Общая химия. Теория и задачи под ред. Н. В. Коровина и Н. В. Кулешова, страница 5

За единицу в шкале электроотрицательности принято значение ЭО для атома лития. Наиболее электроотрицательный атом фтора имеет значение 4.Электроотрицательности элементов изменяются периодически с последовательным изменением заряда ядра атома(табл. 1.1).2543225482"2548292 626%2842 5483543228422842)*2842(284.2+2543225422292542672548222123452452542&"2542725422222542*254!2254!22226254.2$2542"254!2222)25422542#25422227(23432)%234322542222/"23432),23432$2542222823432-2343272542222%23422542%2542222423452-254.2þ!22227254225422542/#254.2*2542#2542'2542234223482'254!22212345677568953275233577728972542*2542(234822345224822$234820123452234223422422823432/23429"23422482248221 2 3 4 5 6 2 78987ГЛАВА 1.

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ2728ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИРассмотрим изменение окислительновосстановительной способности элементов по периодам и группам. В периоде число электронов на внешней электронной оболочке возрастает слева направо от одного у атомов щелочныхметаллов до восьми у атомов благородных газов. В том женаправлении — слева направо — в периоде уменьшаютсярадиусы атомов (например, от 0,189 нм у натрия до 0,099 нму хлора).

Следовательно, по периоду с увеличением заряда ядра восстановительная способность элементов уменьшается и увеличивается их окислительная способность.Таким образом, величина ЭО возрастает по периоду слеванаправо, например для третьего периода:123435671234536738933837389797333333317333333333В главных подгруппах значительное увеличение радиусов атомов сверху вниз по периодической системе (например, для главной подгруппы I группы от 0,155 нм уатома лития до 0,268 нм у атома цезия) приводит к ослаблению энергии связи внешних электронов с ядром.

Следовательно, восстановительная способность элементов вглавных подгруппах с увеличением заряда ядра увеличивается, а окислительная — уменьшается. Таким образом,величина ЭО уменьшается по главным подгруппам сверхувниз, например для главной подгруппы VI группы:1234356712323425627828979792929292921722222Самые сильные элементывосстановители, имеющиенаименьшие значения ЭО, расположены в нижней левойчасти Периодической системы элементов (Fr, Cs, Rb, Ra).Самые сильные окислители, имеющие наибольшие велиГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ29чины ЭО, расположены в верхней правой части (F, Cl, О).У атомов d и fэлементов имеются особенности в изменении ЭО, вызванные экранированием d и fэлектронамиядра от электронов внешней оболочки.В заключение отметим, что электроотрицательностьэлементов (табл. 1.1) возрастает по периоду и несколькоубывает в группах с возрастанием номера периода у элементов I, II, V, VI и VII главных подгрупп, III, IV и V побочных подгрупп.

Электроотрицательность имеет сложную зависимость у элементов III главной подгруппы (минимум ЭО у алюминия), возрастает с увеличением номерапериода у элементов IV–VIII побочных подгрупп. Наименьшие значения ЭО имеют sэлементы I подгруппы, наибольшие значения — рэлементы VII и VI групп.ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧЗадача 1.1. Определите длину волны объекта массой100 кг, перемещающегося со скоростью 6 м/с. Характерны ли для этого объекта волновые свойства?Р е ш е н и е. Уравнение де Бройля (1.2) дает связь длины волны частицы с его массой и скоростью, откуда l == 6,63×10-34 Дж×с/(100 кг×6 м/с) = 1,10×10-36 м. Но большаяэто величина или малая? Атом водорода дает излучение винтервале ~ 10-7–10-6 м; как метровый диапазон радиоволн (1–100 м), так и gлучи (~ 10-15 м) имеют длины волннесравнимо больше, чем полученный результат, не поддающийся измерению современными приборами.

