Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №2/2006

МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛЕКТОРИЙ

 

СОСТАВ И ЭЛЕКТРОННАЯ
СТРУКТУРА АТОМА

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

Окончание. Начало см. в № 4, 6, 13, 19, 24/2005

 

Приложение 2

Ответы на контрольную работу

К-1. Используя периодическую таблицу химических элементов, находим химический элемент
№ 15: фосфор (15Р). Он расположен в третьем (малом) периоде, электронное облако атома этого элемента состоит из трех квантовых слоев:

в первом (n = 1) квантовом слое (К) один подуровень – l [0, (n – 1)] l = 0, 1s;

во втором (n = 2) квантовом слое (L) два подуровня – l [0, (n – 1)] l = 0, l = 1, 2s, 2p;

в третьем (n = 3) квантовом слое (M) три подуровня – l [0, (n – 1)] l = 0, l = 1, l = 2, 3s, 3p, 3d.

Энергия связи электронов с ядром для всех этих подуровней различна. Электроны каждого квантового слоя характеризуются определенной энергией связи с ядром:

где Z – заряд ядра, m – масса электрона, е – заряд электрона, n – главное квантовое число, h – постоянная Планка.

Следовательно, чем больше значение n (в знаменателе), тем меньше энергия электростатического притяжении электрона к ядру.

Из предложенных в контрольном задании трех ответов правильный ответ 2.

К-2. В ПСХЭ Д.И.Менделеева химический элемент № 7 (7N) расположен во втором (малом) периоде, пятой группе (главной подгруппе). Следовательно, на втором энергетическом (L, внешнем, валентном) уровне два подуровня – l = 0 (s) и l = 1 (p), содержащих два спаренных электрона
(2s-орбиталь) и три неспаренных (2р-орбитали).

 

Правильный ответ 2.

К-3. В ПСХЭ Д.И.Менделеева химический элемент № 18 (18Ar) расположен в третьем (малом) периоде, а значит, содержит три квантовых уровня: К, L, M. На первом энергетическом уровне
(n = 1) – один подуровень (1s), на втором – два подуровня (2s,2p), а на третьем – три подуровня (3s,3p,3d), из которых электронами эаполнены только два подуровня:

n = 1, l = 0, m = 0 (1s), одна 1s-орбиталь;

n = 2, l = 0, m = 0 (2s), одна 2s-орбиталь,

l = 1, m = –1, 0, +1 (2p), три 2p-орбитали;

n = 3, l = 0, m = 0 (3s), одна 3s-орбиталь,

l = 1, m = –1, 0, +1 (3p), три 3p-орбитали,

l = 2, m = –2, –1, 0, +1, +2 (3d), пять 3d-орбиталей.

Правильный ответ 3.

К-4. Ответ на вопрос, как определить последовательность заполнения орбиталей, когда встречаются два состояния, для которых суммы главного и орбитального квантовых чисел равны, дает второе правило Клечковского: «При одинаковых суммах (n + l) в первую очередь заполняются состояния с меньшим значением главного квантового числа».

Для 3p-состояния:

n = 3, l = 1, n + l = 3 + 1 = 4.

Для 4s-состояния:

n = 4, l = 0, n + l = 4 + 0 = 4.

Согласно второму правилу Клечковского сначала заполняется 3p-cостояние, т.к. оно имеет меньшее значение главного квантового числа (3 < 4).

Правильный ответ 1.

К-5. Судя по расположению в ПСХЭ Д.И.Менделеева химического элемента № 27 (27Со) (элемент четвертого (четного) ряда, четвертого (большого) периода, VIII группы, побочной подгруппы), он является переходным d-элементом. Рассматривая состояния 3d и 4s, находим для состояния 3d сумму главного и орбитального (побочного) квантовых чисел:

n + l = 3 + 2 = 5.

Для состояния 4s эта сумма иная:

n + l = 4 + 0 = 4.

