Атомы и электроны
Атомно-молекулярное учение
Мы приступаем к изучению химии — мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными формулами элементов.
Атом (греч. а — отриц. частица + tomos — отдел, греч. atomos — неделимый) — электронейтральная частица вещества микроскопических размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).
Описываемая модель атома называется «планетарной» и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом
Протон (греч. protos — первый) — положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов элементов. Нейтрон (лат. neuter — ни тот, ни другой) — нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех химических элементов, кроме водорода.
Электрон (греч. elektron — янтарь) — стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома — порядковый номер в таблице Менделеева — равен числу электронов (и, соответственно, протонов).
Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20) в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.
Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило: порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.
Электронная конфигурация атома
Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни.
Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней:
- Первый уровень
Состоит из s-подуровня: одной «1s» ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами — 1s 2 )
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (2s 2 ) и p-подуровня: трех «p» ячеек (2p 6 ), на которых помещается 6 электронов
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (3s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (3p 6 ) и d-подуровня: пяти «d» ячеек (3d 10 ), в которых помещается 10 электронов
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (4s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (4p 6 ), d-подуровня: пяти «d» ячеек (4d 10 ) и f-подуровня: семи «f» ячеек (4f 14 ), на которых помещается 14 электронов
Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.
Подуровни: «s», «p» и «d», которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный «рисунок».
S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь — клеверный лист.
Правила заполнения электронных орбиталей и примеры
Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов:
- Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
- На орбитали (в одной «ячейке») не может располагаться более двух электронов
- Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются еще одним электроном с противоположным направлением
- Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s
Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.
Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.
Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода — 6, у серы — 16.
Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.
Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку.
Таким образом, электронные конфигурации наших элементов:
- Углерод — 1s 2 2s 2 2p 2
- Серы — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
Внешний уровень и валентные электроны
Количество электронов на внешнем (валентном) уровне — это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно:
- Углерод — 2s 2 2p 2 (4 валентных электрона)
- Сера -3s 2 3p 4 (6 валентных электронов)
Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью — способностью атомов образовывать определенное число химических связей.
- Углерод — 2s 2 2p 2 (2 неспаренных валентных электрона)
- Сера -3s 2 3p 4 (2 неспаренных валентных электрона)
Тренировка
Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.
Запишем получившиеся электронные конфигурации магния и фтора:
- Магний — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
- Скандий — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1
Источник
Положение элементов — металлов в периодической системе, строение их атомов.
Из 110 элементов периодической системы более 80 — металлы.
Металлы –это химические элементы атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя превращаясь в положительные ионы.
Металличность определяется способностью атомов отдавать электроны. Чем меньше надо отдать электронов и чем легче их отдавать, тем ярче выражены металлические свойства атомов.
К элементам-металлам относятся s-элементы (за исключением Н и Не), все d — и f-элементы. Среди p-элементов металлические размещены в левой части периодической системы химических элементов под диагональю Бор В — Астату At. Также металлами являются элементы побочных подгрупп, т.к. они имеют на последнем слое 2 электрона и у них происходит заполнение d-подуровня предпоследнего слоя.
Для большинства элементов-металлов характерно небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов (от 1 до 3) и сравнительно большие радиусы атомов(сурьма, висмут – 5, полоний — 6 электронов, но большой радиус атома), что обусловливает способность атомов металлов легко терять валентные электроны и образовывать положительно заряженный ион. Наиболее активным металлом является франций.
( Краткая запись в конспект: I, II, III, группы( исключение Н, He, B), главные подгруппы, побочные подгруппы, лантаноиды, актиноиды. На внешнем энергетическом уровне 1-3 электрона ( s или p ), в образовании связи принимают участие d- е предыдущего уровня. Все металлы имеют во внешней оболочке по одному или два электрона, могут легко их отдавать, образуя ионы с устойчивыми конфигурациями благородных газов. Заряд катиона равен количеству отданных электронов): ( Ме — ne-= Men+)
2. Металлы как простые вещества. Металлическая связь, металлические кристаллические решетки.
Металлические элементы образуют простые вещества, то есть металлы. Например, Алюминий — алюминий; Феррум — железо; Купрум — медь; Аргентум — серебро.
