Периодический закон и периодическая система

Химических элементов Д.И. Менделеева

Типовые задачи и их решение

 

1. Главное квантовое число n = 3. Какие значения принимают орбитальное и магнитное квантовые числа? Какова емкость данного уровня?

Решение. Орбитальное квантовое число l принимает значения: 0, 1, 2, …, (n – 1), а магнитное m_l: –l,…, 0, …, +l. Следовательно, при n = 3 орбитальное квантовое число будет иметь значения: 0, 1, 2, что отвечает трем под-уровням: s, p, d соответственно.

Магнитное квантовое число будет принимать значения при l = 0

(s-подуровень): m_l = 0; при l = 1 (р-подуровень): m_l = – 1, 0, +1; при l = 2

(d-подуровень), m_l = – 2, – 1, 0, +1, +2.

Емкость третьего (М) энергетического уровня составляет: 2 n ² или 2∙3² = = 18 электронов (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).

2. Написать электронную формулу и краткую электронную схему элемента с порядковым номером Z = 22. К какому электронному семейству, периоду, группе, подгруппе он принадлежит? Указать конкурирующие подуровни.

Решение. Элементом с порядковым номером 22 является титан (Ti). Электронная формула имеет вид:

₂₂Ti 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d².

Два первых квантовых уровня (K, L) полностью заполнены, поэтому электронную схему можно записать в кратком виде:

₂₂Ti KL s p d

	­¯	­¯	­¯	­¯	­	­
­¯

Титан относится к d-семейству, т.к. у него заполняется d-подуровень. 4s 3d являются конкурирующими подуровнями. Он находится в четвертом периоде, т.к. заполняется четвертый энергетический уровень (максимальное n равно 4), в четвертой группе: сумма электронов на конкурирующих подуровнях равна 4 (4s² 3d²), в побочной подгруппе – заполняются внешний и предвнешний энергетические уровни.

3. Сколько валентных электронов содержит атом с порядковым номером Z = 15 в нормальном и возбужденном состояниях?

Решение. Элемент с порядковым номером Z = 15 – фосфор имеет электронную схему внешнего уровня:

₁₅Р KL s p d

­¯

­

­

­

в нормальном состоянии.

Количество валентных (неспаренных) электронов равно 3.

В возбужденном состоянии:

₁₅Р* KL s p d

­

­

­

­

­

количество валентных электронов равно 5.

4. Представить электронную формулу элемента с порядковым номером Z = 29. Какая аномалия наблюдается в электронной структуре атома этого элемента, чем она объясняется? К какому электронному семейству принадлежит данный элемент?

Решение. Элементом с порядковым номером Z = 29 является медь (Cu). Электронная формула имеет вид:

₂₉Cu 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰.

У меди наблюдается «провал» электрона с 4s -на 3d -подуровень, что обусловлено более выгодным энергетическим состоянием всего атома: система … 4s¹ 3d¹⁰ имеет меньший запас энергии, чем система … 4s² 3d⁹. Элемент относится к d -семейству, т.к. идет заполнение 3d -подуровня.

5. Объяснить, почему фтор всегда имеет валентность равную 1, а хлор проявляет переменную валентность от 1 до 7?

Решение. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо обратиться к электронным схемам в нормальном и возбужденном состояниях атомов этих элементов.

₉F К 2 s р

­¯

­¯

­¯

­

У атома фтора возбужденного состояния не может быть, т.к. все квантовые орбитали (ячейки) на 2р-подуровне заняты электронами и возможности их распаривания нет, поскольку на втором энергетическом уровне имеются только энергетические s- и р-подуровни.

₁₇Сl KL 3 s p d

­¯

­¯

­¯

­

В нормальном состоянии хлор имеет один неспаренный электрон, т.е. его валентность равна 1.

У хлора могут быть возбужденные состояния, поскольку валентные электроны находятся на третьем энергетическом уровне, который имеет энергетические s-, p-, d-подуровни. d-подуровень имеет свободные квантовые орбитали (ячейки), которые при возбуждении атома могут занять электроны с 3s- и 3р- подуровней:

₁₇Сl* KL 3 s p d

	­¯	­¯	­	­	­
­¯	­	­	­	­	­
­	­	­	­	­	­	­

Хлор имеет три возбужденных состояния и валентность его соответственно равна 3, 5, 7.

