Страница 2 из 3
Орбитали, имеющие форму объемной восьмерки (гантелей) называются р-орбиталями, а электроны, которые на них размещаются – р-электронами. Существуют d- и f-орбитали, которые имеют сложную форму, им соответствуют d- и f-электроны. На одной орбитали может находиться не более двух электронов, имеющих противоположный момент вращения вокруг оси (спин1). В этом случае два электрона называются спаренными.
Электроны с близкими значениями энергии составляют в атоме электронный слой, или энергетический уровень. Число энергетических уровней в атоме соответствует номеру периода, в котором находится химический элемент в периодической системе.
Каждый энергетический уровень обозначается своим номером: n = 1, 2, 3, 4 и т.д. или K, L, M, N, O, P, Q.
Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня:
N = 2n2
где N – число электронов;
n – номер уровня.
Значения энергии электронов одного и того же энергетического уровня могут несколько различаться, образуя подуровни (подслои). Они обозначаются буквами s, p, d, f.
Число энергетических подуровней на любом конкретном энергетическом уровне равно его номеру.
Электронное состояние атомов элементов 1–4 периодов показано в таблице
Строение электронных оболочек атомов
(Электронная структура атома)
Электроны, кроме движения вокруг ядра, обладают еще и внутренним движением, которое можно упрощенно представить как вращение вокруг собственной оси. Это явление получило название «спин» (от англ. Spin – волчок).
Электронные облака одинаковой формы могут перекрываться, если электроны обладают противоположными спинами, т.е. один как бы вращается вокруг оси по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки ↑↓.
Энергетические уровни (слои) подразделяются на подуровни (подслои), отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней в слое зависит от его номера.
Первый энергетический уровень имеет один подуровень, второй – два, третий – три и т.д.
Подуровни в свою очередь состоят из орбиталей и соответственно называются s p d f.
Электронные формулы
Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням изображают в виде электронных формул.
Положение электронов в атоме принято обозначать так:
– сначала цифрой указывается номер слоя;
– затем буквой подуровень;
– сверху справа от буквы число электронов на данном подуровне.
Для правильного изображения электронных конфигураций атомов необходимо соблюдать следующие правила:
– каждый электрон занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией (принцип минимума энергии);
– с увеличением порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке возрастания их энергий
– на каждой орбитали максимально может находиться не более двух электронов, причем с противоположными спинами.
Электроны располагаются на орбиталях и уровнях в порядке возрастания их энергий: уровни заполняются от первого к седьмому, а подуровни – в последовательности s-p-d-f. Последовательность возрастания энергии называется шкалой энергии.
Последовательность заполнения электронами орбиталей можно представить следующим рядом:
Примеры электронных формул:
1Н 1s1;
3Li 1s22s1;
6C 1s22s22p2;
7N 1s22s22p3;
9F 1s22s22p5;
10Ne 1s22s22p6;
11Na 1s22s22p63s1;
13Al 1s22s22p63s23p1;
15P 1s22s22p63s23p3;
17Cl 1s22s22p63s23p5;
19K 1s22s22p63s23p64s1.
Орбиталь с минимальной энергией – это s-орбиталь. У атома водорода она занята его единственным электроном.
На одной орбитали могут находиться два электрона, поэтому оба электрона атома гелия размещаются на 1s-орбитали. Электронная оболочка завершена и очень устойчива – это благородный газ.
У элементов второго периода заполняется L-уровень (n = 2), причем сначала орбиталь s-подуровня, а затем три орбитали р-подуровня. Третий электрон в атоме 3Li занимает 2s-орбиталь. Электрон 2s1 намного слабее связан с ядром атома, чем 1s-электроны, поэтому атом лития может его свободно терять, образуя ион лития Li+.
Далее у атомов C, N, F идет заполнение 2р-орбиталей, которое заканчивается у атома Ne.
Начиная с элементов третьего периода у атомов идет заполнение третьего M-уровня (n = 3), состоящего из 3s-, 3p-, 3d-подуровней.
Порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней теоретически обосновывает периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.