Для металлов характерной является общая металлическая связь и физические свойства, вид химической связи — металлический. Металлическая связь – это связь между атомами и катионами металла посредством обобществённых электронов. Металлическая связь является не направленной, поскольку валентные электроны распределены по всему кристаллу почти равномерно. Он существует в кристаллах и расплавах металлов и сплавов, в чистом виде характерен для щелочных и щелочноземельных металлов. У переходных металлов связь между атомами частично ковалентным.
Металлы имеют металлическую кристаллическую решётку в узлах которой находятся атомы и катионы металлов, вследствие отдачи отдельными атомами валентных электронов, а пространство между ними заполнено «электронным газом», становятся обобществленными всеми ионами металла и прочно связывают.
Все металлы имеют кристаллическое строение. Тип решетки зависит от химической природы и фазового состояния металла. Она имеет формы: гексагональную, кубическую, гранецентрированную, объёмноцентрированную.
3. Общие физические свойства металлов.
Наличие металлического связи обуславливает общие свойства металлов. Она определяет физические свойства металлов:
а) агрегатное состояние—все металлы твёрдые вещества и кристаллического строения, кроме ртути Hg и францию Fr; . Твердость – все металлы кроме ртути и галия, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие – натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром Cr и вольфрам W. – царапает стекло.
б) цвет— с металлическим блеском от серебристо-белого цвета (Ag, Al, Ni, Pa) до темного серебристо-серого (Fe, Pb), за исключением золота Au и меди Cu.
Металлический блеск – электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают как стекло. Лучше всего отражают свет индий In и серебро Ag. В порошке все металлы, кроме АI и Мg, теряют блеск и имеют черный или темно – серый цвет. По окраске металлы условно делят на черные и цветные.К черным металлам чаще всего относят железо и его сплавы (чугун, сталь). Все другие — называют цветными.
в) плавкость. Металлы делятся на легкоплавкие( tпл 350,самые низкаие: Hg= — 38,87, ), галий «плавится» на ладони, и тугоплавкие( tпл 10 111213>
Дата добавления: 2016-01-26 ; просмотров: 2959 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Общая характеристика металлов IА–IIIА групп
Кодификатор ЕГЭ. Раздел 1.2.2. Общая характеристика металлов IА–IIIА групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов.
Атомы элементов IА–IIIА групп имеют сходство в строении электронных оболочек и закономерностях изменения свойств, что приводит к некоторому сходству их химических свойств и свойств их соединений.
Металлы IA (первой группы главной подгруппы) также называются «щелочные металлы«. К ним относятся литий, натрий, калий, рубидий, цезий. Франций – радиоактивный элемент, в природе практически не встречается. У всех металлов IA группы на внешнем энергетическом уровне, на s-подуровне в основном состоянии есть один неспаренный электрон:
… ns 1 — электронное строение внешнего энергетического уровня щелочных металлов
Металлы IA группы — s-элементы. В химических реакциях они отдают один валентный электрон, поэтому для них характерна постоянная степень окисления +1.
Рассмотрим характеристики элементов IA группы:
| Название | Атомная масса, а.е.м. | Заряд ядра | ЭО по Полингу | Мет. радиус, нм | Энергия ионизации, кДж/моль | tпл, о С | Плотность, г/см 3 |
| Литий | 6,941 | +3 | 0,98 | 0,152 | 520,2 | 180,6 | 0,534 |
| Натрий | 22,99 | +11 | 0,99 | 0,186 | 495,8 | 97,8 | 0,968 |
| Калий | 39,098 | +19 | 0,82 | 0,227 | 418,8 | 63,07 | 0,856 |
| Рубидий | 85,469 | +37 | 0,82 | 0,248 | 403,0 | 39,5 | 1,532 |
| Цезий | 132,905 | +55 | 0,79 | 0,265 | 375,7 | 28,4 | 1,90 |
Все щелочные металлы — сильные восстановители. Это самые активные металлы, которые могут непосредственно взаимодействовать с неметаллами. С ростом порядкового номера и уменьшением энергии ионизации металлические свойства элементов усиливаются. Щелочные металлы образуют с кислородом оксиды Э2О. Оксиды щелочных металлов реагируют с водой с образованием основания (щелочи):
Водородные соединения щелочных металлов — это гидриды с общей формулой ЭН. Степень окисления водорода в гидридах равна -1.
Металлы IIA (второй группы главной подгруппы) — щелочноземельные. Раньше к щелочноземельным металлам относили только кальций, стронций, барий и радий, но по решению ИЮПАК бериллий и магний также называются щелочноземельными.