6. Охарактеризовать свойства кремния по его положению в таблице Д.И.Менделеева.

Решение. Кремний имеет порядковый номер Z = 14. В атоме кремния 14 протонов в ядре и столько же электронов в оболочке. Количество нейтронов (N_n) считается по разнице между атомной массой (A = 28) и порядковым номером (Z = 14): N_n = A – Z = 28 – 14 = 14.

 

Электронная формула: ₁₄Si 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p².

Электронная схема: KL 3 s p

­¯

­

­

в нормальном состоянии.

В возбужденном состоянии: ₁₄Si* KL 3 s p

­

­

­

­

 

Валентные электроны находятся на энергетических s- и р-подуровнях третьего энергетического уровня. Кремний проявляет в нормальном состоянии валентность равную 2, а в возбужденном – четыре (количество неспаренных электронов).

Кремний находится: в 3 периоде (максимальное значение n = 3), четвертой группе (сумма валентных электронов равна 4), главной подгруппе (заполняется внешний уровень). Он принадлежит к р-семейству (последним заполняется р-подуровень).

Оксид кремния (IV) проявляет кислотные свойства, поскольку слева от кремния в таблице размещен алюминий, являющийся амфолитом, а справа – фосфор – неметалл, способный образовывать кислоты. Кремниевая кислота должна быть слабой.

Такой вывод можно сделать на основании того, что в пределах периода слева направо восстановительные (металлические) свойства ослабевают, а окислительные (неметаллические) – усиливаются (за счет увеличения количества электронов на внешнем уровне, уменьшения радиуса, увеличения энергии ионизации и сродства к электрону).

7. У элементов 5 периода I группы с порядковыми номерами 37 и 47 имеется одинаковая электронная конфигурация внешнего уровня 5s¹. Почему эти элементы находятся в разных подгруппах? Ответ мотивировать электронным строением атомов этих элементов. Определить принадлежность данных элементов к электронному семейству. Какими свойствами обладают атомы этих элементов?

Решение. Элемент с порядковым номером 37 – рубидий. Его электронная формула:

₃₇Rb 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹.

Элемент находится в главной подгруппе, т. к. идет заполнение внешнего уровня n = 5. Рубидий относится к электронному s-семейству.

Элемент с порядковым номером 47 – серебро.

Электронная формула:

₄₇Ag 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹ 4d¹⁰.

Серебро находится в побочной подгруппе, т.к. идет заполнение внешнего и предвнешнего энергетических уровней (конкурирующие подуровни). У серебра наблюдается “провал” электрона с 5s -на 4d -подуровень, который объясняется более выгодным энергетическим состоянием атома (минимальный запас энергии). Серебро относится к d-семейству, т.к. последним заполняется d-подуровень.

Эти элементы обладают восстановительными свойствами (металлическими), т.к. на внешнем энергетическом уровне имеют по одному электрону, который они способны легко отдать.

8. Марганец и бром находятся в 4 периоде, в VII группе. На основании электронных формул атомов этих элементов определить их принадлежность к электронному семейству. Объяснить, почему эти элементы находятся в разных подгруппах и обладают противоположными свойствами?

Решение. Электронная формула марганца:

₂₅Mn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵.

Он принадлежит к d-семейству, находится в побочной подгруппе, т. к. идет заполнение конкурирующих энергетических подуровней (внешнего и предвнешнего энергетических уровней). Марганец проявляет восстановительные (металлические) свойства, т.к. на последнем – четвертом энергетическом уровне имеется 2 электрона, которые он способен легко отдать.

Электронная формула брома:

₃₅Br 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵.

Он принадлежит к р-семейству, находится в главной подгруппе, т.к. у него идет заполнение электронами только последнего уровня (4s²4p⁵). Брому до завершения р-подуровня необходим 1 электрон, следовательно, он проявляет окислительные (неметаллические) свойства.