Следовательно, первоначально заполняется состояние с меньшим значением суммы (n + l), т.е. 4s (первое правило Клечковского). Согласно этому записываем порядок заполнения орбиталей:

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d.

Порядок заполнения электронами орбиталей можно определить, используя графическую интерпретацию правил Клечковского (см. контрольное задание 5).

Правильный ответ 2.

К-6. Судя по расположению в ПСХЭ Д.И.Менделеева, химический элемент № 26 – это элемент четвертого (четного) ряда, четвертого (большого) периода VIII группы, побочной подгруппы. Следовательно, порядок заполнения электронами орбиталей энергетических уровней тот же, что и для элемента № 27 – переходного d-элемента (см. К-5).

Электроноемкость орбиталей атомов элементов четвертого периода (четыре квантовых слоя: n = 1,
n = 2, n = 3, n = 4) отражена в табл. 7.

Таблица 7

Максимальное число электронов
на энергетических подуровнях и уровнях

n l m Орбитали Число электронов
1 0 0 1s 2
2 0
1
0
–1, 0, +1
2s
2p

20
60

8

3 0
1
2
0
–1, 0, +1
–2, –1, 0, +1, –2
3s
3p
3d

2
6
10

18

4 0
1
2
3
0
–1, 0, +1
–2, –1, 0, +1, –2
–3, –2, –1, 0, +1, +2, +3
4s
4p
4d
4f

2
6
10
14

32

Электронная и электронно-графическая формулы элемента № 26:

Правильные ответы 1 и 2.

К-7. Элемент третьего (малого) периода IV группы, главной подгруппы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

1s 2s 2p 3s 3p; p-элемент.

Элемент четвертого (большого) периода IV группы, побочной подгруппы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d; переходный d-элемент.

Элемент четвертого (большого) периода, VII группы, побочной подгруппы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d; переходный d-элемент.

Элемент четвертого (большого) периода, нечетного (пятого) ряда, VII группы, главной подгруппы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p; p-элемент.

Правильный ответ 3.

К-8. Согласно принципу Паули каждый электрон в атоме имеет набор четырех квантовых чисел, свойственный именно данному электрону. Элемент 6С в ПСХЭ Д.И.Менделеева расположен во втором (малом) периоде, IV группе, главной подгруппе.

1s 2s 2p; p-элемент.

Основное состояние атома:

1 – электрон 2-го квантового слоя, s-подуровня,

n = 2, l = 0, m = 0, s = –1/2;

2 – электрон 2-го квантового слоя, s-подуровня,

n = 2, l = 0, m = 0, s = +1/2;

3 – электрон 2-го квантового слоя, p-подуровня,

n = 2, l = 1, m = –1, s = –1/2;

4 – электрон 2-го квантового слоя, p-подуровня,

n = 2, l = 1, m = 0, s = –1/2.

Возбужденное состояние атома:

1 – электрон 2-го квантового слоя, s-подуровня,

n = 2, l = 0, m = 0, s = –1/2;

2 – электрон 2-го квантового слоя, p-подуровня,

n = 2, l = 1, m = –1, s = –1/2;

3 – электрон 2-го квантового слоя, p-подуровня,

n = 2, l = 1, m = 0, s = –1/2;

4 – электрон 2-го квантового слоя, p-подуровня,

n = 2, l = 1, m = 1, s = –1/2.

Правильный ответ 1.

К-9. В изменениях радиусов атомов химических элементов с возрастанием заряда ядра наблюдается периодичность. Так, во втором периоде при переходе от 3Li к 9F происходит постепенное уменьшение атомного радиуса, а при переходе от 9F к 11Na радиус атома последнего резко увеличивается.

Такое уменьшение атомного радиуса обусловлено тем, что в ряду Li–F постепенно увеличивается сила электростатического притяжения внешних электронов к ядру и радиус атома уменьшается. С переходом от фтора к натрию очередным электроном начинается заполнение более удаленного от ядра третьего энергетического уровня. Поэтому радиус атома натрия резко возрастает.

Размеры атомов влияют на их свойства. Так, атомы лития Li, натрия Na, калия К обладают наибольшими атомными радиусами по сравнению с атомами других элементов соответствующих периодов. Внешние электроны в атомах щелочных металлов находятся дальше от ядра, слабее притягиваются к нему и легко могут быть отданы. Этим и объясняется причина проявления щелочными металлами сильных восстановительных свойств. В периодах при переходе от щелочных металлов к галогенам радиусы атомов уменьшаются, сила электростатического притяжения внешних электронов к ядру увеличивается, что и приводит к уменьшению восстановительных и увеличению окислительных свойств соответствующих простых веществ. (Следует все же иметь в виду, что такое объяснение периодичности изменения радиусов атомов элементов в известной мере условно.)

Правильный ответ 2.

К-10. В связи с периодическим изменением валентности химических элементов (обусловлено тем, что с возрастанием заряда атомного ядра периодически повторяются элементы со сходной электронной структурой атомов) периодически изменяются также состав, строение и свойства оксидов и гидридов соответствующих химических элементов. Так, оксид лития Li2O, оксид натрия Na2O, оксид калия K2O сходны не только по своим составу и строению, но и по свойствам. Все эти оксиды являются основными оксидами, бурно реагируют с водой с образованием соответствующих растворимых оснований – щелочей.

Такая же закономерность наблюдается и в других группах главных подгрупп. Так, высшие оксиды элементов главной подгруппы IV группы ПСХЭ Д.И.Менделеева – оксид углерода СО2, оксид кремния SiО2, оксид германия GeО2, оксид олова SnO2 и оксид свинца РbО2 – сходны по строению и некоторым свойствам. Однако оксид углерода СО2 – кислотный оксид, у оксида кремния SiO2 кислотные свойства выражены несколько слабее, а оксиды олова SnO- и cвинца PbO2 – амфотерные оксиды, кислотные свойства у которых проявляются еще слабее.

Периодически изменяются также строение и свойства гидридов. Металлы главных подгрупп
I–III групп с водородом образуют нелетучие соединения. Строение и свойства гидрида лития LiH, гидрида натрия NaH, гидрида калия КН сходны между собой. Элементы главных подгрупп
IV–VII групп образуют летучие водородные соединения. Cтроение и свойства этих соединений также изменяются периодически. Например, водородные соединения галогенов НF, НCl, НВr и НI сходны как по строению, так и по свойствам.

Правильный ответ 1.

К-11. В периодическом законе и отражающей его сущность системе химических элементов ярко проявляются общие закономерности развития природы – закон единства и борьбы противоположностей, закон перехода количественных изменений в качественные и закон отрицания отрицания.

Например, в периодах происходит как скачкообразное, так и постепенное изменение свойств химических элементов. При увеличении заряда ядра атома на единицу происходит скачкообразное изменение свойств элемента – образуется новый элемент с совершенно иными свойствами. В то же время в периодах происходит постепенное изменение свойств элементов – от образующих типичные металлы к образующим типичные неметаллы. В этом заключается подтверждение закона перехода количественных изменений в качественные – всеобщего закона развития природы.

Другой всеобщий закон – закон единства и борьбы противоположностей – ярко проявляется в строении атомов, которые существуют как единство двух противоположностей: положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Большинство химических элементов имеет двойственный (противоположный) характер, т.е. в определенной степени проявляет как металлические, так и неметаллические свойства.

Периодический закон и периодическая система химических элементов отражают еще одну всеобщую закономерность развития природы: от более простого к более сложному. Наиболее ярко она выявляется при переходе от периода к периоду. Так, элемент калий повторяет многие свойства элемента натрия, но в то же время атом калия имеет более сложное строение, и поэтому калий как простое вещество более реакционноспособен, чем натрий. Следовательно, развитие происходит как бы по спирали, подчиняясь третьему основному закону природы – закону отрицания отрицания.

Правильный ответ 2.

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