СОСТАВ И ЭЛЕКТРОННАЯ
СТРУКТУРА АТОМА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
К ОБУЧАЮЩЕЙ ПРОГРАММЕ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КЛАССОВ
ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ШКОЛ

Продолжение. Начало см. в № 4, 6, 13, 19/2005

Приложение 1
(к пунктам раздела «Методические указания»
(см. № 4, 6, 13/2005))

П-9. а) В природе существуют три устойчивых изотопа кислорода: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Среднее содержание их атомов от общего числа атомов кислорода равно соответственно 99,759, 0,037 и 0,204%.

Тогда средняя относительная атомная масса кислорода равна:

(16•99,759 + 17•0,037 + 18•0,204)/100 =  (1596,144 + 0,629 + 3,672)/100 = 16,

и правильнее было бы относительную атомную массу кислорода (15,9994) именовать так: средняя относительная изотопная масса кислорода.

б) Судя по тому, что химический элемент № 32, предсказанный Д.И.Менделеевым как «экакремний» (открыт в 1886 г. немецким химиком К.Винклером и назван им германием Gе), должен находиться в четвертом периоде, нечетном пятом ряду между галлием Ga и мышьяком Аs, а в главной подгруппе IV группы между кремнием Si и оловом Sn, предполагаемая относительная масса его атома должна составлять:

A_r(Ge) = (A_r(Ga) + A_r(As) + A_r(Si) + A_r(Sn))/4 = (69,72 + 74,922 + 28,086 + 118,69)/4 72,59.

После ряда подобных предсказаний периодический закон получил всеобщее признание, а периодическая система химических элементов стала неотъемлемой частью любого учебника по химии.

П-18.

П-21. Число химических элементов в периоде таблицы Д.И.Менделеева определяется формулами: для нечетных периодов –

L_n = (n + 1)²/2,

для четных периодов –

L_n = (n + 2)²/2,

где n – номер периода.

а) Приведенные формулы позволяют легко определить, что в первом периоде (n = 1, L_n = (1 + 1)²/2 = 2) должно содержаться два элемента, во втором и в третьем – по восемь, в четвертом и пятом – по 18, в шестом – 32, в незавершенном седьмом периоде тоже должно быть 32 элемента
(n = 7, Lⁿ = (7 + 1)²/2 = 32). Число элементов в периоде ПСХЭ Д.И.Менделеева совпадает с максимальным числом электронов на энергетических уровнях (см. п. 15 методических указаний):
2, 8, 18, 32.

б) Электрон в атоме находится лишь в определенных квантовых состояниях, соответствующих определенным значениям его энергии связи с ядром (значение задается главным квантовым числом n). Электроны с наименьшим значением запаса энергии (n = 1) находятся на первом энергетическом уровне. Переход электрона из одного квантового состояния в другое связан со скачкообразным изменением энергии, при этом электроны могут переходить на второй и более удаленные энергетические уровни.

Максимальное число электронов на каждом энергетическом уровне равно 2n². Cогласно этому на первом энергетическом уровне (n = 1) могут находиться два электрона (2•1² = 2), на втором (n = 2) – восемь (2•2² = 8), на третьем (n = 3) – 18 (2•3² = 18) и т.д.

в) В зависимости от состояния электронов в атомах различают s-, p-, d-, f-орбитали и соответствующие им s-, p-, d-, f-подуровни. В зависимости от того, какой подуровень (s, p, d или f) заполняет очередной электрон, соответственно различают s-, p-, d- или f-элементы. В главных подгруппах ПСХЭ Д.И.Менделеева находятся s- и р-элементы, а в побочных подгруппах – d- и
f-элементы.

г) Число главных подгрупп определяется максимальным числом электронов на энергетическом
L-уровне, т.е. равно восьми (s²p⁶). Число переходных d-элементов в четвертом (от ₂₁Sс до ₃₀Zn), пятом (от ₃₉Y до ₄₈Сd) и шестом (₅₇La и от ₇₂Нf до ₈₀Нg) периодах равно десяти. Оно определяется разностью между максимальным содержанием электронов на М- и L-уровнях (18 – 8 = 10), т.е. равно максимальному числу электронов на d-подуровне (см. п. 15 методических указаний).

Поскольку в ПСХЭ Д.И.Менделеева в каждом из больших периодов одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных элемента, близких по химическим свойствам (в четвертом периоде Fe, Co, Ni, в пятом периоде Ru, Rh, Pd, в шестом периоде Os, Ir, Pt), то число побочных подгрупп, как и главных, равно восьми.

