Повна електронна формула елемента.
Періодичний закон Д.І. Менделєєва
Запис, що відображає розподіл електронів в атомі хімічного елемента по енергетичним рівням і подуровням, називається електронною конфігурацією цього атома. Всі електрони атома утворюють його електронну оболонку, яка визначає багато хімічні властивості елемента. Розподіл електронів в атомах підпорядковується трьом основним принципам: принципу Паулі, принципом мінімуму енергії, і правилом Хунда.
Принцип Паулі. В атомі не може бути двох електронів, у яких значення всіх квантових чисел (n, l, m, s) були б однакові, тобто на кожній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів (c протилежними спинами).
Правило Клечковского (принцип найменшої енергії). В основному стані кожен електрон розташовується так, щоб його енергія була мінімальною.
1S <2s <2p <3s <3p <4s <3d <4p <5s <4d <5p <6s <5d 4f <6p <7s.
Правила Гунда. Атом в основному стані повинен мати максимально можливе число неспарених електронів в межах певного підрівня.
Електронна будова атомів елементів пов'язано з їх становищем в Періодичній системі, що зумовлює властивості. Періодичність зміни по групах і періодах основних властивостей представлено на схемі:
Хімічної связьюназивается сукупність взаємодій між електронами і ядрами, що призводять до з'єднання атомів в молекулу. Розрізняють ковалентну, іонну і металеву зв'язку.
Іонна зв'язок - міцна хімічний зв'язок, що утворюється між атомами з великою різницею (> 1,7 за шкалою Полінга) електроотріцательностей, при якій загальна електронна пара повністю переходить до атома з більшою електронегативність. Іонна зв'язок - крайній випадок поляризації ковалентного полярного зв'язку. Утворюється між типовими металом і неметаллом. Іонна зв'язок, на відміну від ковалентного, характеризується: 1) ненаправленим, так як сферичне поле навколо іонів у всіх напрямках рівноцінно; 2) ненасищаемості, оскільки при взаємодії іонів не відбувається повної компенсації їх силових полів; 3) координаційними числами в іонних з'єднаннях, які визначаються не електронною структурою атомів, а співвідношенням радіусів взаємодіючих іонів.
Ковалентний зв'язок - утворюється за допомогою загальних електронних пар між атомами з однаковою ЕО або між атомами з невеликою різницею в ЕО, максимум 1.5 одиниць. Ковалентний зв'язок утворюється між атомами неметалів.
Якщо атоми, що утворюють просту ковалентний зв'язок, однакові, то справжні заряди атомів в молекулі також однакові, оскільки атоми, що утворюють зв'язок, в рівній мірі володіють обобществлённой електронної парою. Такий зв'язок називається неполярной ковалентним зв'язком.
Якщо атоми різні, то ступінь володіння усуспільненої парою електронів визначається різницею в електронегативності атомів. Атом з більшою електронегативність сильніше притягує до себе пару електронів зв'язку, і його істинний заряд стає негативним. Атом з меншою електронегативність набуває, відповідно, такий же за величиною позитивний заряд. Якщо з'єднання утворюється між двома різними неметалами, то таке з'єднання називається ковалентної полярною зв'язком.
Ковалентний зв'язок може утворюватися двома способами: за допомогою загальних електронних пар - обмінний механізм; по донорно-акцепторного механізму.
Ковалентний зв'язок характеризується довжиною, енергією зв'язку, насичуваність і спрямованістю.
Довжина зв'язку - це відстань між ядрами пов'язаних атомів.
Енергія зв'язку - це та енергія, яка необхідна щоб даний зв'язок розірвати.
Насичуваність - визначається валентними можливостями атома, тобто числом неспарених електронів і неподіленого електронних пар на зовнішньому енергетичному рівні.
Спрямованість - пояснюється різним розташуванням перекриваються електронних хмар (їх формою і напрямком в просторі) в просторі і визначає геометрію молекули. Назва гібридних орбіталей визначається числом і типом беруть участь орбіталей: sp-, sp 2 -, sp 3 - і ін. (Див. Таблицю).
Орбіталі, які беруть участь в гібридизації
Водневий зв'язок - є одним з видів міжмолекулярної взаємодії. Для її освіти необхідна наявність відносно рухомого атома водню (тобто пов'язаного сильно полярним ковалентним зв'язком з будь-яким атомом), з одного боку, і сильно ЕО атомом (тобто атомом неметалла), які мають хоча б одну не поділена пару електронів, з іншого боку. Воднева зв'язок утворюється за рахунок сил електростатичного притягання полярних молекул, що містять атоми самих електронегативний елементів, таких як F, O, N. Водневі зв'язки можуть бути внутрішньо-імежмолекулярнимі. У білках, нуклеїнових кислотах та інших органічних сполуках, що мають велике біологічне значення, воднева зв'язок забезпечує поперечне зшивання цепочечних молекул.