Следовательно, для этого тела не характерны волновые свойства,это не микрообъект, а макрообъект, обладающий большоймассой и относительно малой скоростью.Задача 1.2. Скорость движения электрона равна 2×108м/с. Рассчитайте длину волны электрона.Р е ш е н и е. Взаимосвязь между скоростью движенияэлектрона и его длиной волны l (корпускулярноволновой дуализм) выражается уравнением де Бройля:h12,m330ОБЩАЯ ХИМИЯ.

ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИгде h — постоянная Планка, равная 6,63×10–34 Дж×с; m —масса электрона, равная 9,11×10–31 кг; u — его скорость.Следовательно, длина волны электрона:6,63 2 10134344 3,6 2 10112 м.9,11 2 10131 2 2 2 108Задача 1.3. Какова погрешность в определении координаты электрона Dх, движущегося в атоме со скоростьюuх = 2×107 м/с, если погрешность в определении его скорости Duх составляет 1%? Сравните полученный результат срадиусом электрона (rl = 2,82×10–15 м) и размерами атомов.Р е ш е н и е.

По соотношению неопределенности Гейзенберга:h1x 2 1px 3 ,24получаемh1x 2,23 4 me 4 15xтак как Dpx = me × Dux, где me = 9,11×10–31 кг — масса электрона.ТогдаDх ³ 6,63×10–34 Дж×с/(2 × 3,14 × 9,11×10–31 кг × 0,01 ´´ 2×107 м/с);Dх ³ 5,79×10–10 м.Задача 1.4. Имеется ли dподуровень на втором энергетическом уровне?Р е ш е н и е. Нет, так как для dподуровня l = 2, чтовозможно только для значений n ³ 3.Задача 1.5. Почему число АО на Lуровне равно четырем?Р е ш е н и е. Каждая АО характеризуется тремя значениями квантовых чисел: n, l, ml. Уровень L (n = 2) имеет два подуровня: l = 0 и l = 1. При l = 0 имеется единственное значение ml = 0 (одна АО), а при l = 1 имеются три значения ml: –1, 0, +1 (всего три АО).

Тогда общее число АОна Lуровне равно четырем.Задача 1.6. Покажите графически распределение электронов в атомах с конфигурацией d4 в основном состоянии. Определите суммарное значение ms всех четырехэлектронов.ГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ31Р е ш е н и е. В соответствии с правилом Гунда суммарный спиновый момент электронов должен быть максимален при этом знак суммы («+» или «–») не имеет значения. Например:3 ms 1 4 21/2 1 2при следующем распределении:Задача 1.7. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит на 3dподуровне один электрон. В каком периоде, группе и подгруппе он находится икак этот элемент называется?Р е ш е н и е.

В соответствии с принципом наименьшейэнергии 3dподуровень заполняется после заполнения подуровня 4s2:ls22s22p63s33p63d14s2.Общее число электронов в атоме, которое определяетпорядковый номер элемента в периодической системе, 21.Это скандий. Из электронной формулы видно, что этотэлемент находится в четвертом периоде, третьей группе(три валентных электрона 3d14s2), побочной подгруппе(элемент dсемейства).Задача 1.8. Составьте полную и сокращенную электронные формулы атома элемента с порядковым номером 20.Покажите распределение электронов по квантовым ячейкам(атомным орбиталям) внешнего энергетического уровня.Р е ш е н и е. По порядковому номеру заключаем: в атоме 20 электронов. Данный элемент — кальций (Са).

Электронная формула в соответствии с принципом наименьшей энергии имеет видls22s22p63s23p4s2 (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2) = 20.Сокращенная электронная формула — [Аr] 4s2.Электронной формуле атома кальция соответствуетследующее распределение электронов по орбиталям:32ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИЗадача 1.9. Напишите электронную формулу атомафтора. Состояние внешних электронов выразите электроннографической схемой.Р е ш е н и е. Атомный номер фтора равен 9, следовательно, в его атоме имеется 9 электронов.

