Материал: Теоретические основы химии

Рис.2.1.3. Заполнение энергетических уровней у s-, p-,d- и f- элементов электронами

Склонность атомов к отдаче и присоединению электронов.

Известно, что склонность атома отдавать свои и присоединять чужие электроны зависит от его энергетических характеристик (энергии ионизации и энергии сродства к электрону). Какие же атомы более склонны отдавать свои электроны, а какие - принимать чужие?

Энергией ионизации I называют минимальное значение энергии, необходимое для удаления электрона из атома А c образованием положительного иона (катиона): А + I > А+ + е-

Сродством к электрону F называется энергия, которая выделяется при присоединении к нейтральному атому А электрона с образованием отрицательного иона (аниона): А + е- > A- + F

Характеристика, которая отражает способность атома в молекуле, оттягивать на себя электронную плотность других атомов называется электроотрицательностью атома (ЭО). Она возрастает у атомов в периодической системе Д.И.Менделеева в периодах слева направо и в группах - снизу вверх.

Наиболее склонны отдавать свои электроны атомы элементов I группы и особенно атомы цезия (самые большие). Наиболее склонны принимать чужие электроны атомы элементов VII группы и особенно атомы фтора и хлора (самые маленькие). Атомы благородных газов не склонны ни отдавать электроны, ни принимать их.

Cпособность атомов отдавать электроны.

Во-первых, в химических реакциях атом может отдавать только валентные электроны, так как отдавать остальные энергетически крайне невыгодно. Во-вторых - атом "легко" отдает (если склонен) только первый электрон. Второй электрон он отдает значительно труднее (в 2-3 раза), а третий - еще труднее (в 4-5 раз). Таким образом, атом может отдать один, два и, значительно реже, три электрона.

А сколько электронов атом может принять?

Во-первых, в химических реакциях атом может принимать электроны только на валентные подуровни. Во-вторых, выделение энергии происходит только при присоединении первого электрона (и то далеко не всегда). Присоединение второго электрона всегда энергетически невыгодно, а третьего - тем более. Тем не менее, атом может присоединить один, два и (крайне редко) три электрона, как правило, столько, сколько ему не хватает для заполнения своих валентных подуровней.

Энергетические затраты на ионизацию атомов и на присоединение к ним второго или третьего электрона компенсируются за счет энергии, выделяющейся при образовании химических связей.

В результате потери или присоединения электронов атом перестает быть электронейтральным и превращается в заряженную частицу, называемую ионом. В табл.2.1.2. представлены примеры образования заряженных частиц из электронейтральных атомов.

Таблица 2.1.2. Примеры образования ионов за счет отдачи или присоединения электронов атомами

Na0 - e- = Na+ [He]3s1>[He] 3s0	F0 + e- = F-
Ba0 - 2e- = Ba2+ [He]6s2>[He] 6s0	O0 + 2e- = O2-
Al0 - 3e- = Al3+ [Ne]3s2 3p1>[Ne] 3s03p0	I0 + e- = I-
Mn0 - 2e- = Mn2+	N0 + 3e- = N3-

Определите количество протонов и нейтронов в ядре атома платины.

При бомбардировке нейтронами изотопов B и Mn выделяется частица и образуются изотопы Li и V. Составьте в полной и сокращенной формах уравнения протекающих ядерных реакций.

Электрон в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, ml = 0. Какая форма записи отражает энергетическое состояние электрона?

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d; 6s или 5p и почему?

Заряды ядер элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, а свойства простых веществ повторяются периодически. Как это объяснить?

Почему водород в периодической системе обычно помещают либо в первой группе и в то же время в скобках в седьмой, либо в седьмой группе и в то же время в скобках в первой. Приведите примеры реакций, доказывающих двойственную химическую природу водорода.

Чем обусловлена высокая химическая активность щелочных металлов? Составьте электронные схемы строения атомов натрия и цезия. У какого из этих элементов ярче выражены металлические свойства и почему?

Составить электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Показать распределение электронов этих атомов по атомным электронным орбиталям.

Составить электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня 4р? Ответ объяснить.

Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

У какого из элементов четвертого периода - марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

При бомбардировке нейтронами изотопов B и Mn выделяется частица и образуются изотопы Li и V. Составьте в полной и сокращенной формах уравнения протекающих ядерных реакций.

Электрон в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, ml = 0. Какая форма записи отражает энергетическое состояние электрона?

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d; 6s или 5p и почему?

Составьте электронные формулы атомов элементов № 20 и № 53. На каких энергетических уровнях и подуровнях находятся валентные электроны?

