Относится к элементам p-семейства. Металл. Обозначение – Sn. Порядковый номер – 50. Относительная атомная масса – 118,69 а.е.м.
Электронное строение атома олова
Атом олова состоит из положительно заряженного ядра (+50), внутри которого есть 50 протонов и 69 нейтронов, а вокруг, по пяти орбитам движутся 50 электронов.
Рис.1. Схематическое строение атома олова.
Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:
Внешний энергетический уровень атома олова содержит 4 электрона, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:
Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что для олова характерна степень окисления +2. За счет наличия вакантных орбиталей 5d-подуровня для атома олова возможно возбужденное состояние (степень окисления +4):
Валентные электроны атома олова можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), ml (магнитное) и s (спиновое):
Примеры решения задач
Задание
Напишите электронные формулы атомов брома, германия, кобальта и меди. Укажите семейство, к которому относится элемент, объясните его положение в Периодической системе, приведите электронно-графические формулы для валентных электронов.
Ответ
Бром.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s2 4p5.
Валентные электроны выделены жирным шрифтом. Относится к семейству р-элементов. Так как наибольшее главное квантовое число равно 4-м, а число электронов на внешнем энергетическом уровне равно 7, бром расположен в 4-м периоде, VIIA группе Периодической таблицы. Энергетическая диаграмма для валентных электронов имеет вид:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s2 4p2.
Валентные электроны выделены жирным шрифтом. Относится к семейству p-элементов. Так как наибольшее главное квантовое число равно 4-м, а число электронов на внешнем энергетическом уровне равно 4, германий расположен в 4-м периоде, IVA группе Периодической таблицы. Энергетическая диаграмма для валентных электронов имеет вид:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d7 4s2.
Валентные электроны выделены жирным шрифтом. Относится к семейству d-элементов. Кобальт расположен в 4-м периоде, VIIB группе Периодической таблицы. Энергетическая диаграмма для валентных электронов имеет вид:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d10 4s1.
Валентные электроны выделены жирным шрифтом. Относится к семейству d-элементов. Так как наибольшее главное квантовое число равно 4-м, а число электронов на внешнем энергетическом уровне равно 1, медь расположена в 4-м периоде, IВ группе Периодической таблицы. Энергетическая диаграмма для валентных электронов имеет вид:
Задание
Относительная атомная масса неона равна 20,2. Известно, что неон состоит из двух изотопов: 20 Ne и 22 Ne. Рассчитайте молярную долю каждого изотопа в природном неоне.
Решение
Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие разные массовые числа (одинаковое число протонов, но разное – нейтронов). Примем за х число атомов изотопа неона 20 Ne в каждых ста атомах природного неона, тогда число атомов изотопа 22 Ne будет равно (100-х). Масса атомов изотопа 20 Ne будет равна 20x, а 22 Ne – 22×(100-х). Составим уравнение:
20x + 22×(100-х) = 20,2×100%.
20x + 2200 — 22x = 2020;
Значит содержание изотопа 20 Ne в природном неоне равно 90%. Тогда, содержание изотопа 22 Ne: 100-90 = 10%.
Ответ
Содержание изотопа 20 Ne в природном неоне равно 90%, а 22 Ne — 10%.
Понравился сайт? Расскажи друзьям!
Копирование материалов с сайта возможно только с разрешения администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.
Источник
Атомы и электроны
Атомно-молекулярное учение
Мы приступаем к изучению химии — мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными формулами элементов.
Атом (греч. а — отриц. частица + tomos — отдел, греч. atomos — неделимый) — электронейтральная частица вещества микроскопических размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).
Описываемая модель атома называется «планетарной» и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом
Протон (греч. protos — первый) — положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов элементов. Нейтрон (лат. neuter — ни тот, ни другой) — нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех химических элементов, кроме водорода.
Электрон (греч. elektron — янтарь) — стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома — порядковый номер в таблице Менделеева — равен числу электронов (и, соответственно, протонов).
Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20) в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.
Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило: порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.
Электронная конфигурация атома
Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни.
Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней:
Первый уровень
Состоит из s-подуровня: одной «1s» ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами — 1s 2 )
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (2s 2 ) и p-подуровня: трех «p» ячеек (2p 6 ), на которых помещается 6 электронов
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (3s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (3p 6 ) и d-подуровня: пяти «d» ячеек (3d 10 ), в которых помещается 10 электронов
Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (4s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (4p 6 ), d-подуровня: пяти «d» ячеек (4d 10 ) и f-подуровня: семи «f» ячеек (4f 14 ), на которых помещается 14 электронов
Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.
Подуровни: «s», «p» и «d», которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный «рисунок».
S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь — клеверный лист.
Правила заполнения электронных орбиталей и примеры
Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов:
Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
На орбитали (в одной «ячейке») не может располагаться более двух электронов
Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются еще одним электроном с противоположным направлением
Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.
Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.
Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода — 6, у серы — 16.
Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.
Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку.
Таким образом, электронные конфигурации наших элементов:
Углерод — 1s 2 2s 2 2p 2
Серы — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
Внешний уровень и валентные электроны
Количество электронов на внешнем (валентном) уровне — это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно:
Углерод — 2s 2 2p 2 (4 валентных электрона)
Сера -3s 2 3p 4 (6 валентных электронов)
Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью — способностью атомов образовывать определенное число химических связей.
Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.
Запишем получившиеся электронные конфигурации магния и фтора:
Распределение электронов по квантовым ячейкам атома
Задание 66. Сколько не спаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами? Решение: Распределение электронов внешнего энергетического уровня … 3s 2 3p 5 (учитывая правило Хунда 3s 2 3px 2 3py 2 3pz 1 ) по квантовым ячейкам имеет вид: а) Заполнение внешнего энергетического уровня атома хлора в основном состоянии:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома углерода равна 1.
б) Заполнение внешнего энергетического уровня атома хлора в возбуждённом состоянии при переходе одного 3py-электрона на d-подуровень:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома углерода равна 3.
в) Заполнение внешнего энергетического уровня атома хлора в возбуждённом состоянии при переходе одного 3py- и одного 3px-электрона на d-подуровень:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома углерода равна 5.
г) Заполнение внешнего энергетического уровня атома хлора в возбуждённом состоянии при переходе одного 3py-, одного 3px- и одного s-электрона на d-подуровень:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома углерода равна 7.
Заполнение внешнего энергетического уровня атома
Задача 67. Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами? Решение: Распределение электронов внешнего энергетического уровня атома серы … 3s 2 3p 4 (учитывая правило Хунда 3s 2 3px 2 3py 1 3pz 1 ) по квантовым ячейкам имеет вид:
а) Заполнение внешнего энергетического уровня атома серы в основном состоянии:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома серы равна 2.
б) Заполнение внешнего энергетического уровня атома серы в возбуждённом состоянии при переходе одного 3py-электрона на d-подуровень:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома серы равна 4.
в) Заполнение внешнего энергетического уровня атома серы в возбуждённом состоянии при переходе одного 3py— и одного s-электрона на d-подуровень:
При таком состоянии валентность (спинвалентность) атома серы равна 6.
Электрический момент диполя
Задача 68. Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул НСI, НВг, НI имеет наибольший момент диполя? Почему? Решение: Ковалентная связь, которая образована разными атомами, называется полярной. Например, H — Cl; центр тяжести отрицательного заряда (связанного с электронами) не совпадает с центром тяжести положительного заряда (связанного с зарядом ядра атома). Электронная плотность общих электронов смещена к одному из атомов, имеющего большее значение электроотрицательности, в большей степени. В H : Cl общая электронная пара смещена в сторону наиболее электроотрицательного атома хлора. Полярность связи количественно оценивается дипольным моментом (D), который является произведением длины диполя (l) – расстояния между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами +g и –g на абсолютную величину заряда. Дипольный момент — величина векторная и направлен по оси диполя от отрицательного заряда к положительному. Дипольный момент связи даёт ценную информацию о поведении молекулы в целом. Он служит количественной мерой её полярности. Молекула, тем более полярна, чем больше смещена общая электронная пара к одному из атомов, т. е. чем выше эффективные заряды атомов и чем больше длина диполя l. Поэтому в ряду сходно построенных молекул дипольный момент возрастает по мере увеличения разности электроотрицательностей атомов, образующих молекулу. Например, дипольные моменты в ряду НСI —НВг — НI будут уменьшаться, что связано с уменьшением разности электроотрицательности атомов при переходе от НСI, НВг, НI. Следовательно молекула НСI имеет наибольший момент диполя. Дипольные моменты НСI, НВг, НI равны, соответственно 1,04; 0,79; 0,38 D. Дипольные моменты молекул обычно измеряют в дебаях (D)* : 1D = 3,33 . 10-30 Кл . м.
Задание 69. Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы, каких веществ — алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк — имеют указанные структуры? Решение: а) Кристаллическая структура, в узлах которой находятся анионы и катионы называется ионной. Расстояния между противоположно заряжёнными ионами меньше, чем расстояния между одноимёнными ионами, поэтому электростатические силы межионного притяжения преобладают над силами отталкивания. Так электростатические силы не обладают ни насыщенностью, ни направленностью. Каждый ион взаимодействует не только с иона-ми своего непосредственного окружения, но и со всеми другими ионами кристалла. Эффективные заряды ионов в кристаллах с ионной кристаллической решёткой всегда боль-ше, поэтому кулоновское взаимодействие остаётся сильным и создаёт строго упорядоченное чередование катионов и анионов в пространстве, т. е. ионную решётку. К числу ионных кристаллических решёток относится решётка NaCl. В кристалле NaCl восемь хлорид-ионов образуют восемь вершин куба, а шесть других хлорид-ионов лежат в центрах шести граней этого куба. Таким образом, хлорид-ионы образуют кубическую гранецентрированную решётку. Меньшие по размерам катионы натрия занимают октаэдрические пустоты в решётке, образованной хлорид-ионами. Решётка образованная катионами натрия, также является кубической гранецентрированной. В данной кристаллической решётке каждый катион натрия окружён шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион окружает шесть катионов натрия, т. е. координационное число обоих ионов равно шести.