По аналогии с переходными d-элементами число лантаноидов и актиноидов, помещенных внизу ПСХЭ Д.И.Менделеева, должно быть равно разности между максимальным содержанием электронов на N- и М-уровнях (32 – 18 = 14), т.е. равно максимальному числу электронов на
f-подуровне.

П-24. Элементы одной и той же подгруппы имеют cходный характер (количество и состояние) расположения электронов на внешних энергетических уровнях у атомов элементов главных подгрупп или на внешних и предвнешних уровнях у атомов элементов побочных подгрупп. Например, галогены (главная подгруппа VII группы) имеют валентную электронную конфигурацию ns²np⁵, а элементы побочной подгруппы этой же группы –

(n – 1)s²(n – 1)р⁶ (n – 1)d⁵ns².

Таким образом, сходство указанных элементов заключается в наличии у атомов как главной, так и побочной подгруппы семи валентных электронов, но их расположение по подуровням существенно различается.

П-25. В атоме азота электронная структура в отличие от атома фосфора не предполагает возможности возбуждения (имеются три неспаренных электрона и неподеленная электронная пара на внешнем энергетическом уровне, как и у атома фосфора, но отсутствуют вакантные орбитали, и распаривание невозможно). Однако кроме образования трех ковалентных связей (-связей) атому азота свойственно, как донору, обладающему неподеленной электронной парой в валентном слое, предоставлять свои валентные спаренные электроны для образования координационной (донорно-акцепторной) химической связи с атомами-акцепторами, имеющими на валентном энергетическом уровне вакантные орбитали:

Таким образом, максимальная ковалентность атома азота – число общих электронных пар, образуемых с атомами других химических элементов, т.е. число ковалентных химических связей, может быть равна четырем (три -связи и одна донорно-акцепторная связь). При этом степень окисления атома азота равна –3.

Аналогично можно объяснить и обратимый процесс образования водного аммиака:

П-26. Элементы больших периодов ПСХЭ Д.И.Менделеева от ₂₁Sc до ₃₀Zn (четвертый период), от ₃₉Y до ₄₈Сd (пятый период), от ₅₇La до ₈₀Hg (шестой период) называют переходными элементами, элементами побочных подгрупп, у атомов которых каждый последующий электрон заполняет не внешний, а предвнешний энергетический уровень (d- или f-подуровень, отсюда название d- или f-элементы). Эти элементы в периодах располагаются после типичных металлов (начало периодов, восстановители, атомы с наибольшим радиусом и наименьшим числом валентных электронов и энергией ионизации), до типичных неметаллов (конец периодов, нечетные ряды, окислители, атомы с относительно небольшим радиусом, с приближающимся к устойчивому октету числом валентных электронов и наивысшей энергией сродства к электрону). Следует заметить, что после d- и
f-элементов перед типичными неметаллами находятся химические элементы с заполненными d- и
f-подоболочками.

Не следует стремиться идентифицировать такие элементы с занимающими подобное положение в малых периодах элементами (₅В и ₁₃Al), определяемыми как амфотерные. Многие металлы побочных подгрупп способны к проявлению переменных степеней окисления, при этом с увеличением степени окисления соответственно уменьшается радиус, ослабевают основные свойства оксидов и гидроксидов и усиливаются кислотные (летучих водородных соединений эти элементы не образуют).

П-27. Химический знак водорода помещен в ПСХЭ Д.И.Менделеева и в главную подгруппу I группы, и в главную подгруппу VII группы.

Атом водорода с его единственным электроном на 1s-орбитали аналогичен атомам типичных щелочных металлов, у которых на внешнем энергетическом уровне также находится один электрон на ns-орбитали.

В водном растворе за счет гидратации катиона водорода образуется ион гидроксония:

Н⁺ + H₂O Н₃O⁺.

Щелочные металлы в водной среде тоже содержатся в виде однозарядных гидратированных катионов.

Простое вещество водород может проявлять восстановительные свойства, характерные для щелочных металлов. Учитывая аналогию свойств водорода и щелочных металлов, химический знак водорода помещают в главную подгруппу I группы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

Однако простое вещество водород кроме восстановительных свойств способен к проявлению и ярко выраженных окислительных свойств. Например, при взаимодействии со щелочными металлами он образует гидриды, в которых степень окисления его атома равна –1:

В связи с этим химический знак водорода помещают и в главную подгруппу VII группы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

Ю.И.ПАХОМОВ,
учитель химии школы № 66
(г. Владивосток)