Ю.И.ПАХОМОВ Сборник практических работ по химии 11 класс. Практическая работа 1. Характеристика состояния электронов в атоме и распределение их по орбиталям

СОДЕРЖАНИЕ

Практическая работа 1. Характеристика состояния электронов в атоме и распределение их по орбиталям.
Практическая работа 2. Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева с точки зрения строения атомов.
Практическая работа 3. Химическая связь. Особенности и свойства ковалентной связи.
Практическая работа 4. Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.
Практическая работа 5. Получение комплексных соединений.
Практическая работа 6. Коллоидные растворы.
Практическая работа 7. Действие катализаторов.
Практическая работа 8. Химическое равновесие и его смещение.
Практическая работа 9. Восстановительные свойства металлов. Работа гальванического элемента.
Практическая работа 10. Роль гальванических пар при коррозии и защите металлов.
Практическая работа 11. Решение экспериментальных задач по разделу «Основы общей химии».


Практическая работа 1.
Характеристика состояния
электронов в атоме и распределение
их по орбиталям

Цели. Повторить и закрепить закономерности поведения электронов в атоме, их дуализм, понятия об орбиталях и квантовых числах, характеризующих состояние электрона в атоме, закономерности распределения электронов по орбиталям и взаимосвязь их со структурой периодической системы химических элементов (ПСХЭ) Д.И.Менделеева.
Оборудование. Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева, модели
s-, p-, d-, f-орбиталей, таблица распределения электронов по квантовым уровням, схема порядка заполнения электронных орбиталей.

Электроны в атомах обладают различным запасом энергии и двойственной природой. Это материальные частицы с очень незначительной массой, и одновременно их представляют как электромагнитные волны с определенной частотой колебаний. Электроны находятся лишь в определенных квантовых состояниях (квант – порция энергии), соответствующих значениям энергии связи с ядром. Согласно теории М.Планка испускание электромагнитных волн не непрерывно. Атомы поглощают и испускают энергию порциями – квантами. Вся совокупность сложных движений электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами: главным n, побочным l, магнитным m и спиновым s.
Главное квантовое число n определяет энергию электрона на данной орбитали и степень удаления от ядра. Значения n = 1, 2, 3… обозначают электронные слои: 1-й (n = 1) – K,
2-й (n = 2) – L и далее – M, N, O, P, Q.
Побочное (орбитальное) квантовое число l принимает значения от 0 до
n – 1. Оно определяет форму атомной орбитали. При l = 0, независимо от n, – сферическая форма (s-орбиталь); при l = 1 – гантелеобразная форма
(p-орбиталь); при l = 2 – форма розетки или сложной гантели (d-орбиталь).
Магнитное квантовое число m определяет положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Каждому значению l соответствует
2l + 1 значений m (от –l до +l).
Спиновое квантовое число s отражает собственный момент количества движения электрона. Оно может принимать два значения: +1/2 или –1/2.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Таблица
Распределение электронов по квантовым уровням


[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов (распределение по орбиталям), которое можно оценить на основе следующих закономерностей.

Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями четырех квантовых чисел. На одной атомной орбитали не может быть более двух электронов с противоположными спинами.
Правило Хунда. Электроны располагаются на одинаковых орбиталях таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.
Правило Клечковского. Порядок заполнения энергетических состояний определяется стремлением атома к минимальному значению суммы главного и побочного квантовых чисел, причем в пределах фиксированного значения n + l в первую очередь заполняются состояния, отвечающие минимальным значениям n.

Соответственно существует следующий порядок заполнения электронных орбиталей (схема).

Схема
Порядок заполнения электронных орбиталей

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Пример. Рассмотреть применение правила Клечковского для определения распределения электронов по орбиталям в атомах калия (Z = 19) и скандия (Z = 21).

Решение

Предшествующий калию в ПСХЭ элемент аргон (Z = 18) имеет распределение электронов по орбиталям.
При распределении электронов по орбиталям в атоме К соответственно правилу Клечковского предпочтение отдается орбитали 4s, т. к. сумма квантовых чисел n + l равна 4 + 0 = 4 (если сравнить с орбиталью 3d, то n + l = 3 + 2 = 5). Орбиталь 4s имеет меньшее значение n + l. Поэтому электронная формула калия:


[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

редшествующий скандию элемент кальций (Z = 20) имеет следующее распределение электронов по орбиталям:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s².

Из орбиталей 3d (n + l = 3 + 2 = 5) и 4p (n + l = 4 + 1 = 5) при распределении электронов в атоме Sc отдается предпочтение орбитали 3d, как имеющей минимальное значение n = 3 при одинаковых суммах квантовых чисел n + l = 5. Электронная формула атома скандия:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²4p⁰.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Задание. На основании положения химических элементов в ПСХЭ и закономерностей распределения электронов по орбиталям рассмотреть особенности электронной структуры:

а) атома кальция Ca;
б) атома железа Fe.