Свойства изолированного атома

1. Знать, понимать и уметь описать:

1) опытные факты, послужившие основанием для разработки моделей строения атома: планетарной (ядерной), квантовой (Н.Бора) и квантово-механической;

2) на качественном уровне указанные модели.

 

2. Иметь представление об основных положениях квантовой механики:

1) квантовании энергии;

2) корпускулярно-волновом дуализме;

3) вероятностном описании состояния микрочастиц.

 

3. Знать и уметь описать следующие понятия, принципы и физические величины:

1) атом, массовое число, дефект массы, нуклид, нуклоны, электрон, протон, нейтрон, изотоп, изобар, изотон, естественная плеяда изотопов (природная смесь), изотопночистый элемент, атомное ядро, атомный номер, атомная орбиталь, квантовые числа: главное, орбитальное (побочное), магнитное, спиновое; волновая функция, электронная формула, электронно-графическая диаграмма; уровень (слой), подуровень (подслой), состояние электрона в атоме, атомный и рентгеновские спектры, радиус атома, иона (эффективный и орбитальный);

2) принципы, определяющие распределение электронов по атомным орбиталям: В.Паули; наименьшей энергии, правила Клечковского, Гунда и следствия из него, определяющие провал или выброс электронов на другой подуровень;

3) энергия ионизации (ионизационный потенциал), энергия сродства к электрону.

 

4. Уметь:

1) определять число протонов и нейтронов по заряду ядра, элемента, рассчитывать средневзвешенную атомную массу и изотопный состав природной смеси элемента; подобрать любому нуклиду изотоп, изобар и изотон, рассчитывать и объяснять дефект массы при образовании нуклидов;

2) составлять электронные формулы (конфигурации), электронно-графические схемы (диаграммы) атомов в невозбужденном состоянии по заряду их ядер, не пользуясь Периодической системой Д.И.Менделеева.

 

5. Знать, понимать и уметь описать:

 

1) периодический закон, его физическое обоснование с точки зрения теории строения атома;

2) Периодическую систему, формы таблицы, строение Периодической системы; понятия: группа, подгруппа, период.

 

6. Уметь устанавливать:

 

1) положение элемента в Периодической системе по строению электронной оболочки (порядковому номеру);

2) электронный тип (s-, p-, d- и f-элемент) по строению электронной оболочки;

3) порядковый номер элемента по положению элемента в Периодической системе, не пользуясь ею;

4) высшую положительную степень окисления элемента по положению в Периодической системе;

5) электронную аналогию элементов (полную и неполную) в группе, подгруппе, вертикальную и диагональную.

 

7. Уметь:

 

1) объяснять закономерности в изменении величин энергии ионизации и сродства к электрону, размеров атомов в периодах и подгруппах Периодической системы;

2) различать внутреннюю и вторичную периодичность; объяснять их причину.

 

8. Задачи для решения:

2.1. Проанализируйте, как влияют на свойства атомов элементов следующие факторы: общее число электронов; форма электронных облаков; степень заселенности атомных орбиталей; размеры и протяженность орбиталей; число неспаренных электронов на внешних орбиталях; наличие вакантных орбиталей и их энергия; структура предпоследнего электронного слоя.

2.2. На чем основывается деление элементов со сходной электронной конфигурацией на полные и неполные электронные аналоги? Выделите полные электронные аналоги среди s-элементов I и II групп; среди p-элементов V и VI групп Периодической системы.

2.3. Чем можно объяснить, что в каждой из групп Периодической системы для s- и p-элементов наблюдается скачок в изменении химических свойств при переходе от элементов II к элементам III периода и от элементов IV к элементам V периода?

2.4. Какова физическая сущность явления вторичной периодичности свойств элементов?

2.5. Как объяснить правомерность включения водорода в I и VII группы, тория – в семейство 5f-элементов?

2.6. Какую предположительно структуру должен иметь VIII период Периодической системы? Повторит ли он целиком VII период?

2.8. Укажите порядковый номер элемента, у которого

а) заканчивается заполнение электронами орбиталей 4d; б) начинается заполнение подуровня 4p.

2.9. Не пользуясь Периодической таблицей, напишите электронную конфигурацию элемента:

а) № 33; б) № 55; в) 45; г) 85; д) 97; е) гипотетического элемента 121.

Напишите электронную графическую схему валентных орбиталей данного элемента, определите тип электронного семейства, предскажите место положения данного элемента в Периодической таблице.

2.10. Не пользуясь Периодической таблицей, напишите электронную конфигурацию элемента, расположенного:

а) во IIА группе IV периода;

б) в IVА группе V периода;

в) в IIIB группе V периода;

г) в VIIIB₂ группе VI периода;

д) в IB группе VI периода;

е) в IА группе VI периода Периодической таблицы.

