ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМОВ Методическое указание по курсу «Общая химия» для учащихся 11 классов средних общеобразовательных школ

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 36 им. М.П.Одинцова

ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМОВ

Методическое указание по курсу «Общая химия» для учащихся 11 классов средних общеобразовательных школ

В методических указаниях рассмотрены квантовые числа, основные принципы заполнения орбиталей электронами, электронные формулы атомов и ионов. В них даны задания для самостоятельной работы, ответы к ним, а также приведены типичные примеры.

Методические указания рекомендуются учащимся 11-х классов средних общеобразовательных школ. Указания помогут лучше освоить указанную тему.

Составила Г.О.Николаенко, учитель 1 категории, МБОУ СОШ № 36

Г. Екатеринбург, 2015

КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА

Атом – сложная система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Количество электронов в атоме равно заряду его ядра и совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице Д.И.Менделеева. Каждый электрон в атоме обладает только ему присущей энергией. В квантовой механике для характеристики энергетического состояния электронов используются четыре квантовых числа: n, l,m,s.

n – главное квантовое число характеризует энергию электрона в зависимости от удалённости его от ядра. n принимает целочисленные положительные значения и определяет номер энергетического уровня, номер квантового слоя. Если n=1, то говорят, что электрон находится на первом от ядра уровне, если n=2, то на втором и т.д. Чем больше n, тем больше энергия электрона. В периодической таблице Д.И.Менделеева n = номеру периода, в котором находится элемент.

l – орбитальное квантовое число характеризует энергию электрона в зависимости от формы орбитали, т.е. электроны в пределах уровня распределяются по подуровням. l принимает целочисленные значения от 0 до (n – 1), где n – главное квантовое число.

Значение l	0	1	2	3
Обозначение подуровня в электронных формулах	s	p	d	f
Форма орбитали	Сфера(шар)	Гантель	Многолепестковая гантель	Более сложная

Например: запись 3р⁴ читается: «три пэ четыре» и означает, что рассматриваются четыре электрона третьего уровня р-подуровня, т.е. n=3,

l = 1.

Задание №1. Каковы значения главного и орбитального квантовых чисел для 3р и 4d электронов?

Ответы: для 3р электронов n=3 и l = 1. Для 4d электронов n=4 и l = 2.

В зависимости от типа достраивающихся в атоме орбитали различают s-, p-, d- и f- элементы соответственно.

m- магнитное квантовое число характеризует энергию электрона в зависимости от ориентации орбитали во внешнем магнитном поле. m принимает значения от + l через 0 до – l. Если l = 0 (s-подуровень), то m=0 (одно значение), т.е. s-орбиталь имеет одну ориентацию в пространстве, обозначается одной квантовой ячейкой

Для l = 1(p-подуровень) m=+1, 0, -1 (три значения m), т.е. р-орбиталь имеет три ориентации в пространстве, по трём осям координат. Это обозначается тремя квантовыми ячейками m : +1 0 -1 и так далее:

l = 2 (d-подуровень), m: +2 +1 0 -1 -2

l = 3 (f-подуровень), m: +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

Таким образом d-подуровень имеет пять квантовых ячеек, f-подуровень – семь.

S – спиновое квантовое число характеризует энергию электрона в электромагнитном поле в зависимости от вращения его вокруг собственной оси (электроны вращаются не только вокруг ядра, но и каждый электрон ещё вращается вокруг собственной оси). S принимает значения + 1/2 или –1/2 и в квантовой ячейке обозначается стрелкой вверх или вниз

Состояние любого электрона в атоме описывается набором четырёх квантовых чисел.

Задание № 2. Указать значения всех четырёх квантовых чисел для 3 S² – электронов:

Квантовое число	n	l	m	s
1-й электрон	3	0	0	-1/2
2-й электрон	3	0	0	+1/2

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМАХ

Принцип Паули: в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел. Отсюда следует, что на каждой орбитали может быть не более двух электронов, при этом они должны отличаться спином.

Принцип Паули позволяет рассчитать максимальное число электронов на подуровне, а следовательно и в уровне. Например, в р-подуровне, имеющем три орбитали, максимальное число электронов равно шести. Максимальное число электронов в уровне определяется формулой 2 n², где n – главное квантовое число. Поэтому 1-й уровень – максимум 2 электрона, 2-й уровень – 8 электронов, в 3-м уровне – 18 электронов, в 4-м уровне – 32 электрона.

Правило Хунда: когда атом находится в устойчивом состоянии, электроны в пределах подуровня распределяются так, чтобы было максимальное число не спаренных электронов с параллельными спинами. Например, р- электроны в пределах подуровня необходимо распределять так: р² р³ р⁴

Задание № 3 распределить по квантовым ячейкам 3d³4s² – электроны. Сколько ячеек занято спаренными, неспаренными электронами?

Ответ 3d 4s

Спаренными электронами занята одна ячейка, неспаренными - три ячейки.

Принцип наименьшей энергии: электроны заполняют в атоме орбитали с наименьшей энергией.

Последовательность заполнения атомных орбиталей электронами зависит от значений главного и орбитального квантовых чисел. Эту зависимость установил В.М.Клечковский, который сформулировал следующие правила:

1. Электроны последовательно заполняют орбитали от меньших значений суммы (n + l ) к орбиталям с большим значением этой суммы;

2. Если для двух орбиталей суммы (n + l ) оказываются одинаковыми, то электрон располагается там, где n меньше.