 

9. Записать полную электронную формулу атома элемента, которая заканчивается в нормальном состоянии электронной конфигурацией, отраженной данными квантовыми числами:

n = 3;

l = 2;

m_l = −2, −1, 0 +1, +2;

m_s = +1/2, +1/2, +1/2, +1/2, +1/2, −1/2, −1/2, −1/2.

Определить: элемент, его положение в периодической системе, свойства.

Решение. Окончание электронной формулы атома будет: 3d⁸, т.к. заполняется 3 энергетический уровень (n = 3); d -подуровень (l =2), а количество электронов равно 8. Запишем полную электронную формулу:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸.

Сумма всех электронов у данного атома равна 28, следовательно, Z = = 28. Этим элементом является никель – Ni.

Никель расположен в 4 периоде (максимальное n равно 4), VIII группе, побочной подгруппе (заполняются конкурирующие энергетические подуровни). Относится к d-семейству. Обладает восстановительными (металлическими) свойствами, т. к. на внешнем четвертом уровне имеет 2 электрона, которые способен легко отдавать.

10. У какого элемента: азота или мышьяка, более выражены окислительные (неметаллические) свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из электронной структуры их атомов, величин энергий ионизации (Е _{и As} =

= 9,81 эВ, Е _{и N} = 14,54 эВ), радиусов этих атомов.

Решение. Электронная формула азота: ₇N 1s² 2s² 2p³.

Электронная формула мышьяка:

₃₃As 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p³.

Исходя из электронной конфигурации атомов, можно сделать вывод, что радиус атома мышьяка больше, чем атома азота, т.к. у мышьяка идет заполнение четвертого энергетического уровня, а у азота – второго. Поэтому азоту легче присоединить 3 электрона, недостающие до завершения второго энергетического уровня, чем мышьяку. Следовательно, азот будет в большей степени проявлять окислительные свойства, чем мышьяк. Об этом свидетельствуют и величины энергий ионизации: необходимо затратить больше энергии для отрыва электрона от атома азота, чем от атома мышьяка.

 

Контрольные задачи

 

1. Записать полную электронную формулу атома элемента, электронная конфигурация которой заканчивается следующими квантовыми числами: n = 3; l = 2; m_l = −2, −1, 0, +1, +2; m_s = +1/2, +1/2, +1/2. Определить данный элемент. Записать его электронные схемы в нормальном и возбужденном состояниях. Какую максимальную валентность может проявлять данный элемент? Объяснить: почему он находится в 4 периоде, V группе, побочной подгруппе, к какому электронному семейству относится?

2. На основании электронных формул и электронных схем объяснить постоянную валентность у атома кислорода и переменную – у атома серы, находящихся в VI группе главной подгруппе.

3. На примере атомов элементов 2-го периода Периодической системы объяснить изменения:

- радиуса,

- электроотрицательности,

- свойств (восстановительных, окислительных), написав их электронные формулы.

4. У какого атома элемента: магния или бария, более выражены восстановительные свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из:

- электронной структуры атомов,

- их радиусов,

- электроотрицательностей.

5. Фтор и бром находятся в VII группе главной подгруппе Периодической системы, имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня s²p⁵. Исходя из строения атомов этих элементов, их радиусов, электроотрицательности, объяснить: фтор или бром проявляет в большей степени окислительные свойства? Почему фтор проявляет валентность равную только 1, а бром может иметь переменную: 1, 3, 5, 7? Объяснить, написав электронные схемы атомов фтора и брома в нормальном и возбужденных состояниях.

6. Углерод и титан находятся в 4 группе Периодической системы. На основании электронных формул и электронных схем элементов определить их валентность в нормальном и возбужденном состояниях, принадлежность к электронным семействам. Объяснить, почему атомы этих элементов находятся в разных подгруппах и обладают противоположными свойствами?