Определите порядковый номер элемента и тип электронного семейства, к которому относится данный элемент.

2.11. Определите порядковый номер и напишите электронную конфигурацию элемента, если известно, что

а) элемент находится в V периоде ПС, образует высший оксид состава Э₂О₅, не образует летучих водородных соединений;

б) элемент находится в IV периоде ПС, образует летучее водородное соединение состава H₂Э;

в) элемент находится в IV периоде ПС, образует гидроксиды состава ЭОH и Э(ОH)₂;

г) элемент находится в III периоде ПС, образует высший оксид состава Э₂О₃, обладающий амфотерными свойствами.

2.12. Имеются ли ошибки в записях электронных конфигураций невозбужденных атомов:

а) 1s²2s²2p⁵; б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵4s¹; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹

2.13.Как в рамках представлений волновой теории строения атома обосновать справедливость формулы N=2n², определяющей емкостью электронного слоя?

2.14.Расположите в ряд по мере усложнения их атомных спектров элементы бериллий, водород, рубидий, литий.

2.15.Различаются ли по энергии, максимальному числу электронов и форме атомные орбитали 3d _xy, 3d _yz, 3d _x ² _-y ²?

2.16.Приведите полную электронную конфигурацию атомов элементов со следующей конфигурацией их внешних слоев: 3s²; 6s¹; 7s²7p². У какого из этих элементов и почему наиболее выражены металлические свойства?

2.17.Какую электронную конфигурацию имеют атом висмута и ион Bi³⁺; атом хрома и ион Cr²⁺?

2.18.Какие вакантные орбитали, способные влиять на химические свойства элементов, имеются у атомов титана, криптона, урана?

2.19.Для какого элемента электронная структура атома не укладывается в общее эмпирическое правило: «На внешнем электронном слое атома не бывает больше 8 электронов?» Почему аномалия в электронной структуре атома этого элемента мало сказывается на его химических свойствах?

2.20.Изменяется ли радиус атома при электронном возбуждении? Рассмотреть, как влияют следующие случаи возбуждения (на примере конкретных атомов) на размеры атомов:

1) ns² ® ns¹np¹; 2) p _x ¹p _y ¹ ® p _x ²; 3) ns²np⁴ ® ns²np³nd¹;

4) (n-1)s²(n-1)p⁶(n-1)d¹⁰ns¹ ® (n-1)s²(n-1)p⁶(n-1)d⁹ns¹np¹

2.21.Можно ли определить атомные радиусы азота, хлора, серы, исходя из межъядерных расстояний в молекулах N₂, Cl₂, HCl, S₈?

2.22.Одинаковы ли ковалентные радиусы атомов кислорода в молекулах O₂ и H₂O₂; углерода в кристаллах графита и алмаза?

2.23.Чем объяснить разный характер изменения величин атомных радиусов в различных подгруппах Периодической системы? Воспользовавшись справочником, сравните изменение атомных радиусов s- и d-элементов I группы; p- и d-элементов III группы; p- и d-элементов IV группы.

2.24.В таблице приведены значения орбитальных и эффективных радиусов атомов и ионов натрия и хлора:

атом	радиус, нм
атомный орбитальный	атомный эффективный	ионный орбитальный	ионный эффективный
Na Cl	0,180 0,073	0,189 0,099	0,028 0,074	0,098 0,181

 

Чем объяснить, что величины орбитального и эффективного радиусов атома близки; величины эффективного радиуса иона намного больше орбитального; орбитальные радиусы атома и иона хлора практически одинаковы?

2.25.Расположите по мере возрастания потенциалов ионизации следующие атомы:

1) 1s²; 2) 1s²2s²2p²; 3) 1s²2s²2p⁵; 4) 1s²2s²2p⁶; 5) 1s²2s²2p⁶3s¹.

2.26.Почему разница в значениях первого и второго потенциала ионизации у атома лития больше, чем у атома бериллия?

2.27.Используя табличные данные, рассмотрите характер изменения значений потенциалов ионизации в ряду I ₁, I ₂, I ₃, I ₄ для атомов натрия, алюминия, хлора и объясните наблюдаемую закономерность.

2.28.Как объяснить последовательное уменьшение экранирующего влияния электронов в ряду ns > np > nd > nf?

2.29.Как объяснить, что при монотонном увеличении заряда ядра и общего количества содержащихся в атоме электронов эффективный заряд ядра атомов (Z_эфф) изменяется немонотонно? Сравнить:

H He Li Be B C N O F Ne

Z_эфф 1 1,345 1,26 1,66 1,56 1,82 2,07 2,00 2,28 2,52

Чем объяснить уменьшение эффективного заряда ядра атома при переходе от гелия к литию; от бериллия к бору; от азота к кислороду? Почему у водорода заряд и эффективный заряд ядра равны?