Задание № 4 Рассчитайте, какой подуровень заполняется электронами раньше 4s или 3d?

Ответ подуровень 4s n=4, l=0, n + l=4+0=4

подуровень 3d n=3, l=2, n + l=3+2=5

следовательно, энергия электронов Е_4s Е_3d , то есть первым заполняется 4s -, затем 3d - подуровень.

Задание № 5 Рассчитайте, какой подуровень заполняется электронами раньше 5s или 3d?

Ответ подуровень 5s n=5, l=0, n + l=5+0=5

подуровень 3d n=3, l=2, n + l=3+2=5

по второму правилу Клечковского сначала заполняется 3d-подуровень, так как его энергия меньше, а также меньшее значение у главного квантового числа.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ФОРМУЛЫ АТОМОВ

Для описания электронной формулы атома необходимо знать его положение в периодической системе Д.И.Менделеева.

Период – горизонтальная последовательность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (кроме 1 периода). Всего периодов – 7: 1,2,3 малые периоды, с 4 по 7 – большие периоды (состоят из двух рядов элементов).

Группы – последовательность элементов, расположенных вертикально. Всего восемь групп. Каждая группа состоит из подгрупп – главной и побочной.

Главные подгруппы включают элементы и малых, и больших периодов, в них входят s- и р- элементы. s- элементы находятся в I и II группах, обладают ярко выраженными металлическими свойствами. р - элементы располагаются начиная с III группы до конца периода. В каждом периоде не более шести р – элементов, так как на р - подуровне не более 6 электронов. По мере заполнения р – подуровня электронами усиливаются неметаллические свойства элементов.

Подгруппа объединяет сходные между собой элементы. Например, главную подгруппу VII группы составляют галогены – F, Cl, Br, I, At, элементы с ярко выраженными неметаллическими свойствами. Побочную подгруппу этой группы составляют металлы Mn, Tc, Re. Не следует различать главную и побочную подгруппу по их расположению слева или справа в пределах группы.

Задание № 6 Укажите положение атома скандия Sc в периодической системе.

Ответ: № 21, период – IV, группа – III, подгруппа – побочная.

Задание № 7 Какой элемент находится в пятом периоде, четвёртой группе, побочной подгруппе?

Ответ: цирконий Zr № 40.

С точки зрения распределения электронов в атоме следует помнить:

1. Порядковый номер элемента – заряд ядра определяет общее число электронов в атоме этого элемента;

2. Номер периода указывает число электронных уровней, по которым распределены эти электроны;

3. Номер группы определяет число валентных электронов (исключение – восьмая группа);

4. Подгруппа указывает на порядок распределения валентных электронов. У атомов элементов главных подгрупп валентные электроны располагаются на s- и p- подуровнях внешнего уровня, у атомов элементов побочных подгрупп на d- подуровне предпоследнего уровня и s- подуровне последнего уровня, при этом обычно на s- подуровне бывает два электрона, редко один электрон.

Сумма (s и р) или (d и s ) – электронов равна номеру группы, в которой стоит элемент.

Пример: составим электронные формулы атомов мышьяка ₃₃А s и ванадия ₂₃V. Сначала определим положение этих элементов в периодической системе:

элемент	Заряд ядра	№ периода	№ группы	подгруппа
А s	33	IV	V	главная
V	23	IV	V	побочная

Атом мышьяка содержит 33 электрона, которые распределены на четырёх уровнях ( четвертый период). Так как мышьяк располагается в пятой группе, то в атоме мышьяка должно быть пять валентных электронов и они находятся на s- и р- подуровнях внешнего, пятого уровня. Используя энергетический ряд запишем электронную формулу этого атома:

₃₃А s 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³.

Электронная формула атома ванадия такова:

₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s².

Валентные электроны (их пять) распределены на 4 s- и 3 d- подуровнях, так как это атом побочной подгруппы, последний уровень в атоме – четвертый, так как атом находится в четвертом периоде.

На этом примере можно понять, почему атомы ванадия и мышьяка находятся в одной, пятой группе – у них по пять валентных электронов, но в разных подгруппах – различное распределение валентных электронов по подуровням.

При образовании положительных ионов – катионов происходит отдача электронов, при этом открываются внешние электроны, наиболее слабо связанные с ядром; при образовании отрицательных ионов – анионов идет присоединение электронов на незавершенные, недостроенные уровни.

Например: напишем электронные формулы ионов алюминия (3+) и серы(2-). Эти ионы образуются из соответствующих атомов:

Al⁰ – 3 e = Al³⁺ ; S⁰ + 2 e = S^2-. Для алюминия: атом ₁₃ Al 2, 8, 3 s² 3 p¹; ион Al³⁺ 2, 8. Для серы: атом ₁₆ S 2, 8, 3 s² 3 p⁴ ; ион S^2- 2,8, 3 s² 3 p⁶.

Распределение валентных электронов определяет многие свойства элементов и их соединений, поэтому очень важно уметь правильно описывать валентные электроны формулами.

Пример: по распределению валентных электронов определить, какой это элемент?: а) 5 d⁵ 6 s²

б) 4 s² 4 p⁵

ответ: а) атом находится в VI периоде (последние электроны находятся на VI уровне), VII группе (сумма 5+2), побочной подгруппе (так как есть d-подуровень). По таблице находим, что это – ₇₅Re. б) ₃₅Br.