От строения атома зависит его радиус, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность и другие параметры атома. Электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные, а главное - химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.
Магнитные характеристики атома
Электрон обладает собственным магнитным моментом , который квантуется по направлению параллельно или противоположно приложенному магнитному полю. Если два электрона, занимающие одну орбиталь, имеют противоположно направленные спины (согласно принципу Паули), то они гасят друг друга. В этом случае говорят, что электроны спаренные . Атомы, имеющие только спаренные электроны, выталкиваются из магнитного поля. Такие атомы называются диамагнитными . Атомы, имеющие один или несколько неспаренных электронов, втягиваются в магнитное поле. Они называются диамагнитными.
Магнитный момент атома, характеризующий интенсивность взаимодействия атома с магнитным полем, практически пропорционален числу неспаренных электронов.
Особенности электронной структуры атомов различных элементов отражаются в таких энергетических характеристиках, как энергия ионизации и сродство к электрону.
Энергия ионизации
Энергия (потенциал) ионизации атома E i - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из атома на бесконечность в соответствии с уравнением
Х = Х + + е −
Ее значения известны для атомов всех элементов Периодической системы. Например, энергия ионизации атома водорода соответствует переходу электрона с 1s -подуровня энергии (−1312,1 кДж/моль) на подуровень с нулевой энергией и равна +1312,1 кДж/моль.
В изменении первых потенциалов ионизации, соответствующих удалению одного электрона, атомов явно выражена периодичность при увеличении порядкового номера атома:
При движении слева направо по периоду энергия ионизации, вообще говоря, постепенно увеличивается, при увеличении порядкового номера в пределах группы - уменьшается. Минимальные первые потенциалы ионизации имеют щелочные металлы, максимальные - благородные газы.
Для одного и того же атома вторая, третья и последующие энергии ионизации всегда увеличиваются, так как электрон приходится отрывать от положительно заряженного иона. Например, для атома лития первая, вторая и третья энергии ионизации равны 520,3, 7298,1 и 11814,9 кДж/моль, соответственно.
Последовательность отрыва электронов - обычна обратная последовательности заселения орбиталей электронами в соответствии с принципом минимума энергии. Однако элементы, у которых заселяются d -орбитали, являются исключениями - в первую очередь они теряют не d -, а s -электроны.
Сродство к электрону
Сродство атома к электрону A e - способность атомов присоединять добавочный электрон и превращаться в отрицательный ион. Мерой сродства к электрону служит энергия, выделяющая или поглощающаяся при этом. Сродство к электрону равно энергии ионизации отрицательного иона Х − :
Х − = Х + е −
Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов. Например, для атома фтора присоединение электрона сопровождается выделением 327,9 кДж/моль энергии. Для ряда элементов сродство к электрону близко к нулю или отрицательно, что значит отсутствие устойчивого аниона для данного элемента.
Обычно сродство к электрону для атомов различных элементов уменьшается параллельно с ростом энергии их ионизации. Однако для некоторых пар элементов имеются исключения:
| Элемент | E i , кДж/моль | A e , кДж/моль |
| F | 1681 | −238 |
| Cl | 1251 | −349 |
| N | 1402 | 7 |
| P | 1012 | −71 |
| O | 1314 | −141 |
| S | 1000 | −200 |
Объяснение этому можно дать, основываясь на меньших размерах первых атомов и большем электрон-электронном отталкивании в них.
Электроотрицательность
Электротрицательность характеризует способность атома химического элемента смещать в свою сторону электронное облако при образовании химической связи (в сторону элемента с более высокой электроотрицательностью). Американский физик Малликен предложил определять электроотрицательность как среднеарифметическую величину между потенциалом ионизации и сродством к электрону:
χ = 1/2 (E i + A e )
Трудность применения такого способа состоит в том, что значения сродства к электрону известны не для всех элементов.
Практическое значение этого соотношения заключается в том, что, зная μ , которое сравнительно легко измерить, можно определить D ,
которое определить непосредственно довольно трудно.
Амбиполярная диффузия
В плазме газового разряда диффундируют как электроны, так и ионы. Процесс диффузии представляется следующим. Электроны, обладающие большей подвижностью, быстрее диффундируют, чем ионы. За счет этого создается электрическое поле между электронами и отставшими положительными ионами. Это поле тормозит дальнейшую диффузию электронов, и наоборот – ускоряет диффузию ионов. Когда ионы подтянутся к электронам, указанное электрическое поле ослабевает, и электроны вновь отрываются от ионов. Этот процесс протекает непрерывно. Такая диффузия получила название амбиполярной диффузии, коэффициент которой
D амб = |
D e μ и + D иμ e |
|||
μ e + μ и |
||||
где D e ,D и |
– коэффициенты диффузии электронов и ионов; μ е , μ и – |
|||
подвижность электронов и ионов. |
||||
Так как D e >> D и и μ е >> μ и , то оказывается, что |
D иμ е≈ D e μ и , |
|||
поэтому D амб ≈ 2D и . Такая диффузия имеет место, например, в положительном столбе тлеющего разряда.
