Тематический контроль знаний учащихся как эффективный процесс обучения химии (стр. 7 из 12)

Основные сведения о s-, p- и d-электронах и s-, p- и d-элементах даны в курсе неорганической химии. s-Электронные облака имеют шаровую форму и, следовательно, занимают одно положение в пространстве. На s-орбитали может находиться не более двух электронов (если там находиться два электрона, то их спины противоположны), поэтому в 1-м периоде имеется всего два элемента – водород и гелий.

Рис. 1. Форма s-электронного облака

p-Электронное облако имеет гантелеобразную форму. При заданном квантовом числе таких облаков три. Они могут располагаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. А так как и p-электроны тоже отличаются своими спинами, то на данном энергетическом уровне может поместиться от одного до шести p-электронов.

Рис. 2. Форма p-электронного облака

В соответствии с известной вам формулой N=2n² всего на втором энергетическом уровне может поместиться восемь электронов, два из которых являются s-электронами, а шесть – p-электронами. Этим и объясняется, почему во 2-м периоде может быть восемь элементов.

2-й период заканчивается элементом неоном Ne. Элементом неоном Ne заканчивается 2-й период и заканчивается заполнение электронами второго энергетического уровня.

3-период начинается одиннадцатым элементом – натрием Na. Так как второй энергетический уровень электронами уже заполнен, то с элемента натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня. Оно протекает более сложно, ибо на нем в соответствии с формулой N=2n² может поместиться восемнадцать электронов.

Заполнение третьего энергетического уровня, начиная с одиннадцатого элемента – натрия Na до восемнадцатого элемента – аргона Ar, протекает аналогично заполнению электронами второго энергетического уровня. Девятнадцатый же электрон у элемента калия К и двадцатый электрон у элемента кальция Ca помещаются на четвертом энергетическом уровне, хотя третий энергетический уровень электронами еще не заполнен. Далее, у следующих по порядку десяти элементов, начиная от двадцать первого элемента – скандия Sc до тридцатого элемента – цинка Zn, следующие по порядку электроны помещаются на третьем энергетическом уровне. Этим завершается его заполнение до восемнадцати электронов.

Рис. 3. Возможные направления p-электронных облаков в пространстве.Может возникнуть вопрос: что представляет собой десять электронов, которыми заполняются энергетические уровни у атомов элементов от скандия до цинка? Оказывается, эти электроны при своем движении в области пространства образуют облака еще более сложной формы. Доказано, что такой формы облака располагаются в пространстве по пяти различным направлениям.

Учитывая, что электроны могут обладать противоположными (антипараллельными) спинами, их может быть в атомах от одного до десяти. Электроны с такой формой облаков называются d-электронами. Следовательно, на третьем энергетическом уровне может разместиться два s-электрона, шесть p-электронов и десять d-электронов, т.е. всего восемнадцать электронов.

2.1.2 Положение в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

Положение водорода в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Вы, вероятно, заметили, что химический знак водорода обычно помещен и в главной подгруппе I, и в главной подгруппе VII группы. Возникает вопрос: почему это так? Чтобы ответить на него, вспомним основные химические свойства простого вещества водорода.

Водород является восстановителем, т.е. донором электронов.

Учитывая аналогию свойств водорода и элементов металлического характера, химический знак водорода помещают в главной подгруппе I группы.

Однако водород реагирует и с металлическими элементами главной подгруппы I группы. В этих реакциях водород проявляет окислительные свойства и приобретает степень окисления -1.

На основе этого химический знак водорода помещают в главную подгруппу VII группы. Так как для водорода более характерны восстановительные свойства, чем окислительные, его химический символ в VII группе обычно пишут в скобках.

Положение лантаноидов и актиноидов в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. К лантаноидам относятся четырнадцать химических элементов – от церия Ce до лютеция Lu (порядковые номера 58–71). Так как в их атомах содержатся f-электроны, лантаноиды относятся к f-элементам.

В свободном состоянии лантаноиды – типичные металлы. К актиноидам относятся четырнадцать химических элементов – от тория Th до лоуренсия Lr (порядковые номера 90–103). Так как в атомах этих элементов также присутствуют f-электроны, то актиноиды, как и лантаноиды, относятся к f-элементам.