Теоретическое обоснование периодического закона
Современная формулировка периодического закона следующая:
свойства атомов химических элементов, а также состав и свойства образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.
Сущность закона в свете современных представлений о строении атома
Период представляет собой последовательный ряд элементов, заряд ядер которых возрастает каждый раз на единицу. Очередной период начинается щелочным элементом (s-элементом) и заканчивается инертным (благородным) газом (р-элементом) с завершенной конфигурацией р-уровня.
В периодах с увеличением заряда ядра металлические свойства убывают и нарастают неметаллические свойства.
Первый период содержит два элемента: водород и гелий, у них заполняется первый электронный слой: 1Н 1s1, 2Не 1s2.
Во 2 периоде 8 элементов, и заполняется второй электронный слой:
6С 1s2222p2; 8O 1s22s22p4; 10Ne 1s22s22p5; 9F 1s22s22p5.
Третий период начинается с натрия (Na), электроны заполняют третий энергетический уровень: 11Na1s22s22p63s1. Завершается его заполнение у инертного газа аргона: 18Ar 1s22s22p63s23p6.
Четвертый период начинается калием (19К 1s22s22p63s23p64s1), его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже энергии 4d-подуровня.
В конце периода находится элемент, у которого внешний электронный слой атома заполнен. Его конфигурация включает восемь электронов.
Таким образом, с увеличением заряда ядра наблюдается периодическая повторяемость электронных конфигураций внешнего слоя атомов s- и р-элементов.
Малые периоды отличаются от больших прежде всего числом элементов, а значит и их строением. Разное число элементов в периодах объясняется закономерностью заполнения электронных оболочек атомов.
Первые три периода малые (1–2 электрона, 2 и 3–8 электронов).
В 4-ом периоде 18 элементов, два первых – это s-элементы (К, Са), в атомах которых заполняется внешний электронный слой (4 s-орбиталь). Последние 6 элементов – это р-элементы. В их атомах заполняется внешний слой (4р-орбиталь). Между s- и р-элементами расположены 10 d-элементов. В их атомах заполняются d-орбитали предвнешнего электронного слоя.
Подобная же картина наблюдается в 5-ом периоде, состоящем из 18 элементов. В нем также 2 s-элемента, 10 d-элементов и 6 р-элементов.
Шестой период состоит из 32 элементов. Это 2 s-элемента, 10 d-элементов, 6 р-элементов и 14 f-элементов, которые вынесены за пределы таблицы.
Седьмой период незавершенный. Заполнение электронами электронных уровней аналогично 6-ому периоду. После заполнения 7s-подуровня у франция (Z=87) и радия (Z=88) электрон актиния поступает на 6d-подуровень, после которого начинается заполнение 5f-подуровня 14 электронами. Это происходит у атомов элементов актиноидов с Z=90…103. После 103-го элемента идет заполнение 6d-подуровня: у резерфордия (Z=104), дубния (Z=105), сиборгия (Z=106), бория (Z=107) и т.д. Актиноиды, как и лантоноиды, обладают многими сходными химическими свойствами.
От всех других групп отличается VIII группа. Помимо главной подгруппы имеется побочная подгруппа, состоящая и из 9 элементов: семейство железа (Fe, Co, Ni) и семейство платины (Ru, Rh, Pb, Os, Ir, Pt).
В главную подгруппу входят s- и р-элементы, а в побочную d-элементы.
Таким образом, структура периодической системы связана с электронной структурой элементов. В периодической системе все химические элементы располагаются в порядке возрастания атомных номеров элементов. Величина атомного номера соответствует положительному заряду ядра атома соответствующего элемента. В периодической системе 7 периодов и 18 групп (8 групп А и 10 групп В). С увеличением зарядов ядер происходит постепенное заполнение электронных структур атомов в соответствии с принципами заполнения. Следовательно, структура периодической системы связана с электронной структурой элементов.
В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают четыре типа элементов:
1) s-элементы (завершается s-подуровень),
2) р-элементы (заполняется р-подуровень),
3) d-элементы (заполняется d-подуровень предвнешнего энергетического уровня) и
4) f-элементы (заполняется предпредвнешний энергетический уровень, f-подуровень).