1.6. Возбуждение и ионизация атомов и молекул
Известно, что атом состоит из положительного иона и электронов, число которых определяется номером элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Электроны в атоме находятся на определенных энергетических уровнях. Если электрон получает извне некоторую энергию, он переходит на более высокий уровень, который называется уровнем возбуждения .
Обычно электрон находится на уровне возбуждения непродолжительное время, порядка 10-8 с. При получении электроном значительной энергии он удаляется от ядра на столь большое расстояние, что может потерять с ним связь и становится свободным. Наименее связанными с ядром являются валентные электроны, которые находятся на более высоких энергетических уровнях и поэтому легче отрываются от атома. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией.
На рис. 1.3 показана энергетическая картина валентного электрона в атоме. Здесь W o – основной уровень электрона, W мст – метастабиль-
ный уровень, W 1 ,W 2 – уровни возбуждения (первый, второй и т.д.).
Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде
Рис. 1.3. Энергетическая картина электрона в атоме
W ′ = 0 – это состояние, когда электрон теряет связь с атомом. Величина W и = W ′ − W o являет-
ся энергией ионизации. Значения указанных уровней для некоторых газов приведены в табл. 1.3 .
Метастабильный уровень характеризуется тем, что на него и с него переходы электрона запрещены. Этот уровень заполняется так называемым обменным взаимодействием, когда электрон извне садится на уровень W мст , а избыточный
электрон покидает атом. Метастабильные уровни играют важную роль в процессах, протекающих в газоразрядной плазме, т.к. на нормальном уровне возбуждения электрон находится в течение 10-8 с, а на метастабильном уровне – 10-2 ÷ 10-3 с.
Таблица 1.3
Энергия, эВ |
CО2 |
||||||||
W мст |
|||||||||
Процесс возбуждения атомных частиц определяет и ионизацию посредством так называемого явления диффузии резонансного излучения. Это явление заключается в том, что возбужденный атом, переходя в нормальное состояние, испускает квант света, который возбуждает следующий атом, и так далее. Область диффузии резонансного излучения определяется длиной свободного пробега фотона λ ν , которая зави-
сит от плотности атомных частиц n . Так, при n= 1016 см-3 λ ν =10-2 ÷ 1
см. Явление диффузии резонансного излучения также определяется наличием метастабильных уровней.
Ступенчатая ионизация может происходить по разным схемам: а) первый электрон или фотон производит возбуждение нейтраль-
ной частицы, а второй электрон или фотон сообщает валентному электрону добавочную энергию, вызывая ионизацию этой нейтральной частицы;
Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде
денного атома, и в этот момент возбужденный атом переходит в нормальное состояние и излучает квант света, который увеличивает энер-
в) наконец, два возбужденных атома оказываются вблизи друг друга. При этом один из них переходит в нормальное состояние и испускает квант света, который ионизирует второй атом.
Следует отметить, что ступенчатая ионизация становится эффективной, когда концентрация быстрых электронов (с энергией, близкой
к W и ), фотонов и возбужденных атомов достаточно велика. Это име-
ет место, когда ионизация становится достаточно интенсивной. В свою очередь, падающие на атомы и молекулы фотоны также могут производить возбуждение и ионизацию (прямую или ступенчатую). Источником фотонов в газовом разряде является излучение электронной лавины.
1.6.1. Возбуждение и ионизация молекул
Для молекулярных газов необходимо учитывать возможность возбуждения самих молекул, которые в отличие от атомов совершают вращательные и колебательные движения . Эти движения также квантуются. Энергия скачка при вращательном движении составляет 10-3÷ 10-1 эВ, а при колебательном движении – 10-2 ÷ 1 эВ.
При упругом соударении электрона с атомом электрон теряет не-
значительную часть своей энергии |
W = 2 |
≈ 10 |
− 4 W . При соуда- |
|||
рении электрона с молекулой электрон возбуждает вращательное и колебательное движение молекул. В последнем случае электрон теряет особенно значительную энергию до 10-1 ÷ 1 эВ. Поэтому возбуждение колебательных движений молекул является эффективным механизмом отбора энергии от электрона. При наличии такого механизма ускорение электрона затрудняется, и требуется более сильное поле для того, чтобы электрон мог набрать энергию, достаточную для ионизации. Поэтому для пробоя молекулярного газа требуется более высокое напряжение, чем для пробоя атомарного (инертного) газа при равном межэлектродном расстоянии и равном давлении. Это демонстрируют данные табл. 1.4, где проведено сравнение величин λ t ,S t и U пр атом-
ных и молекулярных газов при атмосферном давлении и d = 1.3 см.
Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде
Таблица 1.4 |
||||||||||
Характеристика |
Наименование газа |
|||||||||
S t 10 − 16 , см2 |
||||||||||
U пр , кВ |
||||||||||
Из табл. 1.4 видно, что хотя транспортные сечения S t для молеку-
лярных газов и аргона соизмеримы, однако пробивное напряжение аргона существенно ниже.
1.7. Термическая ионизация
При высоких температурах может происходить ионизация газа за счет повышения кинетической энергии атомных частиц, называемая термической ионизацией. Так, для паров Na, K, Cs термическая ионизация значительна при температуре в несколько тысяч градусов, а для воздуха при температуре порядка 104 град . Вероятность термической ионизации растет с повышением температуры и уменьшением потенциала ионизации атомов (молекул). При обычных температурах термическая ионизация незначительна и практически может оказать влияние только при развитии дугового разряда.
Однако следует отметить, что еще в 1951 г. Хорнбеком и Молнаром было обнаружено, что при пропускании моноэнергетических электронов через холодные инертные газы происходит образование ионов при энергии электронов, достаточных только для возбуждения, но не для ионизации атомов. Этот процесс был назван ассоциативной ионизацией.
Ассоциативная ионизация иногда играет важную роль при распространении волн ионизации и искровых разрядов в местах, где электронов еще очень мало. Возбужденные атомы образуются там в результате поглощения квантов света, выходящих из уже ионизированных областей. В умеренно нагретом воздухе, при температурах 4000÷ 8000 К, молекулы в достаточной степени диссоциированы, но электронов еще слишком мало для развития лавины. Основным механизмом ионизации при этом является реакция, в которой участвуют невозбужденные атомы N и О .
Ассоциативная ионизация протекает по следующей схеме N + O + 2. 8 эВ ↔ NO + + q . Недостающая энергия 2.8 эВ черпается за счет кинетической энергии относительного движения атомов.
Электрический ток в газах.
Несамостоятельный электрический разряд. Опыт показывает, что две разноименно заряженные пластины, разделенные слоем воздуха, не разряжаются.
Обычно вещество в газообразном состоянии является изолятором, так как атомы или молекулы, из которых оно состоит, содержат одинаковое число отрицательныхи положительных электрических зарядов и в целом нейтральны.
Внесем в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки (рис. 164).
При этом электрометр начнет быстро разряжаться. Следовательно, воздух под действием пламени стал проводником. При вынесении пламени из пространства между пластинами разряд электрометра прекращается. Такой же результат можно получить, облучая пластины светом электрической дуги. Эти опыты доказывают, что газ может стать проводником электрического тока.
Явление прохождения электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.
Термическая ионизация. Нагревание газа делает его проводником электрического тока, потому что часть атомов или молекул газа превращается в заряженные ионы.
Для отрыва электрона от атома необходимо совершить работу против сил кулоновского притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательным электроном. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома или молекулы, называется энергией связи.
Электрон может быть оторван от атома при соударении двух атомов, если их кинетическая энергия превышает энергию связи электрона. Кинетическая энергия теплового движения атомов или молекул прямо пропорциональна абсолютной температуре, поэтому с повышением температуры газа увеличивается число соударений атомов или молекул, сопровождающихся ионизацией.
Процесс возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате столкновений атомов и молекул газа при высокой температуре называется термической ионизацией.
Плазма. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизована, называется плазмой. Степень термической ионизации плазмы зависит от температуры. Например, при температуре 10 000 К ионизовано меньше 10 % общего числа атомов водорода, при температуре выше 20 000 К водород практически полностью ионизован.
Электроны и ионы плазмы могут перемещаться под действием электрического поля. Таким образом, при низких температурах газ является изолятором, при высоких температурах превращается в плазму и становится проводником электрического тока.
Фотоионизация. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или молекулы, может быть передана светом. Ионизация атомов или молекул под действием света называется фотоионизацией.
Самостоятельный электрический разряд . При увеличении напряженности электрического поля до некоторого определенного значения, зависящего от природы газа и его давления, в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от действия внешних ионизаторов, называется самостоятельным электрическим разрядом.
В воздухе при атмосферном давлении самостоятельный электрический разряд возникает при напряженности электрического поля, равной примерно
Основной механизм ионизации газа при самостоятельном электрическом разряде - ионизация атомов и молекул вследствие ударов электрона.
Ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможной тогда, когда электрон при свободном пробеге приобретет кинетическую энергию, превышающую энергию связи W электрона с атомом.
Кинетическая энергия Wк электрона, приобретаемая под действием электрического поля напряженностью, равна работе сил электрического поля:
где l - длина свободного пробега.
Отсюда приближенное условие начала ионизации электронным ударом имеет вид
Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электронволътах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, напряжение между которыми равно 1 В:
Энергия ионизации атома водорода, например, равна 13,6 эВ.
Механизм самостоятельного разряда. Развитие самостоятельного электрического разряда в газе протекает следующим образом. Свободный электрон под действием электрического поля приобретает ускорение. Если напряженность электрического поля достаточно велика, электрон при свободном пробеге настолько увеличивает кинетическую энергию, что при соударении с молекулой ионизует ее.