Как и в случае лантаноидов, у атомов элементов семейства актиноидов происходит заполнение третьего снаружи энергетического уровня (5 f-подуровня). Строение же наружного и, как правило, предшествующего электронных уровней остается неизменным. Поэтому лантаноиды сходны по химическим свойствам.

Все актиноиды радиоактивны. Торий Th, протактиний Pa и уран U встречаются в природе в виде изотопов с большим периодом полураспада. Остальные актиноиды в основном поучены искусственным путем.

Уран U, плутоний Pu и некоторые другие актиноиды используются для получения ядерной энергии.

Химические знаки лантаноидов и актиноидов обычно помещают в два ряда в периодической системе под группами химических элементов.

Искусственно получаемые химические элементы образуются в ядерных реакциях. В таблице периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева они помещены в соответствии с электронным строением их атомов.

2.1.3 Валентность и валентные возможности атомов

Понятие «Валентность» относится к важным понятиям химии. Слово «валентность» (от лат. «valentia») возникло в середине ХІХ в. в период завершения химико-аналитического этапа развития химии. В настоящее время валентность химических элементов принято определять числом ковалентных связей, которыми данный атом соединен с другими атомами.

Валентность – это способность атома химического элемента образовывать определенные число химических связей.

Валентность – способность атомов одного элемента присоединять определенное количество атомов другого элемента.

Валентность и валентные возможности – важные характеристики химического элемента. Они определяются структурой атомов и периодически изменяются с увеличением зарядов ядер.

Что по вашему означает понятие валентность? (мнение учащихся). Валентность, значит возможность – средство, условие, необходимое для осуществления чего-нибудь; возможный – такой, который может произойти, допустимый.

Валентные возможности атомов – это допустимые валентности элемента, весь спектр их значений в различных соединениях.

Поскольку валентность атома зависит от числа неспаренных электронов, рассмотрим структуры атомов в возбужденных состояниях учитывая валентные возможности. Запишем электронографические формулы распределения электронов по орбиталям в атоме углерода. С их помощью определим, какую валентность проявляет углерод С в соединениях. Звездочкой (*) обозначают атом в возбужденном состоянии:

Таким образом, углерод проявляет валентность IV за счет распаривания 2S²-электронов и перехода одного из них на вакантную орбиталь. (Вакантный – незанятый, пустующий).

Периодическое изменение валентности и размеров атомов

Периодическое изменение валентности элементов и, следовательно, их свойств обусловлено тем, что с возрастанием зарядов ядер атомов периодически повторяются элементы со сходной электронной структурой, например литий Li, натрий Na и калий K; бериллий Be, магний Mgи т.д.

В периодической последовательности возрастают атомные радиусы этих элементов. Так, например, во 2 – ом периоде от элемента лития Li до элемента фтора F происходит постепенное уменьшение атомных радиусов, а от элемента фтора F к элементу натрию Na – резкое увеличение атомных радиусов. Объясняется это явление так.

При переходе от лития Li к фтору F постепенно возрастают заряды ядер атомов этих элементов. В связи с этим в ряду постепенно увеличивается сила притяжения наружных электронов к ядру и размеры атомов уменьшаются. А с переходом от элемента фтора F к элементу натрию Na последующий электрон помещается на более удаленный от ядра третий энергетический уровень. Поэтому размеры атомов элемента натрия Na сильно возрастают.

Размеры атомов, в свою очередь, влияют на их свойства. Так, например, атомы элементов лития Li, натрия Na, калия K обладают наибольшими размерами по сравнению с атомами других элементов в тех же периодах. В связи с этим наружные электроны в атомах щелочных металлов находятся дальше от ядра, слабее притягиваются к нему и могут легко удаляться. Этим и объясняется, почему щелочные металлы являются донорами электронов, т.е. сильными восстановителями. При переходе в периодах от типичных металлических элементов к галогенам размеры атомов уменьшаются, сила притяжения наружных электронов к ядру увеличивается, что и приводит к уменьшению восстановительных и увеличению окислительных свойств.