учение о периодичности

План

1. Современная формулировка периодического закона.

2. Периодическая система элементов и электронное строение атома. Структура периодической системы: периоды, группы и подгруппы. s-, p-, d-, f - элементы. Типические элементы. Переходные металлы.

3. Изменение свойств элементов в периодической системе (вертикальная, горизонтальная периодичность, диагональное сходство). Периодичность изменения окислительно-восстановительных свойств.

4. Перспективы развития периодической системы.

1. Периодичный закон, открытый в 1869 г., в современной формулировке гласит: свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Заряд ядра (число протонов) равен атомному номеру элемента, определяет число электронов в атоме и, как следствие этого, строение его электронной оболочки в основном состоянии.

2. Графическим изображением периодического закона является таблица периодической системы элементов. Формы такого изображения различны.