Первый электрон, вызвавший ионизацию молекулы, и второй электрон, освобожденный в результате ионизации, под действием электрического поля приобретают ускорение в направлении от катода к аноду. Каждый из них при следующих соударениях освобождает еще по одному электрону и общее число свободных электронов становится равным четырем. Затем таким же образом оно увеличивается до 8, 16, 32, 64 и т. д. Число свободных электронов, движущихся от катода к аноду, нарастает лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода (рис. 165).
Положительные ионы, возникшие в газе, движутся под действием электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод и под действием света, излучаемого в процессе разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Эти электроны в свою очередь разгоняются электрическим полем и создают новые электронно-ионные лавины, поэтому процесс может продолжаться непрерывно.
Концентрация ионов в плазме по мере развития самостоятельного разряда увеличивается, а электрическое сопротивление разрядного промежутка уменьшается. Сила тока в цепи самостоятельного разряда обычно определяется лишь внутренним сопротивлением источника тока и электрическим сопротивлением других элементов цепи.
Искровой разряд. Молния. Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то происходящий самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Искровой разряд прекращается через короткий промежуток времени после начала разряда в результате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда - искры, возникающие при расчесывании волос, разделении листов бумаги, разряде конденсатора.
Самостоятельный электрический разряд представляют собой и молнии, наблюдаемые во время грозы. Сила тока в канале молнии достигает 10 000-20 000 А, длительность импульса тока составляет несколько десятков микросекунд. Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и Землей после нескольких ударов молнии сам собою прекращается, так как большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии (рис. 166).
При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10 000 К. Изменения давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разряда вызывают звуковые явления, называемые громом.
Тлеющий разряд . При понижении давления газа в разрядном промежутке разрядный канал становится более широким, а затем светящейся плазмой оказывается равномерно заполнена вся разрядная трубка. Этот вид самостоятельного электрического разряда в газах называется тлеющим разрядом (рис. 167).
Электрическая дуга. Если сила тока в самостоятельном газовом разряде очень велика, то удары положительных ионов и электронов могут вызвать разогревание катода и анода. С поверхности катода при высокой температуре происходит эмиссия электронов, обеспечивающая поддержание самостоятельного разряда в газе. Длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с катода, называется дуговым разрядом (рис. 168).
Коронный разряд. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом и плоскостью (линия электропередачи), возникает самостоятельный разряд особого вида, называемый коронным разрядом. При коронном разряде ионизация электронным ударом происходит лишь вблизи одного из электродов, в области с высокой напряженностью электрического поля.
Применение электрических разрядов. Удары электронов, разгоняемых электрическим полем, приводят не только к ионизации атомов и молекул газа, но и к возбуждению атомов и молекул, сопровождающемуся излучением света. Световое излучение плазмы самостоятельного электрического разряда широко используется в народном хозяйстве и в быту. Это лампы дневного света и газоразрядные лампы уличного, освещения, электрическая дуга в кинопроекционном аппарате и ртутно-кварцевые лампы, применяемые в больницах и поликлиниках.
Высокая температура плазмы дугового разряда позволяет применять его для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов. С помощью искрового разряда ведется обработка деталей из самых твердых материалов.
Электрический разряд в газах бывает и нежелательным явлением, с которым в технике необходимо бороться. Так, например, коронный электрический разряд с проводов высоковольтных линий электропередач приводит к бесполезным потерям электроэнергии. Возрастание этих потерь с увеличением напряжения ставит предел на пути дальнейшего увеличения напряжения в линии электропередач, тогда как для уменьшения потерь энергии на нагревание проводов такое повышение весьма желательно.
Рекомбнация.
Рекомбинация - процесс, обратный ионизации. Состоит в захвате ионом свободного электрона. Рекомбинация приводит к уменьшению заряда иона или к превращению иона в нейтральный атом или молекулу. Возможна также рекомбинация электрона и нейтрального атома (молекулы), приводящая к образованию отрицательного иона, и в более редких случаях - рекомбинация отрицательного иона с образованием двух- или трехкратно заряженного отрицательного иона. Вместо электрона в некоторых случаях могут выступать другие элементарные частицы, например мезоны, создавая мезоатомы или мезомолекулы. На ранних этапах развития вселенной происходила реакция рекомбинации водорода.
Рекомбинация - это процесс, обратный разрыву химической связи. Рекомбинация связана с образованием ординарной ковалентной связи за счёт обобществления неспаренных электронов, принадлежащих разным частицам (атомам, свободным радикалам)
Примеры рекомбинации:
H + H → H2 + Q ;
Cl + Cl → Cl2 + Q ;
CH3 + CH3 → C2H6 + Q и др.