7. Сера и хром находятся в VI группе Периодической системы. Объяснить, почему хром проявляет восстановительные (металлические), а сера – окислительные (неметаллические) свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из электронного строения атомов этих элементов, величины их электроотрицательности. К каким электронным семействам принадлежат сера и хром? Имеют ли атомы этих элементов возбужденные состояния? Ответ подтвердить, написав их электронные схемы. Чем объясняется «провал» электрона у атома хрома?

8. Германий и свинец находятся в IV группе главной подгруппе, имеют одинаковую конфигурацию внешнего энергетического уровня: s²p². На основании электронного строения атомов этих элементов объяснить изменение в главной подгруппе: радиуса, электроотрицательности, свойств. Какую валентность могут проявлять атомы этих элементов в нормальном и возбужденном состояниях? Поясните, написав их электронные схемы.

9. У какого элемента – фосфора или сурьмы более выражены окислительные (неметаллические) свойства? Дать обоснованный ответ, исходя из: электронной структуры атомов, их радиусов, величин электроотрицательностей. Какую валентность могут иметь атомы данных элементов в нормальном и возбужденном состояниях? Ответ мотивируйте электронными схемами. К какому электронному семейству принадлежат эти элементы?

10. На примере р-элементов 4 периода объяснить изменение: радиуса атомов, энергии ионизации и сродства к электрону, их свойств. Ответ дать на основании строения атомов этих элементов, написав их электронные формулы и электронные схемы.

11. Почему углерод и олово находятся в IV группе главной подгруппе, а обладают противоположными свойствами? Дать обоснованный ответ, исходя из их электронного строения, радиусов атомов, электроотрицательности. Могут ли атомы этих элементов проявлять валентность, равную номеру группы, в которой находятся? Объяснить, написав их электронные схемы.

12. Электронная формула атома элемента заканчивается следующими квантовыми числами: n = 5; l = 1; m_l = − 1, 0, +1; m_s = +1/2, +1/2. Дать характеристику квантовым числам. Записать полную электронную формулу. Определить элемент. К какому электронному семейству он принадлежит? Определить спин-валентность данного атома в нормальном и возбужденном состояниях, записав электронные схемы. Какими свойствами обладает атом этого элемента и почему?

13. Кислород и селен находятся в главной подгруппе VI группы периодической системы. Почему кислород имеет спин-валентность равную 2, а селен может иметь cпин-валентность равную: 2, 4, 6? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов данных элементов. Как изменяются радиус и свойства атомов элементов в главной подгруппе VI группы?

14. Литий и калий находятся в главной подгруппе I группы периодической системы. Записать электронные формулы и схемы атомов этих элементов. К какому электронному семейству они относятся? Как изменяются радиус и свойства атомов элементов в главной подгруппе I группы?

15. Натрий и серебро находятся в I группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы атомов этих элементов. Учесть, что у одного из атомов имеется "провал" электрона. К каким электронным семействам они принадлежат? Какими свойствами обладают: окислительными, восстановительными, металлическими, неметаллическими?

16. Натрий и хлор находятся в третьем периоде периодической системы, но в разных группах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов этих элементов. К каким электронным семействам они относятся? Объяснить, почему атом хлора может иметь переменную спин-валентность? Пояснить, написав электронные схемы возбужденных состояний. Как изменяются радиус и свойства атомов элементов третьего периода?

17. Алюминий и скандий находятся в третьей группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов этих элементов в нормальном состоянии. К каким электронным семействам они относятся? Записать электронные схемы этих атомов в возбужденном состоянии. Определить спин-валентность в разных состояниях. Какими свойствами обладают атомы этих элементов: окислительными или восстановительными? Объяснить, почему?

18. Углерод и свинец находятся в главной подгруппе IV группы периодической системы. Почему? Объяснить, записав электронные формулы и схемы атомов этих элементов. К какому электронному семейству они принадлежат? Чему равна спин-валентность атомов элементов в нормальном и возбужденном состояниях? Пояснить, написав электронные схемы. Как и почему изменяются свойства элементов главной подгруппы IV группы?

