И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 4
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22,/2005; 1, 2/2006

Строение электронной оболочки атома

План

1. Квантовые числа (главное, побочное, магнитное, спиновое).

2. Закономерности заполнения электронной оболочки атома: принцип Паули, принцип наименьшей энергии, правило Клечковского, правило Гунда.

3. Определения понятий: «электронная оболочка», «электронное облако», «энергетический уровень», «энергетический подуровень», «электронный слой».

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Электронная оболочка атома – это совокупность всех электронов в данном атоме. От строения электронной оболочки атома напрямую зависят химические свойства данного химического элемента. Согласно квантовой теории каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Для характеристики орбиталей и электронов используют квантовые числа.

Главное квантовое число n характеризует энергию и размеры орбитали и электронного облака, принимает значения целых чисел – от 1 до бесконечности (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6…). Орбитали, имеющие одинаковые значения n, близки между собой по энергии и по размерам, они образуют один энергетический уровень.

Энергетический уровень – это совокупность орбиталей, имеющих одинаковое значение главного квантового числа. Энергетические уровни обозначают либо цифрами, либо большими буквами латинского алфавита (1 – K, 2 – L, 3 – M, 4 – N, 5 – O, 6 – P, 7 – Q). С увеличением порядкового номера энергия орбиталей увеличивается.

Электронный слой – это совокупность электронов, находящихся на одном энергетическом уровне.

На одном энергетическом уровне могут находиться электронные облака, имеющие различные геометрические формы.

Побочное (орбитальное) квантовое число l характеризует формы орбиталей и облаков, принимает значения целых чисел от 0 до n – 1.

Орбитали, для которых l = 0, имеют форму сферы и называются s-орбиталями. Они содержатся на всех энергетических уровнях, причем на К-уровне есть только s-орбиталь.

Орбитали, для которых l = 1, имеют форму вытянутой восьмерки и называются р-орбиталями. Они содержатся на всех энергетических уровнях, кроме первого (К).

Орбитали, для которых l = 2, называются d-орбиталями. Их заполнение электронами начинается с третьего энергетического уровня.

Заполнение f-орбиталей, для которых l = 3, начинается с четвертого энергетического уровня.

Энергия орбиталей, находящихся на одном энергетическом уровне, но имеющих разную форму, неодинакова: E_s < E_p < E_d < E_f, поэтому на одном уровне выделяют разные энергетические подуровни.

Энергетический подуровень – это совокупность орбиталей, которые находятся на одном энергетическом уровне и имеют одинаковую форму. Орбитали одного подуровня имеют одинаковые значения главного и побочного квантовых чисел, но отличаются направлением (ориентацией) в пространстве.

Магнитное квантовое число m_l характеризует ориентацию орбиталей (электронных облаков) в пространстве и принимает значения целых чисел от –l через 0 до +l. Число значений ml определяет число орбиталей на подуровне, например:

s-подуровень: l = 0, m_l = 0 – одна орбиталь;

p-подуровень: l = 1, m_l = –1, 0, +1 – три орбитали;

d-подуровень: l = 2, m_l = –2, –1, 0, +1, +2 – пять орбиталей.

Таким образом, число орбиталей на подуровне равно 2l + 1. Общее число орбиталей на одном энергетическом уровне – n². Общее число электронов на одном энергетическом уровне – 2n². Графически любая орбиталь изображается в виде клетки (квантовой ячейки).

Итак, каждая орбиталь и электрон, находящийся на этой орбитали, характеризуются тремя квантовыми числами: главным, побочным и магнитным. Электрон характеризуется еще одним квантовым числом – спином.

Спиновое квантовое число m_s, спин (от англ. spin – кружение, вращение) – характеризует вращение электрона вокруг своей оси и принимает только два значения: +1/2 и –1/2. Электрон со спином +1/2 условно изображают так: ; со спином –1/2: .

Заполнение электронной оболочки атома подчиняется следующим законам.

П р и н ц и п П а у л и. В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.

П р и н ц и п н а и м е н ь ш е й э н е р г и и. Основное (устойчивое) состояние атома характеризуется минимальной энергией. Поэтому электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии.

П р а в и л о К л е ч к о в с к о г о. Электроны заполняют энергетические подуровни в порядке увеличения их энергии. Этот порядок определяется значением суммы главного и побочного квантовых чисел (n + l): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d.

П р а в и л о Г у н д а. На одном подуровне электроны располагаются так, чтобы абсолютное значение суммы спиновых квантовых чисел (суммарного спина) было максимальным. Это соответствует устойчивому состоянию атома.

Например, электронные формулы магния, железа и теллура имеют вид:

Mg(+12) 1s²2s²2p⁶3s²;

Fe(+26) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶;

Te(+52) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁴.

