WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 15 |

Устойчивому (невозбужденному) состоянию многоэлектронного атома отвечает такое распределение электронов по АО, при котором энергия атома минимальна. Поэтому АО заполняются в порядке последовательного возрастания их энергий (при этом не должен нарушаться принцип запрета Паули). Порядок заполнения электронами АО определяется правилами Клечковского, которые учитывают зависимость энергии орбитали от значений как главного (n), так и орбитального (l) квантовых чисел. Согласно этим правилам, АО заполняются электронами в порядке последовательного увеличения суммы n + l (1-е правило Клечковского, т.е. сначала заполняется тот подуровень, где сумма меньше), а при одинаковых значениях этой суммы – в порядке последовательного возрастания главного квантового числа n (2-е правило Клечковского, т.е. заполняется подуровень с меньшим n и бльшим l ).

П р и м е р 1. Составить электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Показать распределение электронов этих атомов по атомным электронным орбиталям.

Р е ш е н и е. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, x подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов nl, где n – главное квантовое число; l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f);

x – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s- > 2s- > 2p- >3s- > 3p- > 4s- > 3d- > 4p- > 5s- > 4d- > 5p- > 6s- > > (5d1)- > 4f- > 5d- > 6p- > 7s- > (6d1)- > 5f- > 6d- > 7р.

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов Z = 16 (сера) и Z = 22 (титан) электронные формулы имеют вид:

S 1s2 2s2 2p6 3s2 3pn = n = p n = s Ti 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4sn = n = d n = n = p s П р и м е р 2. Составить электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Р е ш е н и е. Составляем электронную формулу атома кремния: 1s2 2s2 2p6 3s23p2. Валентными орбиталями в этом атоме являются орбитали внешнего, третьего, энергетического уровня, т.е. 3s-, 3p- и незаполненные 3d-орбитали. Графическая схема заполнения электронами орбиталей имеет следующий вид:

Si 1s2 2s2 2p6 3s2 3p(1) n = d n = p n = s Размещение электронов на 3p-подуровне показано здесь в соответствии с правилом Хунда: суммарный спин атома имеет при этом максимальное значение (1). Другие возможные размещения электронов на 3p-подуровне, например:

(2) или (3) отвечают нулевому значению суммарного спина атома.

При затрате некоторой энергии один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3pорбиталь; при этом энергия атома возрастает, так что возникающая электронная конфигурация (1s2 2s2 2p6 3s1 3p3) также соответствует одному из возможных возбужденных состояний кремния:

П р и м е р 3. Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня 4р Р е ш е н и е. Подуровню 4p отвечает сумма n + l, равная 4 + 1 = 5. Такой же суммой n + l характеризуются подуровn = d p s ни 3d (3 + 2 = 5) и 5s (5 + 0 = 5). Но состоянию 3d отвечает меньшее значение n (n = 3), чем состоянию 4p; поэтому подуровень 3d будет заполняться раньше, чем подуровень 4p. Значит, после заполнения подуровня 4p будет заполняться подуровень 5s, которому отвечает на единицу большее значение n (n = 5).

Размещение электронов по АО в пределах одного энергетического подуровня определяется правилом Хунда (Гунда), согласно которому минимальной энергии атома соответствует такое распределение электронов на АО данного подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально; при любом другом размещении электронов атом будет находиться в возбужденном состоянии, т.е. будет характеризоваться более высокой энергией.

П р и м е р 4. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Р е ш е н и е. Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2 np6 ) или разностью N – 8, где N – номер группы, в которой находится элемент-неметалл.

Данные элементы находятся соответственно в V, VI, VII группах в главных подгруппах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2p3, s2p4 и s2p5. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома и соединения таковы:

As + 5 – (высшая), –3 (низшая) – H3AsO4; H3As;

Se + 6 – (высшая), –2 (низшая) – SeO3; Na2Se;

Br + 7 – (высшая), –1 (низшая) – KBrO4; KBr.

П р и м е р 5. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства Р е ш е н и е. Электронные формулы данных элементов Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2;

Br 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5.

Марганец – d-элемент VII группы побочной подгруппы, а бром – p-элемент VII группы главной подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих p- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома.

П р и м е р 6. Как зависят кислотно-оснвные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления атомов элементов, их образующих Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами) Р е ш е н и е. Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства последних меняются от основных к амфотерным и кислотным.

Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э–О и O–H может протекать по двум типам:

Э------О------Н (I) (II) I. ЭОН <—> Э+ + ОН-;

II. ЭОН <—> ЭО- + Н+.

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами атомов. Диссоциация по кислотному типу (II) протекает, если EO–H << ЕЭ–О (высокая степень окисления), а по основному типу, если ЭО–Н >> ЭЭ–О (низкая степень окисления). Если прочности связей O–Н и Э–O близки или равны, диссоциация гидроксида может одновременно протекать и по (I), и по (II) типам. В этом случае речь идет об амфотерных электролитах (амфолитах):

nЭn+ + n OH- <—> Э(OH)n <—> Hn ЭОn <—> nH+ + ЭO, n как основание как кислота где Э – элемент; n – его степень окисления.

