Методические указания по основным разделам курса химии

Электронное строение атома

Согласно представлениям квантовой механики электрон имеет двойственную природу: он ведет себя и как частица, и как волна. Электрон в атоме не имеет траектории движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется атомной орбиталью (АО).

Состояние электронов в атоме определяется энергией взаимодействия электронов с ядром. Эта энергия квантована, т. е. ее величина не может быть любой, а принимает лишь определенные значения, зависящие от некоторых величин n, l, ml, которые называются квантовыми числами. Поэтому атомная орбиталь — это энергетическое состояние электрона, для которого определены значения n, l и ml.

Главное квантовое число (n) характеризует уровень энергии электронов (энергетический уровень): чем больше значение n, тем больше энергия соответствующего уровня и средний размер электронного облака. Главное квантовое число принимает целочисленные значения: n = 1, 2, 3 …

Своими значениями главное квантовое число нумерует энергетические уровни, на которых могут находиться электроны в атоме. Число заполняемых электронами энергетических уровней в атоме численно равно номеру периода, в котором находится элемент: у атомов элементов первого периода — один энергетический уровень, второго периода — два и т. д. Каждый энергетический уровень (кроме первого) расщепляется на несколько энергетических подуровней. Эти подуровни энергий определяются орбитальным квантовым числом (l), которое характеризует также форму атомной орбитали. Орбитальное квантовое число принимает значения от 0 до (n — 1): l = 0, 1, 2, 3 … (n — 1).

В зависимости от величины l подуровни энергий различаются по типам, которые обозначаются латинскими буквами. Величине l = 0 соответствует s — подуровень, 1 — p, 2 — d, 3 — f. Чем больше значение l, тем выше энергия соответствующего подуровня в пределах одного и того же энергетического уровня.

1-й уровень (n=1, l = 0) имеет s — подуровень (1s); 2-й уровень (n=2, l = 0, l = 1) имеет sи pподуровни (2s 2p); 3-й уровень (n=3, l = 0, l = 1, l = 2) имеет s-, pи d-подуровни (3s3p3d) и т. д.

Магнитное квантовое число (ml) характеризует пространственную ориентацию атомной орбитали. Его значения зависят от величины орбитального квантового числа: ml = - l … 0 … + l. Например, для l = 1 (р — подуровень), ml = -1, 0, 1. Число значений, принимаемых ml, определяет число АО на данном подуровне. То есть на рподуровне имеется 3 АО, которым соответствуют три различных ориентации в пространстве, на s — подуровне (l = 0, ml = 0) — 1АО, на d (l =2, ml = -2,-1, 0, 1, 2) — 5АО и на f (l =3, ml = -3 -2,-1, 0, 1, 2, 3) — 7АО.

Для условного изображения АО принят символ квадрата называемый квантовой или электронной ячейкой.

Электрон имеет собственный магнитный и механический моменты, которые объединили общим названием «спин», и в связи с этим ввели четвертое квантовое число ms? спиновое число, принимающее всего два значения: + Ѕ (?) и — Ѕ (v).

Порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней подчиняется следующим правилам.

Принцип минимума энергии заключается в том, что заполнение электронами энергетических подуровней происходит в порядке возрастания их энергии. Так как энергия электронов на подуровнях главным образом определяется квантовыми числами n и l, то в первую очередь электроны заполняют подуровень, характеризующийся наименьшей суммой (n + l). Если для двух энергетических подуровней (n + l) одинакова, то прежде всего заполняется подуровень с меньшим значением n. Эти утверждения выражает правило Клечковского, с учетом которого последовательность заполнения электронами энергетических подуровней может быть представлена в виде следующего ряда: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d? 4f < 6p < 7s < 6d? 5f …

Принцип Паули определяет максимальное число электронов на атомной орбитали, которое не может быть больше двух: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Поэтому если на атомной орбитали появляется второй электрон, то он будет иметь спиновое квантовое число противоположного знака. Принцип Паули позволяет определить максимальное число электронов (з) на каждом энергетическом подуровне: s — подуровень — 2 з (s2); p — подуровень — 6 з (p6); d — подуровень — 10 з (d10); f — подуровень — 14 з (f14).

Правило Гунда определяет порядок заполнения атомных орбиталей в пределах данного энергетического подуровня: атомные орбитали заполняются так, чтобы суммарное спиновое квантовое число электронов на подуровне было максимальным. Например, заселение вакантных d-АО пятью электронами возможно в только одним способом, отвечающим наименьшей энергии основного состояния d5:

Распределение электронов по различным АО называется электронной конфигурацией (электронной формулой) атома. Например, электронная конфигурация атома кислорода 1s2 2s2 2p4, а атома натрия — 1s2 2s2 2p6 3s1.

В электронной конфигурации энергетические уровни обозначаются цифрами 1, 2, 3. Каждому энергетическому уровню соответствует определенное квантовое число n = 1, 2, 3 … Энергетические подуровни обозначаются буквенными символами s, p, d, f. Каждый подуровень имеет соответствующее значение орбитального квантового числа l: s — 0, p — 1, d — 2, f — 3. Число электронов, находящихся на подуровне, изображается верхним индексом у буквенного символа, например, 1s2.

При составлении электронной конфигурации необходимо пользоваться Периодической системой Д. И. Менделеева, которая отражает электронное строение атома элемента (см. примеры решения задач).