Исключения в четвертом периоде составляют атомы хрома и меди, в которых происходит проскок (переход) одного электрона с 4s-подуровня на 3d-подуровень, что объясняется большой устойчивостью образующихся при этом электронных конфигураций 3d⁵ и 3d¹⁰. Таким образом, электронные формулы атомов хрома и меди имеют вид:

Cr(+24) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵;

Cu(+29) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d¹⁰.

Для характеристики электронного строения атома можно использовать схемы электронного строения, электронные и электронно-графические формулы, например:

Тест по теме «Строение электронной оболочки атома»

(Возможно несколько правильных ответов)

1. Элемент, невозбужденный атом которого не содержит неспаренных электронов, это:

а) магний; б) углерод; в) сера; г) цинк.

2. Электронная конфигурация иона Cl⁺ в основном электронном состоянии (этот ион образуется при действии ультрафиолетового излучения на сильно нагретый хлор) имеет вид:

а) [Ne] 3s²3p⁵; б) [Ne] 3s¹3p⁶;

в) [Ne] 3s²3p⁴; г) [Ne] 3s²3p⁶.

3. Элементу 2-го периода для завершения внешнего уровня не хватает трех электронов. Этот элемент:

а) бор; б) углерод; в) азот; г) фосфор.

4. Формула высшего оксида некоторого элемента – ЭО₃. Какую конфигурацию валентных электронов может иметь этот элемент в основном состоянии?

а) 4d⁶; б) 2s²2p⁴; в) 3s²3p⁴; г) 3s¹3d⁵.

5. Чему равно орбитальное квантовое число 3р-электрона?

а) 1; б) 3; в) 0; г) +1/2.

6. Число неспаренных электронов в атоме хрома в невозбужденном состоянии равно:

а) 1; б) 4; в) 5; г) 6.

7. Электронную конфигурацию внешнего электронного слоя 3s²3p⁶ имеют соответственно атом и ионы:

а) Ar, Cl^–, S^2–; б) Kr, K⁺, Ca²⁺;

в) Ne, Cl^–, Ca²⁺; г) Ar, Cl^–, Ca²⁺.

8. Число d-электронов у атома серы в максимально возбужденном состоянии равно:

а) 1; б) 2; в) 4; г) 6.

9. Распределение электронов в нормальном состоянии в атоме хрома по энергетическим уровням соответствует ряду цифр:

а) 2, 8, 12, 2; б) 2, 8, 8, 6;

в) 2, 8, 13, 1; г) 2, 8, 14, 0.

10. Ионы Ag⁺ и Cs⁺ имеют соответственно следующие электронные формулы внешнего и предвнешнего энергетических уровней:

а) ...4d¹⁰5s⁰ и ...5p⁶6s¹; б) ...4d⁹5s¹ и ...5p⁶6s⁰;

в) ...4d¹⁰5s⁰ и ...5p⁶6s⁰; г) ...4d¹⁰5s⁰ и ...5p⁵6s¹.

Ключ к тесту

1. При полном сгорании 0,88 г вещества образовалось 0,51 г углекислого газа и 1,49 г сернистого газа. Определить простейшую формулу вещества.

Ответ. CS₂.

2. Установить истинную формулу органического вещества, если известно, что при сжигании 4,6 г этого вещества было получено 8,8 г углекислого газа и 5,4 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 23.

Решение

В исходном веществе присутствуют элементы С, Н и, возможно, О. Схема реакции:

(СО₂) = m(CO₂)/M(CO₂) = 8,8/44 = 0,2 моль,

(С) = (СО₂) = 0,2 моль,

m(С) = (C)•A_r(C) = 0,2•12 = 2,4 г.

(Н₂О) = m(H₂O)/M(H₂O) = 5,4/18 = 0,3 моль,

(Н) = 2(Н₂О) = 0,6 моль,

m(Н) = (H)•A_r(H) = 0,6•1 = 0,6 г.

m(С) + m(Н) = 2,4 + 0,6 = 3 г – это меньше массы исходного вещества. Следовательно, в исходном веществе содержится кислород.

m(О) = 4,6 – 3 = 1,6 г,

(О) = m(О)/A_r(О) = 1,6/16 = 0,1 моль.

(С) : (Н) : (О) = 0,2 : 0,6 : 0,1 = 2 : 6 : 1.

Простейшая формула – С₂Н₆О (М = 46 г/моль).

Найдем молярную массу вещества, зная его относительную плотность по водороду:

М(в-ва) = •М(H₂) = 23•2 = 46 г/моль.

Отсюда истинная формула – С₂Н₆О.

Ответ. С₂Н₆О.