Металева зв'язок - утворюється між атомами металів за допомогою електронів, які відносно вільно переміщаються між ядрами атомів. У всіх вузлах кристалічної решітки розташовані позитивні іони металу. Між ними безладно, подібно до молекул газу рухаються валентні електрони, відщепи від атомів при утворенні іонів. Ці електрони відіграють роль цементу, утримуючи разом позитивні іони; в іншому випадку решітка розпалася б під дією сил відштовхування між іонами. Разом з тим і електрони утримуються іонами в межах кристалічної решітки і не можуть її покинути. Сили зв'язки не локалізовані і не спрямовані. Тому в більшості випадків виявляються високі координаційні числа (наприклад, 12 або 8). Для металевої зв'язку характерна відсутність спрямованості, що обумовлює пластичність металів.
Приклади розв'язання задач
Напишіть електронні конфігурації наступних елементів: N, Si, Fе, Кr, Ті, W.
Енергія атомних орбіталей збільшується в наступному порядку:
На кожній s-оболонці (одна орбіталь) може перебувати не більше двох електронів, на p-оболонці (три орбіталі) - не більше шести, на d-оболонці (п'ять орбіталей) - не більше 10 і на f-оболонці (сім орбіталей) - не більше 14. В основному стані атома електрони займають орбіталі з найменшою енергією. Число електронів дорівнює заряду ядра (атом в цілому нейтральний) і порядковому номеру елемента. Наприклад, в атомі азоту - 7 електронів, два з яких знаходяться на 1s-орбіталі, два - на 2s-орбіталі, і що залишилися три електрона - на 2p-орбіталях. Електронна конфігурація атома азоту:
+7 N: 1s 2 2s 2 2p 3. Електронні конфігурації інших елементів:
+14 Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2,
+26 Fе: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6,
+36 Кr: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 3p 6,
+52 Ті: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 3p 6 5s 2 4d 10 5p 4,
+74 Ті: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 3p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 4.
Який інертний газ і іони яких елементів мають однакову електронну конфігурацію з часткою, що виникає в результаті видалення з атома кальцію всіх валентних електронів?
Електронна оболонка атома кальцію має струк-туру 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2. При видаленні двох валентних електронів утворюється іон Са 2+ з конфігурацією 1s 2 2s 2 2р 6 Зs 2 Зр 6. Таку ж електронну конфігурацію мають атом Ar і іони S 2-. Сl -. До +. Sc 3+ і ін.
Чи можуть електрони іона Аl 3+ перебувати на наступних орбиталях: а) 2р; б) 1р; в) 3d?
Електронна конфігурація атома алюмінію: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. Іон Al 3+ утворюється при видаленні трьох валентних електронів з атома алюмінію і має електронну конфі-гурацію 1s 2 2s 2 2p 6.
А) на 2р-орбіталі електрони вже знаходяться;
б) відповідно до обмежень, що накладаються на квантове число l (l = 0, 1, ... n-1), при n = 1 можливо тільки значення l = 0, отже, 1p-орбіталь не існує;
в) на Зd-орбіталі електрони можуть знаходитися, якщо іон - в збудженому стані.
Завдання для самостійного рішення
1. У валентних схемах ковалентний зв'язок зображується парою точок, а якщо до цього додається зображення точками всіх зовнішніх електронів кожного атома, то їх називають електронноточечнимі формулами. Складіть такі схеми і формули для молекул: N2. CO2. PH3. H2 SO4.
2. Які атоми або іони називають донорами і акцепторами електронних пар? Наведіть приклади.
3. Користуючись правилом Гунда, розподіліть електрони по орбиталям, відповідним нижчого енергетичного стану, для атомів елементів з порядковими номерами 21, 35, 37, 73, 58.
4. Напишіть все квантові числа для електронів атомів літію, берилію, бору, вуглецю, азоту, кисню, фтору, неону.
5. Енергетичне стан зовнішнього електрона атома описується наступними значеннями квантових чисел: n = 3, l = 0, ml = 0. Атоми яких елементів мають такий електрон? Складіть електронні формули атомів цих елементів.
6. Як визначають число # 963; - і π- зв'язків в кратних зв'язках? Чому дорівнює їх число в молекулах, утворених: а) тільки подвійними зв'язками; б) простими і подвійними зв'язками?
7. Покажіть, який тип гібридизації атомних орбіталей центрального атома здійснюється при утворенні CO3 2-. NH3. BCl3. BeCl2.