У щелочноземельных металлов на внешнем энергетическом уровне расположены два электрона. В основном состоянии это два спаренных электрона на s-подуровне:
… ns 2 — электронное строение внешнего энергетического уровня элементов IIA группы
Щелочноземельные металлы — s-элементы. Отдавая два валентных электрона, они проявляют постоянную степень окисления +2. Все элементы подгруппы бериллия — сильные восстановители, но восстановительные свойства выражены слабее, чем у щелочных металлов.
Характеристики элементов IIA группы:
| Название | Атомная масса, а.е.м. | Заряд ядра | ЭО по Полингу | Мет. радиус, нм | Энергия ионизации, кДж/моль | tпл, о С | Плотность, г/см 3 |
| Бериллий | 9,012 | +4 | 1,57 | 0,169 | 898,8 | 1278 | 1,848 |
| Магний | 24,305 | +12 | 1,31 | 0,245 | 737,3 | 650 | 1,737 |
| Кальций | 40,078 | +20 | 1,00 | 0,279 | 589,4 | 839 | 1,55 |
| Стронций | 87,62 | +38 | 0,95 | 0,304 | 549,0 | 769 | 2,54 |
| Барий | 137,327 | +56 | 0,89 | 0,251 | 502,5 | 729 | 3,5 |
Металлы подгруппы бериллия довольно активны. На воздухе они легко окисляются, образуя основные оксиды с общей формулой ЭО. Этим оксидам соответствуют гидроксиды Э(ОН)2.
Первый элемент IIA группы, бериллий, по большинству свойств гораздо ближе к алюминию (диагональное сходство). Это проявляется в свойствах бериллия. Например, он не взаимодействует с водой. Магний взаимодействует с водой только при нагревании. Кальций, стронций и барий — это типичные металлы. Они реагируют с водой при обычных условиях.
Элементам IIA группы соответствуют гидриды с общей формулой ЭН2.
Элементы IIIA (третьей группы главной подгруппы) — это бор, алюминий, галлий, индий, таллий и нихоний. В основном состоянии содержат на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые распределены по s- и р-подуровням:
… ns 2 nр 1 — электронное строение внешнего энергетического уровня элементов IIIA группы
Все элементы подгруппы бора относятся к р-элементам. В химических соединениях проявляются степень окисления +3. Хотя для таллия более устойчивая степень окисления +1.
Характеристики элементов IIA группы:
| Название | Атомная масса, а.е.м. | Заряд ядра | ЭО по Полингу | Радиус атома, нм | Энергия ионизации, Э → Э 3+ , эВ | Степень окисления в соединениях | Валентные электроны |
| Бор | 10,811 | +5 | 2,01 | 0,091 | 71,35 | +3, -3 | 2s 2 2p 1 |
| Алюминий | 26,982 | +13 | 1,47 | 0,143 | 53,20 | +3 | 3s 2 3p 1 |
| Галлий | 69,723 | +31 | 1,82 | 0,139 | 57,20 | +3 | 4s 2 4p 1 |
| Индий | 114,818 | +49 | 1,49 | 0,116 | 52,69 | +3 | 5s 2 5p 1 |
| Таллий | 204,383 | +81 | 1,44 | 0,171 | 56,31 | +1, +3 | 6s 2 6p 1 |
Металлические свойства у элементов подгруппы бора выражены слабее, чем у элементов IIA подгруппы. Элмент бор относится к неметаллам. Энергия ионизации атома у бора наибольшая среди элментов IIIA подгруппы. Алюминий относится к типичным металлам, но оксид и гидроксид алюминия проявляют амфотерные свойства. У таллия более сильно выражены металлические свойства, в степени окисления +1 он близок по свойствам к щелочным металлам. Наибольшее практическое значение среди элементов IIIA подгруппы имеет алюминий.
В общем металлы IА–IIIА подгрупп характеризуются:
- небольшим количеством электронов на внешнем энергетическом уровне:
- сравнительно сильными восстановительными свойствами;
- низкими значениями электроотрицательности;
- сравнительно большими атомными радиусами (относительно радиусов других атомов в периодах, в которых расположены соответствующие металлы);
- металлической кристаллической решеткой;
- высокой электро- и теплопроводностью;
- твердым фазовым состоянием при нормальных условиях.
Источник