3. При полном сгорании 12,3 г органического вещества образовалось 26,4 г углекислого газа, 4,5 г воды и выделилось 1,4 г азота. Определить молекулярную формулу вещества, если его молярная масса в 3,844 раза больше молярной массы кислорода.

Ответ. C₆H₅NO₂.

4. При сгорании 20 мл горючего газа С_хН_y расходуется 50 мл кислорода, а получается 40 мл углекислого газа и 20 мл водяных паров. Определить формулу газа.

Решение

Составим схему реакции:

По третьему следствию из закона Авогадро объемы газов, участвующих в реакции, соотносятся между собой как простые целые числа, пропорциональные их объемам. Исходная схема реакции принимает вид:

2С_xН_y + 5О₂ 4СО₂ + 2Н₂О (г.).

Отсюда находим индексы х и у: х = у = 2.

Заданный горючий газ – С₂Н₂.

Ответ. C₂H₂.

5. При сжигании 5,4 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 2,8 г азота, 8,8 г углекислого газа и 1,8 г воды. Установить формулу вещества, если известно, что оно легче воздуха.

Ответ. HCN.

6. При сжигании 3,4 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 2,8 г азота и 5,4 г воды. Установить формулу вещества, если известно, что оно легче воздуха.

Ответ. NH₃.

7. При сжигании 1,7 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 3,2 г сернистого газа и 0,9 г воды. Установить формулу вещества, если известно, что оно легче аргона.

Ответ. H₂S.

8. Образец вещества массой 2,96 г в реакции с избытком бария при комнатной температуре дает 489 мл водорода (Т = 298 К, давление нормальное). При сжигании 55,5 мг того же вещества получили 99 мг углекислого газа и 40,5 мг воды. При полном испарении образца этого вещества массой 1,85 г его пары занимают объем 0,97 л при 473 К и 101,3 кПа. Определить вещество, привести структурные формулы двух его изомеров, отвечающих условиям задачи.

Ответ. С₃Н₆О₂, изомеры – СН₃СН₂СООН
и СН₃С(О)СН₂ОН.

9. При сгорании 2,3 г вещества образовалось 4,4 г углекислого газа и 2,7 г воды. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 1,59. Определить молекулярную формулу вещества.

Ответ. С₂Н₆О.

10. Определить молекулярную формулу вещества, если известно, что 1,3 г его при сгорании образует 2,24 л углекислого газа и 0,9 г паров воды. Масса 1 мл этого вещества при н. у. равна 0,00116 г.

Ответ. C₂H₂.

11. При сжигании 1 моль простого вещества образовалось 1,344 м³ (н.у.) газа, который в 11 раз тяжелее гелия. Установить формулу сжигаемого вещества.

Ответ. С₆₀.

12. При сжигании 112 мл газа было получено 448 мл углекислого газа (н.у.) и 0,45 г воды. Плотность газа по водороду составляет 29. Найти молекулярную формулу газа.

Ответ. С₄Н₁₀.

13. При полном сгорании 3,1 г органического вещества образовалось 8,8 г углекислого газа, 2,1 г воды и 0,47 г азота. Найти молекулярную формулу вещества, если масса 1 л паров его при н. у. составляет 4,15 г.

Ответ. C₆H₇N.

14. При сгорании 1,44 г органического вещества образовалось 1,792 л углекислого газа и 1,44 г воды. Установите формулу вещества, если его относительная плотность по воздуху составляет 2,483.

Ответ. С₄Н₈О.

15. При полном окислении 1,51 г гуанина образуется 1,12 л углекислого газа, 0,45 г воды и 0,56 л азота. Вывести молекулярную формулу гуанина.

Ответ. C₅H₅N₅O.

16. При полном окислении органического вещества массой 0,81 г образуется 0,336 л углекислого газа, 0,53 г карбоната натрия и 0,18 г воды. Установить молекулярную формулу вещества.

Ответ. C₄H₄O₄Na₂.

17. При полном окислении 2,8 г органического вещества образовалось 4,48 л углекислого газа и 3,6 г воды. Относительная плотность вещества по воздуху 1,931. Установить молекулярную формулу данного вещества. Какой объем 20%-го раствора гидроксида натрия (= 1,219 г/мл) необходим для поглощения выделившегося при сгорании углекислого газа? Какова массовая доля карбоната натрия в полученном растворе?

Ответ. С₄Н₈; 65,6 мл; 23,9%.

18. При полном окислении 2,24 г органического вещества образуется 1,792 л углекислого газа, 0,72 г воды и 0,448 л азота. Вывести молекулярную формулу вещества.

Ответ. C₄H₄N₂O₂.

19. При полном окислении органического вещества массой 2,48 г образуется 2,016 л углекислого газа, 1,06 г карбоната натрия и 1,62 г воды. Установить молекулярную формулу вещества.

Ответ. C₅H₉O₂Na.