Лекции для студентов общетехнических направлений и специальностей лекция 3 Тема 4
Лекции для студентов общетехнических направлений и специальностей лекция 4 Тема 5
Лекции для студентов общетехнических направлений и специальностей модуль II. Закономерности протекания реакций
Лекции для студентов общетехнических направлений и специальностей лекция 7 Тема Основы химической кинетики
Лекции для студентов общетехнических направлений и специальностей лекция 8 Тема Химическое равновесие По этой теме необходимо знать и уметь следующее
Предисловие для преподавателей
Лекции для студентов общетехнических направлений и специальностей модуль III. Растворы и электрохимические процессы
7. Спаренные и неспаренные электроны
Электроны, заполняющие орбитали попарно, называются спаренными, а одиночные электроны называются неспаренными . Неспаренные электроны обеспечивают химическую связь атома с другими атомами. Наличие неспаренных электронов устанавливается экспериментально изучением магнитных свойств. Вещества с неспаренными электронами парамагнитны (втягиваются в магнитное поле благодаря взаимодействию спинов электронов, как элементарных магнитов, с внешним магнитным полем). Вещества, имеющие только спаренные электроны, диамагнитны (внешнее магнитное поле на них не действует). Неспаренные электроны находятся только на внешнем энергетическом уровне атома и их число можно определить по его электронно-графической схеме.
Пример 4. Определите число неспаренных электронов в атоме серы.
Решение. Атомный номер серы Z = 16, следовательно, полная электронная формула элемента: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . Электронно-графическая схема внешних электронов такова (рис. 11).
Рис. 11. Электронно-графическая схема валентных электронов атома серы
Из электронно-графической схемы следует, что в атоме серы имеется два неспаренных электрона.
8. Проскок электрона
Все подуровни обладают повышенной устойчивостью, когда они заполнены электронами полностью (s 2 , p 6 , d 10 , f 14), а подуровни p, d и f, кроме того, когда они заполнены наполовину, т.е. p 3 , d 5 , f 7 . Состояния d 4 , f 6 и f 13 , наоборот, обладают пониженной устойчивостью. В связи с этим у некоторых элементов наблюдается так называемый проскок электрона, способствующий формированию подуровня с повышенной устойчивостью.
Пример 5. Объясните, почему в атомах хрома происходит заполнение электронами 3d-подуровня при незаполненом до конца 4s-подуровне? Сколько неспаренных электронов в атоме хрома?
Решение. Атомный номер хрома Z = 24, электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 . Наблюдается проскок электрона с 4s- на 3d-подуровень, что обеспечивает формирование более устойчивого состояния 3d 5 . Из электронно-графической схемы внешних электронов (рис. 12) следует, что в атоме хрома имеется шесть неспаренных электронов.
Рис. 12. Электронно-графическая схема валентных электронов атома хрома
9. Сокращенные электронные формулы
Электронные формулы химических элементов можно записывать в сокращенном виде. При этом часть электронной формулы, соответствующая устойчивой электронной оболочке атома предшествующего благородного газа, заменяется символом этого элемента в квадратных скобках (эта часть атома называется остовом атома), а остальная часть формулы записывается в обычном виде. В результате электронная формула становится краткой, но ее информативность от этого не уменьшается.
Пример 6. Напишите сокращенные электронные формулы калия и циркония.
Решение. Атомный номер калия Z = 19, полная электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 , предшествующий благородный газ – аргон, сокращённая электронная формула: 4s 1 .
Атомный номер циркония Z = 40, полная электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 2 , предшествующий благородный газ – криптон, сокращённая электронная формула: 5s 2 4d 2 .
10. Семейства химических элементов
В зависимости от того, какой энергетический подуровень в атоме заполняется электронами последним, элементы подразделяются на четыре семейства. В периодической системе символы элементов различных семейств выделены разным цветом.
1. s-Элементы: в атомах этих элементов последним заполняется электронами ns-подуровень;
2. p-Элементы: последним заполняется электронами np-подуровень;
3. d-Элементы: последним заполняется электронами (n – 1)d-подуровень;
4. f-Элементы: последним заполняется электронами (n – 2)f-подуровень.
Пример 7. По электронным формулам атомов определите, к каким семействам химических элементов относятся стронций (z = 38), цирконий (z = 40), свинец (z = 82) и самарий (z = 62).
Решение. Записываем сокращённые электронные формулы данных элементов
Sr: 5s 2 ; Zr: 5s 2 4d 2 ; Pb: 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2 ; Sm: 6s 2 4f 6 ,
из которых видно, что элементы принадлежат семействам s (Sr), p (Pb), d (Zr) и f (Sm).
11. Валентные электроны
Химическую связь данного элемента с другими элементами в соединениях обеспечивают валентные электроны . Валентные электроны определяются по принадлежности элементов к определенному семейству. Так, у s-элементов валентными являются электроны внешнего s-подуровня, у p-элементов – внешних подуровней s и p, а у d-элементов валентные электроны находятся на внешнем s-подуровне и предвнешнем d-подуровне. Вопрос о валентных электронах f-элементов однозначно не решается.