Строение внешнего энергетического уровня, определяет химические свойства атома — способность принимать или отдавать электроны. Вступая в химическое взаимодействие, атом стремится приобрести наиболее устойчивую конфигурацию внешнего уровня — конфигурацию ближайшего к нему инертного газа: двухэлектронную — ns2 (типа He) или восьмиэлектронную — ns2np6 (любого другого газа). Атомы, которые отдают свои электроны другим атомам при химическом взаимодействии, превращаясь в положительно заряженные ионы, проявляют металлические или восстановительные свойства. Атомы, которые принимают электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы, проявляют неметаллические или окислительные свойства. Заряд образующегося иона называется степенью окисления. В Периодической системе Д. И. Менделеева все элементы делятся на металлы, неметаллы и химически инертные благородные газы (8 группа, главная подгруппа). К металлам относятся s — элементы (элементы, у которых последним заполняется s — подуровень внешнего уровня), кроме водорода и гелия; все d — и f — элементы (у них последними заполняются d — подуровень второго снаружи уровня и f — подуровень третьего снаружи уровня, соответственно); а также некоторые p — элементы (у них последним заполняется p — подуровень внешнего уровня). Среди p — элементов металлы отделены от неметаллов диагональю, проходящей от B к At, и лежат ниже этой диагонали.

Примеры решения задач Пример 1. Какой из подуровней: 4d или 5s заполняется электронами в первую очередь?

Р е ш е н и е. Последовательность заполнения электронами подуровней в атоме определяется правилом Клечковского, которое предполагает сравнение значений суммы (n + l) для каждого из подуровней. Следовательно, надо определить сумму квантовых чисел n и l для данных подуровней: для 4d — подуровня n = 4, l = 2, n + l = 6;

для 5s — подуровня n = 5, l = 0, n + l = 5.

В первую очередь будет заполняться 5s — подуровень, так как для него значение (n + l) меньше, чем для 4dподуровня, то есть 5s — подуровень имеет меньшее значение энергии, чем 4dподуровень, а заполнение подуровней электронами происходит в порядке возрастания их энергии.

Пример 2. Запишите электронную конфигурацию и электронную схему строения внешнего уровня атома элемента с зарядом ядра, равным +33. Определите, какими химическими свойствами обладает атом этого элемента.

Р е ш е н и е. 1) Определим, атом какого элемента имеет Z = +33. Так как заряд ядра атома равен порядковому номеру N элемента в Периодической системе, то элементом с N = 33 является мышьяк (As).

2) Запишем электронную конфигурацию атома As (рассмотрим распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням). Для этого определим координаты данного элемента в Периодической системе, т. е. номер периода (арабская цифра) и номер группы (римская цифра). Группы делятся на две подгруппы — главную (обозначают символом «А») и побочную (обозначают символом «В»). Номер периода равен числу энергетических уровней в атоме, а номер группы — числу электронов на внешнем уровне (валентных электронов). Координаты As: (4, VА) т. е. элемент расположен в четвертом периоде (атом имеет четыре энергетических уровня); в пятой группе (имеет пять электронов на внешнем уровне) и главной подгруппе (р — элемент).

Число электронов в атоме равно заряду его ядра, следовательно, электронная оболочка As содержит 33 электрона. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням проводим в соответствии с порядком их заполнения, учитывая максимальное число электронов на каждом подуровне: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3.

В электронной конфигурации выделим строение внешнего уровня, на котором находятся валентные электроны, способные участвовать в химическом взаимодействии — 4s2 4p3.

• 3) Изобразим электронную схему строения внешнего уровня, которая характеризует распределение электронов по энергетическим уровням, подуровням и атомным орбиталям, руководствуясь принципом Паули и правилом Гунда:4p
• 4) Определим химические свойства атома As.

Химические свойства атома определяются строением внешнего энергетического уровня. Вступая в химическое взаимодействие, любой атом стремится завершить внешний уровень. Атом As имеет 5 валентных электронов, поэтому завершение внешнего уровня возможно за счет присоединения трех электронов. Принимая их, атом мышьяка проявляет окислительные свойства:

As0 + 3з = As3;

4s2 4p3 4s2 4p6.

Атом мышьяка может проявлять восстановительные свойства, отдавая электроны внешнего уровня — три или все пять:

As0 — 3з = As3+ As0 — 5з = As5+.

4s2 4p3 4s2 4s2 4p3 3s2 3p6 3d10.

Пример 3. Электронная конфигурация атома имеет вид: [Kr] 4d2 5s2. Определите, какой это элемент, и какие химические свойства проявляет атом этого элемента.

Р е ш е н и е. 1) Определим координаты атома данного элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Из электронной конфигурации атома видно, что главное квантовое число внешнего энергетического уровня равно пяти (n = 5), т. е. атом имеет пять энергетических уровней, следовательно, элемент расположен в 5-м периоде. Число валентных электронов равно четырем, значит, элемент расположен в IV группе. Так как незавершенным является dподуровень (т.е. он заполняется последним), то мы имеем дело с dэлементом, а все dэлементы расположены в Периодической системе Д. И. Менделеева в побочных подгруппах. Таким образом, элемент (Э) имеет следующие координаты: Э (5, IVВ). Как видно из Периодической системы, этот элемент — цирконий (Zr).

2) Установим химические свойства атома циркония.

Вспомним, что все d — элементы являются металлами. Значит, атом циркония проявляет восстановительные свойства и способен только отдавать свои валентные электроны, превращаясь в положительно заряженный ион со степенью окисления +4: Zr0 — 4з = Zr4+.