Составить электронную формулу элемента с порядковым номером 82. По форме записи определить, в каком периоде и группе находится данный элемент, и какому семейству он принадлежит. Составить графическую схему заполнения электронами валентных орбиталей атома этого элемента в нормальном и возбужденном состояниях.

Напишите электронные формулы атомов углерода и серы и формулы соединений их с кислородом и водородом.

Изобразите электронные и электронно-графические формулы атомов 5В и 21Sc. Укажите валентные электроны. К какому семейству относятся атомы данных элементов?

Рассчитайте среднюю массу атома хлора.

Из какого числа атомов состоят 1г и 1 см3 магния?

Указать возможные степени окисления элемента 9F? Докажите на основании электронной конфигурации данного атома.

Указать возможные степени окисления элемента 32Ge? Докажите на основании электронной конфигурации данного атома.

Какой инертный газ и ионы каких элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию с частицей, возникающей в результате удаления из атома кальция всех валентных электронов?

Могут ли электроны иона Аl3+ находиться на следующих орбиталях: а) 2р; б) 1р; в) 3d?

Напишите электронную конфигурацию атома неона в первом возбужденном состоянии.

Каков состав ядер изотопов 12C и 13C, 14N и 15N?

У какого из перечисленных ниже соединений наименее выражены кислотные свойства?

А) HNO3, б) H3PO4, в) H3AsO4, г) H3SbO4.

Химическая связь

Знание природы взаимодействия атомов в веществе является основополагающим для выявления многообразия химических соединений, определения состава материалов, их строения и реакционной способности.

Причиной возникновения химической связи является такое состояние атома, при котором он всегда стремится восполнить свою оболочку до двух- или восьмиэлектронного облака. При взаимодействии атомов образуется устойчивая молекула, причем потенциальная энергия молекулы, всегда меньше энергии исходных атомов. Химическая связь образуется только тогда, когда потенциальная энергия при сближении атомов понижается.

В химической связи участвуют валентные электроны, расположенные на внешнем или предвнешнем энергетических уровнях.

Таблица 3.1. Примеры электронных формул атомов

Рис.3.1. Валентные подуровни и валентные электроны атомов титана и мышьяка

У s- и p- элементов валентными являются электроны внешнего слоя (ns2np6), у d- элементов валентными являются электроны s- состояния внешнего слоя и d - состояния предвнешнего слоя (ns2(n-1)d10), у f- элементов (лантаноиды и актиноиды) электроны f- состояния не являются валентными и в химической связи не участвуют.

Для описания химической связи в веществе необходимо знать распределение электронной плотности атомов. В зависимости от характера распределения электронной плотности в веществе различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Таблица 3.2. Сравнение видов химической связи

Ионная связь - это электростатическое взаимодействие между ионами с зарядами противоположного знака. Ионная связь образуется в результате значительного переноса электронной плотности от одного атома к другому. Такой тип связи возможен только между атомами, которые резко отличаются по свойствам (типичные металлы с низким потенциалом ионизации соединяются с типичными неметаллами с большим сродством к электрону).

Ионная связь в отличие от ковалентной характеризуется ненаправленностью и ненасыщенностью связи. Обладая силовым полем, каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака в любом направлении. Данные свойства обуславливают склонность ионных молекул к соединению их друг с другом. Энергетически наиболее выгодно, когда каждый электрон окружен максимальным числом ионов противоположного знака. Однако, из-за отталкивания одноименных ионов друг от друга устойчивость системы достигается лишь при определенной взаимной координации ионов. В обычных условиях ионные соединения имеют кристаллическую решетку, в которой каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака, где все связи равноценны, так что весь кристалл можно рассматривать как единую молекулу.

В качестве примеров можно привести MgS, NaCl, которые при обычных условиях являются твердыми веществами, имеют высокие температуры плавления и кипения, их расплавы или растворы проводят электрический ток.

Металлическая связь. Большинство металлов обладают рядом свойств, имеющих общий характер, и отличающийся от свойств других простых или сложных веществ. Это высокие температуры плавления, способность к отражению света, высокая тепло и электропроводность. Эти особенности обязаны существованию в металлах особого вида связи - металлической связи. Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, которые слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате этого в кристаллической решетке металла появляются положительные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

В случае металлов нельзя говорить о направленности связей, так как валентные электроны распределены по кристаллу почти равномерно. Этим объясняется пластичность металлов, т.е. возможность смещения ионов и атомов в любом направлении без нарушения связи.