Пример 8. Определите число валентных электронов в атомах алюминия и ванадия.
Решение. 1) Сокращенная электронная формула алюминия (z = 13): 3s 2 3p 1 . Алюминий принадлежит семейству p-элементов, следовательно, в его атоме три валентных электрона (3s 2 3p 1).
2) Электронная формула ванадия (z = 23): 4s 2 3d 3 . Ванадий принадлежит семейству d-элементов, следовательно, в его атоме пять валентных электронов (4s 2 3d 3).
12. Строение атомов и периодическая система
12.1. Открытие периодического закона
В основе современного учения о строении вещества, изучения всего многообразия химических веществ и синтеза новых элементов лежат периодический закон и периодическая система химических элементов.
Периодическая система элементов– естественная систематизация и классификация химических элементов, разработанная выдающимся русским химиком Д.И. Менделеевым на основе открытого им периодического закона. Периодическая система является графическим отображением периодического закона, его наглядным выражением.
Периодический закон был открыт Менделеевым (1869) в результате анализа и сопоставления химических и физических свойств 63-х известных в то время элементов. Его первоначальная формулировка:
свойства элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от атомной массы элементов.
Разрабатывая периодическую систему, Менделеев уточнил или исправил валентность и атомные массы некоторых известных, но плохо изученных элементов, предсказал существование девяти еще не открытых элементов, а для трёх из них (Ga, Ge, Sc) описал ожидаемые свойства. С открытием этих элементов (1875–1886 г.г.) периодический закон получил всеобщее признание и лёг в основу всего последующего развития химии.
На протяжении почти 50 лет после открытия периодического закона и создания периодической системы сама причина периодичности свойств элементов была неизвестна. Было неясно, почему элементы одной группы имеют одинаковую валентность и образуют соединения с кислородом и водородом одинакового состава, почему число элементов в периодах не одинаковое, почему в некоторых местах периодической системы расположение элементов не соответствует возрастанию атомной массы (Аr – К, Co – Ni, Te – I). Ответы на все эти вопросы были получены при изучении строения атомов.
12.2. Объяснение периодического закона
В 1914 г. были определены заряды атомных ядер (Г. Мозли) и было установлено, что свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от положительного заряда ядер их атомов. Но после изменения формулировки периодического закона форма периодической системы принципиально не изменилась, так как атомные массы элементов увеличиваются в той же последовательности, что и заряды их атомов, кроме указанных выше последовательностей аргон – калий, кобальт – никель и теллур – иод.
Причина увеличения заряда ядра при возрастании номера элемента понятна: в ядрах атомов при переходе от элемента к элементу монотонно увеличивается число протонов. Но структура электронной оболочки атомов при последовательном возрастании значений главного квантового числа периодически повторяется возобновлением сходных электронных слоёв. При этом новые электронные слои не только повторяются, но и усложняются за счет появления новых орбиталей, поэтому число электронов на внешних оболочках атомов и число элементов в периодах увеличивается.
Первый период: идет заполнение электронами первого энергетического уровня, имеющего лишь одну орбиталь (орбиталь 1s), поэтому в периоде только два элемента: водород (1s 1) и гелий (1s 2).
Второй период: идет заполнение второго электронного слоя (2s2p), в котором повторяется первый слой (2s) и идет его усложнение (2p) – в этом периоде 8 элементов: от лития до неона.
Третий период: идет заполнение третьего электронного слоя (3s3p), в котором повторяется второй слой, и усложнения не происходит, так как 3d-подуровень этому слою не принадлежит; в этом периоде тоже 8 элементов: от натрия до аргона.
Четвертый период: идет заполнение электронами четвертого слоя (4s3d4p), усложненного по сравнению с третьим появлением пяти d-орбиталей 3d-подуровня, поэтому в этом периоде 18 элементов: от калия до криптона.
Пятый период: заполняется электронами пятый слой (5s4d5p), усложнения которого по сравнению с четвертым не происходит, поэтому в пятом периоде тоже 18 элементов: от рубидия до ксенона.
Шестой период: идет заполнение шестого слоя (6s4f5d6p), усложненного по сравнению с пятым за счет появления семи орбиталей 4f-подуровня, поэтому в шестом периоде 32 элемента: от цезия до радона.
Седьмой период: заполняется электронами седьмой слой (7s5f6d7p), аналогичный шестому, поэтому в данном периоде также 32 элемента: от франция до элемента с атомным номером 118, который получен, но пока ещё не имеет названия.
Таким образом, закономерности формирования электронных оболочек атомов объясняют число элементов в периодах периодической системы. Знание этих закономерностей позволяет сформулировать физический смысл атомного номера химического элемента в периодической системе, периода и группы.
Атомный номер элемента z – это положительный заряд ядра атома, равный числу протонов в ядре, и число электронов в электронной оболочке атома.
Период – это горизонтальная последовательность химических элементов, атомы которых имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами .
Номер периода равен числу энергетических уровней в атомах, номеру высшего энергетического уровня и значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня.
Группа – это вертикальная последовательность элементов, обладающих однотипной электронной структурой атомов, равным числом внешних электронов, одинаковой максимальной валентностью и сходными химическими свойствами.
Номер группы равен числу внешних электронов в атомах, максимальному значению стехиометрической валентности и максимальному значению положительной степени окисления элемента в соединениях. По номеру группы можно определить и максимальное значение отрицательной степени окисления элемента: оно равно разности числа 8 и номера группы, в которой расположен данный элемент.
12.3. Основные формы периодической системы
Существует около 400 форм периодической системы, но наиболее распространены две: длинная (18-клеточная) и короткая (8-клеточная).
В длинной (18-клеточной) системе (она представлена в этой аудитории и в справочнике) имеется три коротких периода и четыре длинных. В коротких периодах (первом, втором и третьем) имеются только s- и p-элементы, поэтому в них имеется 2 (первый период) или 8 элементов. В четвёртом и пятом периодах, кроме s- и р-элементов, появляются по 10 d-элементов, поэтому эти периоды содержат по 18 элементов. В шестом и седьмом периодах появляются f-элементы, поэтому периоды имеют по 32 элемента. Но f-элементы вынесены из таблицы и приведены внизу (в виде приложения) в двух строках, а их место в системе обозначено звездочками. В первой строке расположено 14 f-элементов, которые следуют за лантаном, поэтому они имеют общее название «лантаноиды», а во второй строке расположено 14 f-элементов, следующих за актинием, поэтому они имеют общее название «актиноиды». Эта форма периодической системы рекомендуется ИЮПАК для использования во всех странах.
В короткой (8-клеточной) системе (она также имеется в этой аудитории и в справочнике) f-элементы также вынесены в приложение, а большие периоды (4-й, 5-й, 6-й и 7-й), содержащие по 18 элементов (без f-элементов), разделены в соотношении 10:8, и вторая часть размещена под первой. Таким образом, большие периоды состоят из двух рядов (строк) каждый. В этом варианте в периодической системе имеется восемь групп, и каждая из них состоит из главной и побочной подгруппы. В главных подгруппах первой и второй группы находятся s-элементы, а в остальных p-элементы. В побочных подгруппах всех групп находятся d-элементы. Главные подгруппы содержат по 7–8 элементов, а побочные – по 4 элемента, кроме восьмой группы, в которой побочная подгруппа (VIII-Б) состоит из девяти элементов – трех «триад».
В этой системе элементы подгрупп являются полными электронными аналогами . Элементы одной группы, но разных подгрупп тоже являются аналогами (у них одинаковое число внешних электронов), но эта аналогия неполная, т.к. внешние электроны находятся на разных подуровнях. Короткая форма компактна и потому более удобна для пользования, но в ней нет того однозначного соответствия между формой и электронным строением атомов, которое присуще длинной системе.
Пример 9. Объясните, почему хлор и марганец находятся в одной группе, но в разных подгруппах 8-клеточной периодической системы.
Решение.
Электронная формула хлора (атомный номер 17) – 3s 2 3p 5 , а марганца (атомный номер 25) – 4s 2 3d 5 . В атомах обоих элементов имеется по семь внешних (валентных) электронов, поэтому они находятся в одной и той же группе (седьмой), но в разных подгруппах, поскольку хлор –
р-элемент, а марганец – d-элемент.
12.4. Периодические свойства элементов
Периодичность выражена в структуре электронной оболочки атомов, поэтому с периодическим законом хорошо согласуются свойства, зависящие от состояния электронов: атомные и ионные радиусы, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность и валентность элементов. Но от электронной структуры атомов зависят состав и свойства простых веществ и соединений, поэтому периодичность наблюдается во многих свойствах простых веществ и соединений: температура и теплота плавления и кипения, длина и энергия химической связи, электродные потенциалы, стандартные энтальпии образования и энтропии веществ и т.д. Периодический закон охватывает более 20 свойств атомов, элементов, простых веществ и соединений.
1) Атомные и ионные радиусы
Согласно квантовой механике, электрон может находиться в любой точке вокруг ядра атома как вблизи него, так и на значительном удалении. Поэтому границы атомов расплывчаты, неопределенны. В то же время в квантовой механике вычисляется вероятность распределения электронов вокруг ядра и положение максимума электронной плотности для каждой орбитали.
Орбитальный радиус атома (иона) – это расстояние от ядра до максимума электронной плотности наиболее удаленной внешней орбитали этого атома (иона) .
Орбитальные радиусы (их значения приведены в справочнике) в периодах уменьшаются, т.к. увеличение числа электронов в атомах (ионах) не сопровождается появлением новых электронных слоев. Электронная оболочка атома или иона каждого последующего элемента в периоде по сравнению с предшествующим уплотняется из-за увеличения заряда ядра и увеличения притяжения электронов к ядру.