19. Фосфор и ванадий находятся в V группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы и схемы атомов данных элементов. Указать валентные электроны. Чему равна спин-валентность данных атомов в нормальном и возбужденном состояниях. Записать электронные схемы фосфора и ванадия в возбужденных состояниях. К каким электронным семействам они относятся? Какими свойствами обладают атомы этих элементов и почему?

20. Азот и висмут находятся в главной подгруппе V группы периодической системы. Почему? Объяснить, написав электронные формулы атомов этих элементов. Указать валентные электроны. Изменяется ли спин-валентность этих атомов в возбужденном состоянии? Пояснить, написав электронные схемы. Как изменяются свойства атомов в главной подгруппе V группы и почему?

21. Объяснить периодичность изменения свойств атомов элементов:

Li → F → Na. Написать их электронные формулы. Как у них изменяются: радиус, электроотрицательность, свойства? Почему? Объяснить, почему атомы этих элементов не имеют возбужденного состояния? Какая спин-валентность атомов данных элементов? Записать их электронные схемы.

22. Марганец и хлор находятся в VII группе, но в разных подгруппах. Почему? Объяснить, написав электронные формулы атомов данных элементов. Указать валентные электроны. К каким электронным семействам относятся марганец и хлор? Чему равна спин-валентность этих атомов в нормальном и возбужденном состояниях? Написать электронные схемы атомов марганца и хлора в нормальном и возбужденных состояниях. Какими свойствами обладают атомы марганца и хлора? Почему?

23. Назвать квантовые числа, характеризующие энергетическое состояние электрона в атоме. Объяснить, как отражены эти числа в электронной конфигурации 5p⁵. Записать полную электронную формулу, учитывая, что она заканчивается электронной конфигурацией 5p⁵. Определить элемент. Указать валентные электроны. Записать электронные схемы атома в нормальном и возбужденном состояниях. Определить спин-валентность в разных состояниях. Какими свойствами обладает атом данного элемента? Почему?

24. В структуре внешних электронных уровней атомов различных элементов имеются конфигурации: а) 5s²5p⁴; б) 4d⁵5s¹. Написать полные электронные формулы атомов этих элементов. Определить их. Объяснить, почему они находятся в одном периоде, в одной группе, но в разных подгруппах? К каким электронным семействам относятся атомы этих элементов? Записать электронные схемы атомов данных элементов в нормальном и возбужденном состояниях. Учесть, что у одного из атомов имеется "провал" электрона. Какова спин-валентность в разных состояниях? Какими свойствами обладают атомы этих элементов и почему?

25. Написать электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 23 и 33. К каким электронным семействам они относятся? Указать валентные электроны. Почему элемент с порядковым номером 33 находится в главной подгруппе, а элемент под номером 23 – в побочной? Записать электронные схемы атомов этих элементов в нормальном и возбужденном состояниях. Чему равна их спин-валентность в разных состояниях? Какими свойствами обладают атомы этих элементов и почему?

26. Дать характеристику энергии ионизации и сродства к электрону. Как изменяются эти величины и радиус атомов элементов с увеличением порядкового номера в пределах одного периода? Иллюстрировать эти изменения на р-элементах 5 периода, написав их электронные формулы. Как изменяются их свойства?

27. Какая способность атома элемента характеризует: а) металли-

ческие, б) неметаллические свойства? Как изменяются эти свойства у

р-элементов VI группы периодической системы? Объяснить, написав электронные формулы атомов этих элементов.

28. Объяснить причину периодического изменения свойств атомов элементов, исходя из строения их атомов. Написать электронные формулы и схемы атомов Li и Na, F и Cl в нормальном и возбужденном состояниях. Сопоставить их свойства.

29. Чем обусловлено значительное сходство в свойствах d-элементов? Ответ иллюстрировать на примере d-элементов 4 периода периодической системы, написав электронные формулы и схемы атомов данных элементов.

30. Как изменяются свойства атомов элементов с увеличением порядковых номеров в периодах и главных подгруппах периодической системы? Ответ иллюстрировать на примерах s-элементов I группы и элементов 2 периода периодической системы, написав их электронные формулы. Назвать самый активный металл и самый активный неметалл.