Номер периода указывает на число энергетических уровней, на которых находятся электроны в атомах конкретного элемента, и именно в этом заключается физический смысл номера периода. В периоде с увеличением заряда ядра атомов наблюдается постепенное изменение свойств от металлических к неметаллическим. Такое изменение свойств объясняется увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов. Первые три периода содержат только s- и р-элементы, последующие три включают в свой состав также также d-и f-элементы, которые образуют В-группы (побочные).
В группах объединены элементы, которые имеют сходное электронное строение внешнего энергетического уровня.
Номер группы, в которой находится элемент, указывает на максимальное число электронов, которое может участвовать в образовании химических связей, т.е. валентных электронов. В этом состоит физический смысл номера группы.
Связь периодической системы элементов с теорией строения атомов
1. Порядковый номер элемента соответствует значению заряда ядра (количество протонов) и числу электронов на энергетических уровнях в его атоме.
Возрастание положительных зарядов атомных ядер от 1 до 107 приводит к периодическому повторению строения электронных оболочек атомов, от чего зависят химические свойства элементов.
2. Номер периода соответствует числу энергетических уровней в атомах данного элемента.
3. Периодичность изменения химических свойств элементов зависит от периодичности расположения электронов по энергетическим уровням.
4. Возрастание высших степеней окисления в соединениях с кислородом и уменьшение степеней окисления в соединениях с водородом в периодах слева направо объясняется увеличением числа электронов на внешних энергетических уровнях.
5. В периодах слева направо заряд ядра постепенно увеличивается, и расстояние между ядром и внешними электронами сокращается. В связи с этим отдача электронов постепенно затрудняется, и металлические свойства ослабевают.
В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее – в четных рядах с ростом положительного заряда ядра число электронов во внешнем уровне остается постоянным и равно 2, редко 1, идет заполнение предпоследнего уровня, и свойства элементов изменяются очень медленно.
6. Номер группы указывает на число электронов, которые могут участвовать в образовании химической связи. Высшая степень окисления с кислородом соответствует числу электронов, находящихся на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов соответствует номеру группы). Baлентность в соединении с водородом определяется числом электронов, недостающих до числа 8.
Деление на подгруппы основано на различии в заполнении электронами энергетических уровней.
У элементов главных подгрупп заполняются или s-подуровни, или р-подуровни внешних уровней.
У элементов побочных подгрупп заполняются d-подуровни второго снаружи уровня.
В каждой подгруппе объединены элементы, атомы которых имеют сходное строение внешнего электронного уровня.
Атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних уровнях число электронов, равное номеру группы. Побочные же подгруппы включают элементы, атомы которых имеют на внешнем уровне по два или по одному электрону.
У элементов побочных подгрупп валентными электронами являются не только электроны внешнего уровня, но и предпоследнего. В этом их отличие.
7. У атомов элементов главных подгрупп с возрастанием относительных атомных масс сверху вниз увеличивается расстояние между валентными электронами и ядром, поэтому способность к отдаче электронов все увеличивается, и металлические свойства усиливаются.
8. У актиноидов и лантаноидов заполняются соответственно 4f- и 5f-подуровни. Лантаноиды и актиноиды помещены в одну клетку таблицы, потому что с ростом заряда атомных ядер идет заполнение электронами предпредвнешнего уровня.
Химическая связь
Природа и типы химической связи
Химическая связь возникает при взаимодействии частиц и определяется как взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в более сложные системы, такие как молекулы, радикалы, кристаллы и др.
Природа сил химической связи электростатическая. При образовании химической связи общая энергия системы, составленной из многоатомной структуры, меньше энергии составных частей. Поэтому условием образования химической связи является понижение системы энергии. В образовании химической связи между атомами участвуют валентные электроны. В зависимости от способа образования устойчивых структур различают основные типы химической связи: ковалентную, ионную, металлическую и водородную.
Ионная связь
Ионная связь – это электростатическое притяжение между ионами, образованными путем практически полного смещения электронной пары к одному из них. Эта связь образуется, если разность электроотрицательностей атомов велика (больше 1,7 по шкале Полинга).