Орбитальные радиусы в группах увеличиваются, т.к. атом (ион) каждого элемента отличается от вышестоящего появлением нового электронного слоя.
Изменение орбитальных атомных радиусов для пяти периодов показано на рис. 13, из которого видно, что зависимость имеет характерный для периодического закона «пилообразный» вид.
Рис. 13. Зависимость орбитального радиуса
Но в периодах уменьшение размеров атомов и ионов происходит не монотонно: у отдельных элементов наблюдаются небольшие «всплески» и «провалы». В «провалах» находятся, как правило, элементы, у которых электронная конфигурация соответствует состоянию повышенной стабильности: например, в третьем периоде это магний (3s 2), в четвертом – марганец (4s 2 3d 5) и цинк (4s 2 3d 10) и т.д.
Примечание. Расчеты орбитальных радиусов проводятся с середины семидесятых годов прошлого столетия благодаря развитию электронно-вычислительной техники. Ранее пользовались эффективными радиусами атомов и ионов, которые определяются из экспериментальных данных по межъядерным расстояниям в молекулах и кристаллах. При этом предполагается, что атомы представляют собой несжимаемые шары, которые соприкасаются своими поверхностями в соединениях. Эффективные радиусы, определяемые в ковалентных молекулах, называются ковалентными радиусами, в металлических кристаллах – металлическими радиусами, в соединениях с ионной связью – ионными радиусами. Эффективные радиусы отличаются от орбитальных, но их изменение в зависимости от атомного номера также является периодическим.
2) Энергия и потенциал ионизации атомов
Энергией ионизации (Е ион) называется энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома и превращение атома в положительно заряженный ион .
Экспериментально ионизацию атомов проводят в электрическом поле, измеряя разность потенциалов, при которой происходит ионизация. Эта разность потенциалов называется ионизационным потенциалом (J). Единицей измерения ионизационного потенциала является эВ/атом, а энергии ионизации – кДж/моль; переход от одной величины к другой осуществляется по соотношению:
Е ион = 96,5·J
Отрыв от атома первого электрона характеризуется первым ионизационным потенциалом (J 1), второго – вторым (J 2) и т.д. Последовательные потенциалы ионизации возрастают (табл. 1), так как каждый следующий электрон необходимо отрывать от иона с возрастающим на единицу положительным зарядом. Из табл. 1 видно, что у лития резкое увеличение ионизационного потенциала наблюдается для J 2 , у бериллия – для J 3 , у бора – для J 4 и т.д. Резкое увеличение J происходит тогда, когда заканчивается отрыв внешних электронов и следующий электрон находится на предвнешнем энергетическом уровне.
Т а б л и ц а 1
Потенциалы ионизации атомов (эВ/атом) элементов второго периода
| Элемент | J 1 | J 2 | J 3 | J 4 | J 5 | J 6 | J 7 | J 8 |
| Литий | 5,39 | 75,6 | 122,4 | – | – | – | – | – |
| Бериллий | 9,32 | 18,2 | 158,3 | 217,7 | – | – | – | – |
| Бор | 8,30 | 25,1 | 37,9 | 259,3 | 340,1 | – | – | – |
| Углерод | 11,26 | 24,4 | 47,9 | 64,5 | 392,0 | 489,8 | – | – |
| Азот | 14,53 | 29,6 | 47,5 | 77,4 | 97,9 | 551,9 | 666,8 | – |
| Кислород | 13,60 | 35,1 | 54,9 | 77,4 | 113,9 | 138,1 | 739,1 | 871,1 |
| Фтор | 17,40 | 35,0 | 62,7 | 87,2 | 114,2 | 157,1 | 185,1 | 953,6 |
| Неон | 21,60 | 41,1 | 63,0 | 97,0 | 126,3 | 157,9 |
Ионизационный потенциал является показателем «металличности» элемента: чем он меньше, тем легче отрывается электрон от атома и тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента. Для элементов, с которых начинаются периоды (литий, натрий, калий и др.), первый ионизационный потенциал равен 4–5 эВ/атом, и эти элементы являются типичными металлами. У других металлов значения J 1 больше, но не более 10 эВ/атом, а у неметаллов обычно больше 10 эВ/атом: у азота 14,53 эВ/атом, кислорода 13,60 эВ/атом и т.д.
Первые ионизационные потенциалы в периодах увеличиваются, а в группах уменьшаются (рис. 14), что свидетельствует об увеличении неметаллических свойств в периодах и металлических в группах. Поэтому неметаллы находятся в правой верхней части, а металлы – в левой нижней части периодической системы. Граница между металлами и неметаллами «размыта», т.к. большинство элементов обладают амфотерными (двойственными) свойствами. Тем не менее, такую условную границу можно провести, она показана в длинной (18-клеточной) форме периодической системы, которая имеется здесь в аудитории и в справочнике.
Рис. 14. Зависимость ионизационного потенциала
от атомного номера элементов первого – пятого периодов.