б) Атомной кристаллической структурой называется кристалл, в узлах решётки которого находятся атомы. Связь в таких кристаллах чисто ковалентная. Например, в алмазе каждый атом углерода имеет четыре -связи и тетраэдрически окружён четырьмя такими же атомами углерода. Углерод в алмазе находится в состоянии sp 3 -гибридизации, поэтому все связи между атомами в алмазе одинаковы (длина — связи равна 154 пм), а угол меж-ду атомами равен 109,5 0 . Каждый атом углерода связан с четырьмя другими.
в) Кристаллические структуры, в узлах решеток которых находятся молекулы, называются молекулярными кристаллами. Взаимное притяжение в данных кристаллах между молекулами обусловлено или слабыми ван-дер-вальсовыми силами, или водородными связями, которые гораздо слабее сил, действующих в ионных, атомных и металлических кристаллах. Так, в узлах кристаллического СО2 («сухой лёд») содержатся молекулы СО2, которые плотно упакованы в гранецентрированную кристаллическую решётку. Между молекулами СО2 в кристалле действуют ван-дер-вальсовы силы.
г) Металлическая кристаллическая структура – это такая решётка, структурной единицей которой является атом. В кубических решётках каждый атом окружён восемью другими атомами (кубическая объёмноцентрированная решётка), а в других – двенадцатью (гексагональная решётка). Таким образом, каждый атом может образовывать со своими непосредственными соседями 8 или 12 связей, располагая для этого обычно небольшим числом валентных электронов. В этих условиях возникает большое число многоцентровых орбиталей с малым числом электронов на них. Орбитали охватывают значительное число атомов, они делокализованы. Электроны на этих орбиталях обобществлены сразу многими атомами.
Таким образом, кристаллические решётки металлов образуются положительно заряжёнными катионами и «погружены» в электронный газ. Валентные электроны в пределах металлического металла перемещаются почти свободно. Электронный газ компенсирует силы электростатического отталкивания положительных ионов и является причиной устойчивости, прочности металлического состояния. Концентрация свободных электронов в электронном газе металлов составляет 10 22 – 10 23 электронов в 1 см 3 . Металлическую кристаллическую структуру имеет и цинк, как металл.
Метод валентных связей (ВС)
Задание 70. Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы Н2S и линейное молекулы СО2? Решение: а) Сера в основном состоянии имеет два неспаренных р-электрона (3s 2 3px 2 3py 1 3pz 1 ). Вследствие электростатического отталкивания два р-электронных облака всегда располагаются перпендикулярно друг другу. При образовании молекулы H2S два p-облака атома серы перекрываются с s-облаками атомов водорода, образуя две ковалентные связи, угол между которыми близок к 900 (рис.1.), что хорошо согласуется с взаимным расположением двух р-орбиталей. занятых неспаренными электронами.
Рис.1.Схема перекрывания электронных облаков в молекулах соединений водорода с серой, селеном,теллуром.
Таким образом, молекула H2S имеет угловое строение, что можно представить структурной формулой:
б) Углерод в основном состоянии имеет два неспаренных р-электрона (2s 2 2px 1 2py 1 2pz 0 ). Вследствие электростатического отталкивания два р-электронных облака всегда располагаются перпендикулярно друг другу, т. е. углерод в основном состоянии может быть двухвалентным. Молекула СО2 содержит на один атом углерода два атома кислорода, т.е. углерод с двумя атомами кислорода соединён посредством четырёх ковалентных связей. Установлено, что СО2 имеет линейное строение. Такая форма молекулы СО2 объясняется тем, что в атоме углерода две sp-гибридные орбитали и две негибридные орбитали. Все они перекрываются с р-орбиталями атомов кислорода. При этом две sp-гибридные орбитали дают с р-орбиталями каждого атома кислорода две -связи, угол между которыми равен 1800 (рис.2.). Негибридизированные две р-орбитали атома углерода дают с р-орбиталями каждого атома кислорода две -связи, расположенных в перпендикулярных друг другу плоскостях.
-связи, угол между которыми равен 1800 (рис.2.). Негибридизированные две р-орбитали атома углерода дают с р-орбиталями каждого атома кислорода две 
-связи, расположенных в перпендикулярных друг другу плоскостях.