В кислой среде амфолит проявляет оснвный характер, а в щелочной среде – кислый характер:

Ga(OH)3 + 3HCl <—> GaCl3 + 3H2O;

Ga(OH)3 + 3NaOH <—> Na3[Ga(ОН)6].

Электромагнитное излучение атома связано с переходом электронов с более удаленных от ядра стационарных орбит на более близкие, при этом происходит излучение фотонов. При переходе в обратном направлении – поглощение фотонов, энергия которых E определяется уравнением Планка:

Е = h, где h – постоянная Планка, или квант действия, равна 6,626 10–34 Дж с; – частота излучения, которая связана со скоростью света с и длиной волны соотношением = с /.

Можно вычислить массу фотона m, используя закон взаимосвязи массы и энергии: Е = mc2. Сочетая приведенные уравнения получаем выражение: = h / mc, которое связывает массу движущегося фотона с длиной его волны.

В 1924 г. де Бройль пришел к выводу, что двойственная природа характерна не только для фотонов и что каждая частица, имеющая массу покоя, при своем движении обладает также и волновыми свойствами. Длина волны, возникающей при движении материальной частицы, зависит от ее массы покоя m, скорости и определяется уравнением = h / m.

Волны, возникающие при движении материальных частиц, получили название волн де Бройля.

П р и м е р 7. Вычислить массу фотона, отвечающего длине волны 589 10–9 м.

Р е ш е н и е. Масса фотона вычисляется по уравнению = h / mc. Принимая скорость фотона равной скорости света с = 3 108 м / с, а длину волны = 589 10–9 м, находим m = h / c = 6,626 10–34 / 589 10–9 3 108 = 3,75 10–36 кг.

Ядро атома: cтруктурными единицами атомного ядра являются протоны (р) и нейтроны (n), представляющие собой два различных состояния одной и той же частицы – нуклона. Возможный переход нуклона из одного состояния в другое сопровождается появлением электрона е– или позитрона е+ вместе с частицей, не имеющей заряда и массы покоя – нейтрино : р n + e+ + ; n р + e– +.

В ядре между нуклонами действуют силы притяжения, называемые ядерными. Для них характерно: 1) действие между всеми частицами ядра; 2) высокая мощность, благодаря которой плотность ядерного вещества достигает огромного значения, порядка 1014 г / см3; 3) способность действовать только на очень малых расстояниях, не превышающих размера самого ядра (10–13 см).

Число протонов в ядре равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в периодической системе. Общая сумма протонов и нейтронов называется массовым числом (А), которое равно целому числу, ближайшему к относительной атомной массе данного элемента (Аr ). Разность (А – Z) определяет число нейтронов в ядре.

Дефектом массы (m) называют разность между массой ядра и арифметической суммой масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Дефект массы связан с энергией, выделяющейся при образовании ядра, соотношением Эйнштейна Е = mc2. Чем больше m, тем больше энергия связи между частицами в ядре и тем выше его устойчивость. Благодаря большим значениям m для ядерных реакций применим не закон сохранения массы, а общий закон сохранения материи:

m + E = const.

Ядерные реакции: первая ядерная реакция была осуществлена бомбардировкой -частицами (ядра атома гелия) атомов азота и привела к открытию протона (Э. Резерфорд, 1919): 147N + 42He = (189F) = 178O + 11H. Уравнение этой же реакции в общепринятой краткой символике: 147N(, р), 178O, т.е. указывается: ядро-мишень, бомбардирующая частица («снаряд»), вылетающая частица и образовавшееся ядро. Большая часть ядерных реакций протекает в две стадии: 1) захват «снаряда» ядром-мишенью и 2) распад неустойчивого продукта захвата с образованием конечного ядра – продукта реакции.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого, которое сопровождается испусканием элементарных частиц или ядер (например, ядер атома гелия). Явление радиоактивности, открытое А. Беккерелем (1896), было объяснено Э. Резерфордом и Ф. Содди (1903). Радиоактивными называют элементы, все изотопы которых радиоактивны: технеций 43Тс, прометий 61Pm и все элементы конца периодической системы, начиная с полония 84Ро. Есть элементы, которые кроме стабильных изотопов, например 39K, 86Rb, 139La, имеют радиоактивные долгоживущие изотопы 40K, 87Rb, 138La.

Согласно правилу смещения (Ф. Содди и К. Фаянс, 1913) образующийся при радиоактивном распаде элемент оказывается смещенным относительно исходного или в направлении начала периодической системы, если выбрасываемая ядром частица имеет положительный заряд, или в направлении конца периодической системы, если выбрасываемая частица заряжена отрицательно. Число клеток, на которое происходит смещение (изменение порядкового номера), равно числу зарядов выбрасываемой частицы.

Существует несколько видов радиоактивного распада. Например, ) -распад: 22688Ra 22286Rn + 42He; 2) электронный или --распад: 146С 147N + e–; 3) позитронный или +-распад, обнаруженный у изотопов, образующихся при бомбардировке ядер легких элементов -частицами (Ирен и Фредерик Жолио Кюри, 1934): 2713Al + 42He 3115P 3114Si + e+;

4) электронный захват (Л. Альварец, 1933), при котором ядро захватывает электрон с ближайшего электронного слоя – Кзахват, и этот электрон вместе с одним из протонов ядра превращается в нейтрон: р + е– n. 4019K + e– 4018Ar + ; 5) спонтанное деление – это самопроизвольный распад тяжелых ядер (Z 90) на два (редко на 3 или на 4) осколка, которыми являются ядра элементов середины периодической системы. Деление сопровождается испусканием нейтронов (от 2 до 4). Радиоактивный распад часто сопровождается -излучением ( = 0,0004…0,02 нм), который является результатом перехода возбужденного ядра на более низкий энергетический уровень.

Деление атомных ядер тяжелых элементов вызывается и действием сравнительно медленных «тепловых» нейтронов в ядерных реакторах: 23592U + 10n 9236Kr + 14156Ba + 210n. Нейтроны бльшей энергии захватываются ядром урана, после чего за счет --распада последовательно образуются два первых трансурановых элемента – нептуний Np и плутоний Pu:

U 23992U 23993Np 23994Pu.

Радиоактивность элементов возникает при таком количественном соотношении протонов и нейтронов (Z / A), при котором ядро переходит в возбужденное состояние. Ядро оказывается наиболее устойчивым при соотношении Z / A, равным 0,5 для легких изотопов и 0,38 для тяжелых (Z 100). Позитронный распад и электронный захват увеличивают число нейтронов, поэтому характерны для изотопов легких элементов с дефицитом нейтронов (Z / A больше оптимального). Тяжелым элементам с избытком нейтронов и значением Z / A меньшим оптимального свойственен –-распад, уменьшающий число нейтронов в ядре. Для тяжелых ядер, даже в случае приближения Z / A к оптимальному значению, Есв -частиц уменьшается настолько, что становится энергетически выгодным -распад или спонтанное деление.

За единицу радиоактивного распада в СИ принят беккерель (Бк) – радиоактивность, при которой за 1 с происходит акт распада (с–1). Внесистемная единица кюри (Ku) равна 3,7 1010 Бк (число -частиц, которые испускает радий массой в 1 г в 1 с).

Периодом полураспада Т1/2 называют время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивного элемента. Для 21284Ро и 5023V эта величина соответственно равна 3 10–7 с и 6 1015 лет. Константой радиоактивного распада (с–1) называют величину, которая показывает, какая доля наличного числа атомов радиоактивного изотопа распадается в единицу времени. Обратная величина 1 / (с) – среднее время жизни радиоактивного элемента – указывает, из какого числа ядер распадается одно ядро в течение 1 с. Константа распада и период полураспада связаны между собой соотношением: Т1/2 = ln2 = 0,693.

П р и м е р 8. Из скольких атомов изотопа 40K ежесекундно распадается одно ядро, если константа радиоактивного распада для него равна 1,7 10–17 с–1 Р е ш е н и е. 1 / = 1 / (1,7 10–17) = 6 1016 c. Таким образом, за 1 секунду из 6 1016 ядер изотопа 40K распадается одно ядро.

П р и м е р 9. Период полураспада радия 1617 лет. Как это определяет константу радиоактивного распада радия Из скольких атомов и сколько атомов радия распадается за 1 с Р е ш е н и е. 1). Так как Т1/2 = 0,693, то (Ra) = 0,693 / T1/2 (Ra) = = 0,693 / (1617 365 24 3600) = 1,36 10–11 c–1.

2) Если (Ra) = 1,36 10–11 = 1,4 10–11 = 14 10–12 = 14 / 1012, то из 1012 атомов за 1 с распадаются 14 атомов радия.

Уравнения ядерных реакций (в том числе и реакций радиоактивного распада) должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов: 1) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц, образующихся в результате реакции; при этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются; 2) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию и частиц – продуктов реакции, равны между собой.

ЗАДАНИЯ 81. Изотоп какого элемента имеет относительную молекулярную массу 135 и 79 нейтронов в ядре Написать электронную конфигурацию иона этого элемента.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 15 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.