В соответствиис принципом наименьшей энергии электронная формулафтора: 1s22s22p5. Второй энергетический уровень в атомефтора — внешний. Для внешних электронов составляемэлектроннографическую схему:Задача 1.10. Составьте электроннографические схемывозможных состояний электронов внешнего энергетического уровня атома углерода. Определите суммарный спиндля основного и возбужденного состояния атома.Р е ш е н и е. Электронная формула атома углерода —1s22s22p2, состояние электронов внешнего уровня — 2s22p2.Подуровень 2p не завершен. Схемы распределения электронов на внешнем уровне в основном и возбужденном состояниях атома углерода:Суммарный спин для основного состояния атома:5 ms 1 21/2 3 1/2 2 2 41/2 1 1,а для возбужденного:3 ms 1 4 21/2 1 2.Задача 1.11.

Напишите сокращенные электронные формулы калия и рутения.Р е ш е н и е. В сокращенном виде часть электроннойформулы, соответствующая устойчивой электронной оболочке атома предшествующего благородного газа, заменяется символом этого элемента в квадратных скобках, аостальная часть формулы записывается в обычном виде.В результате электронная формула записывается в видекалий: [Ar]4s1; рутений: [Kr] 4d65s2.ГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ33Задача 1.12.

Определите, к каким семействам химических элементов (s, p, d, f) относятся стронций (Z = 38) ицирконий (Z = 40).Р е ш е н и е. Химические элементы подразделяются начетыре семейства.1) sэлементы. В атомах этих элементов происходитзаполнение электронами sподуровня внешнего (последнего) энергетического уровня;2) pэлементы. Заполняется электронами pподуровеньвнешнего энергетического уровня;3) dэлементы. Заполняется электронами dподуровеньпредвнешнего энергетического уровня;4) fэлементы.

Заполняется электронами fподуровеньвторого снаружи энергетического уровня.Записываем сокращенные электронные формулы данных элементов:Sr: [Kr]5s2 (sэлемент); Zr: [Kr]4d25s2 (dэлемент).Задача 1.13. Определите, к каким семействам химических элементов (s, p, d, f) относятся свинец (Z = 82) исамарий (Z = 62)Р е ш е н и е. Pb: [Xe, 4f145d10] 6s26p2 (pэлемент); Sm:[Xe] 4f56s2 (fэлемент).Задача 1.14. Определите число электронов внешнегоэнергетического уровня в атоме алюминия. К какому семейству химических элементов (s, p, d, f) относится алюминий?Р е ш е н и е. Электронная формула алюминия (Z = 13):1s22s22p63s23p1, или в сокращенном виде: [Ne]3s23p1.

Алюминий принадлежит семейству pэлементов, в его атоме триэлектрона находятся на внешнем энергетическом уровне.Задача 1.15. Охарактеризуйте все неспаренные электроны в атоме марганца (в основном состоянии) квантовыми числами.Р е ш е н и е. Электронная формула атома марганца(Z = 25): 1s22s22p63s23p63d54s2, или в сокращенном виде:[Ar]3d54s2. Из электронной формулы видно, что незавершенным является 3dподуровень, максимально возможноечисло электронов, на котором равно 10, все остальные подуровни завершены полностью, поэтому согласно правилу34ОБЩАЯ ХИМИЯ.

ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИХунда электроны на них спарены. Следовательно, все неспаренные электроны находятся на 3dподуровне. Изобразим электроннографическую формулу для этого подуровня:Состояние электронов в атомах характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным, орбитальным,магнитным и спиновым. Для пяти неспаренных электронов атома марганца их значения приведены в таблице 1.2.1 2 3 4 5 6 2 789712345626789681234567899439747899999325678999999935567899999999999956467899Задача 1.16.

Напишите электронные формулы атомажелеза и ионов железа (+2) и железа (+3).Р е ш е н и е. В атоме железа 3dподуровень заполняется электронами после 4sподуровня, но при ионизацииатома вначале отрываются от атома 4sэлектроны. Поэтому электронные формулы таковы:Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2;Fe2+: 1s22s22p63s23p63d64s0;Fe3+: 1s22s22p63s23p63d54s0.Задача 1.17. Определите число валентных электроновв атоме ванадия.Р е ш е н и е.