2.30.Почему у d-элементов потенциалы ионизации по периоду изменяются в меньшей степени, чем у p-элементов?

2.31.Чем обусловлена близость значений потенциалов ионизации атомов железа, кобальта, никеля, имеющих разную электронную конфигурацию?

2.32.Объясните наблюдаемую закономерность в изменении потенциалов ионизации элементов II периода:

Li Be B C N O F Ne

I,эВ 5,39 9,32 8,29 11,26 14,53 13,61 17,42 21,56

Будет ли иметь аналогичный характер зависимость потенциала ионизации от заряда ядра для рада натрий-аргон?

2.33.Какие свойства атомов можно оценить с помощью потенциалов ионизации? Что можно сказать о свойствах некоторых трех элементов, если для них характерны потенциалы ионизации 5,39; 9,75 и 13,6 эВ, а самый низкий у химических элементов потенциал составляет 3,89 эВ (у цезия), самый высокий – 24,58 эВ (у гелия)?

2.34.Каковы причины наличия у нейтральных атомов положительного сродства к электрону? Могут ли молекулы иметь положительное сродство к электрону?

2.35.Почему сродство атома ко второму электрону всегда отрицательно? Как согласовать это с тем, что в химии рассматриваются ионы O^2-, S^2- и т.д.?

2.36.Расположите в порядке увеличения сродства к электрону атомы с конфигурациями ns¹, ns², ns²np⁵.

2.37.Может ли величина сродства к электрону быть равна нулю; иметь отрицательное значение? Чем объяснить, что у атомов щелочных металлов сродство к электрону положительно, а у щелочноземельных – отрицательно?

2.38.Объясните характер изменения сродства к электрону в ряду галогенов:

F Cl Br I

E_ср, эВ 3,62 3,82 3,54 3,24

2.39.Справедливо ли утверждение, что сродство к электрону увеличивается с увеличением потенциала ионизации атома?

2.40.Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назовите элемент, изотопов которого является данный атом.

2.41.В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁵Cl (75,5% ат) и ³⁷Cl (24,5% ат). Вычислите среднюю атомную массу природного хлора.

2.42.Природный магний состоит из изотопов ²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg. Вычислите среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78,6, 10,1 и 11,3%.

2.43.Для нуклида подберите изотоп, изобар и изотон.

 

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

 

1. Знать, понимать и уметь описать:

 

1) следующие понятия и физические величины: химическая связь, ионная и ковалентная (полярная и неполярная) связь, механизмы образования ковалентной связи (обменный и донорно-акцепторный), энергия и длина связи, полярность связи, полярность молекулы, валентный угол, свойства связанных атомов: эффективный заряд, электроотрицательность (ОЭО), степень окисления, валентность, координационное число; свойства связи: насыщаемость, направленность, поляризация; дипольный момент молекулы, поляризуемость и поляризующее действие;

2) основные положения метода валентных связей (схем) (ВС), концепции: гибридизации орбиталей и отталкивания электронных пар валентных орбиталей;

3) основные положения метода молекулярных орбиталей (МО ЛКАО);

4) основные положения теории поляризации;

5) конденсированное состояние вещества, типы связи в кристаллах, силы Ван-дер-Ваальса, ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие, водородная и металлическая связь.

 

2. Уметь:

 

1) определять по химической формуле соединения:

- стехиометрическую валентность и степень окисления атомов,

- тип связи между атомами,

- знак эффективного заряда атомов,

- координационное число центрального атома;

2) используя основные положения метода ВС:

- прогнозировать валентные возможности, степени окисления и формы характеристических соединений элемента по электронной конфигурации атома (порядковому номеру);

- составлять валентные схемы молекулярных частиц, образованных элементами главных подгрупп;

- прогнозировать геометрическую форму частиц с ковалентной связью, валентный угол;

3) используя основные положения метода МО:

- составлять энергетические диаграммы, электронные формулы двухъядерных частиц (гомо- и гетеронуклеарных), образованных элементами второго периода;

- определять порядок связи;

- объяснять устойчивость частиц и их магнитные свойства;

4) используя теорию поляризации, прогнозировать изменение характера связи между атомами в однотипных соединениях;

5) различать характер связи между структурными частицами в ионных, атомно-ковалентных, атомно-металлических, молекулярных кристаллах; объяснять влияние типа химической связи, водородной связи и межмолекулярного взаимодействия на энергию кристаллической решетки, температуру плавления (возгонки), проводимость электрического тока.

 

3. Задачи для решения: