Как определяется внешний энергетический уровень. Внешние энергетические уровни: особенности строения и их роль во взаимодействиях между атомами. Задания для самостоятельного решения
Ответ от Ксения Гареева
[гуру]
номеру периода
Ответ от Slava mikailov
[новичек]
Ответ от Проспорить
[гуру]
Энергетический уровень
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Энергетический уровень - возможные значения энергии квантовых систем, т. е. систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и др. элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул и т. д.) и подчиняющихся законам квантовой механики. Характеризует определённое состояние микрочастицы. Различают электронные и внутриядерные энергетические уровни.
[править]
Электронные энергетические уровни
Современное понятие о орбитальной модели атома, при котором электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, а разница между энергетическими уровнями определяет размер выделяемого или поглощаемого кванта. При этом в промежутках между энергетическими уровнями электроны находиться не могут. Эти промежутки получили название запрещённая энергетическая зона.
В качестве примера можно привести электрон в орбитальной модели атома - в зависимости от значений главного квантового числа n и орбитального квантового числа l изменяется уровень энергии, которой обладает электрон. Соответственно каждой паре значений чисел n и l соответствует определённый энергетический уровень.
[править]
Внутриядерные энергетические уровни
Термин появился благодаря исследованию радиоктивности. Радиационное излучение разделяется на три части: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Исследования показали, что альфа-излучение состояло из атомов гелия, бета-излучение является потоком быстро движущихся электронов, а исследование гамма-лучей показало, что энергии электронных уровней недостаточно для их возникновения. Стало понятно, что источник радиоктивного излучения (гамма-лучей) нужно искать внутри атомного ядра, т. е. существуют внутриядерные энергетические уровни, энергия которых и переходит в фотоны гамма-излучения. Гамма-лучи расширили спектр известных электромагнитных волн, и все волны короче 0,01 нм являются гамма-лучами.
Попытайся представить, насколько малы атомы по сравнению с величиной самих молекул на таком примере.
Наполним резиновый шарик газом. Если предположить, что через тонкий прокол из шарика будет выходить миллион молекул в секунду, то для вылета всех молекул из шарика понадобится 30 млрд лет. А ведь в состав одной молекулы может входить два, три, а может, и несколько десятков или даже несколько тысяч атомов!
Современная техника позволила сфотографировать и молекулу, и атом с помощью специального микроскопа. Молекулу удалось сфотографировать при увеличении в 70 млн раз, а атом – в 260 млн раз.
Долгое время ученые считали, что атом неделим. Даже слово атом в переводе с греческого языка означает «неделимый». Однако многолетние исследования показали, что, несмотря на маленькие размеры, атомы состоят из еще более мелких частей (элементарных частиц ).
Не правда ли, строение атома напоминает Солнечную систему ?
В центре атома – ядро , вокруг которого на некотором расстоянии движутся электроны
Ядро – самая тяжелая часть атома, в нем сосредоточена масса атома.
У ядра и электронов существуют электрические заряды, противоположные по знаку, но равные по величине.
Ядро имеет положительный заряд, электроны – отрицательный, поэтому в целом атом не заряжен.
Запомни
Все атомы имеют ядро и электроны. Атомы отличаются друг от друга: массой и зарядом ядра; количеством электронов.
Задание
Подсчитай количество электронов в атомах алюминия, углерода, водорода. Заполни таблицу.
|
· Название атома |
Количество электронов в атоме |
|
Атом алюминия |
|
|
Атом углерода |
|
|
Атом водорода |
Ты хочешь узнать больше о строении атома? Тогда читай дальше.
Заряд ядра атома определяется порядковым номером элемента .
Например, порядковый номер водорода равен 1 (определяем по Периодической таблице Менделеева), значит, заряд ядра атома равен +1.
Порядковый номер кремния равен 14 (определяем по Периодической таблице Менделеева), значит, заряд ядра атома кремния равен +14.
Чтобы атом был электронейтрален, число положительных и отрицательных зарядов в атоме должно быть одинаково
(в сумме получится ноль).
Число электронов (отрицательно заряженных частиц) равно заряду ядра (положительно заряженных частиц) и равно порядковому номеру элемента .
В атоме водорода 1 электрон, кремния- 14 электронов.
Электроны в атоме движуться по энергетическим уровням.
Число энергетических уровне в атоме определяется номером периода, в котором находится элемент (тоже определяем по Периодической таблице Менделеева)
Например, водород - элемент первого периода, значит у него
1 энергетический уровень, а кремний - элемент третьего периода, следовательно 14 электронов распределены по трем энергетическим уровным. Кислород и углерод- элементы третьего периода, поэтому электроны движуться по трем энергетическим уровням.
Задание
1.Какой заряд ядра в атомах химических элементов, изображенных на рисунке?
2. Сколько энергетических уровней в атоме алюминия?
1 (2 балла). Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме калия:А. 2е, 8е, 8е, 1е В. . 2е, 8е,
18е, 8е, 1е
Б. 2е, 1е Г. 2е, 8е, 1е
2 (2 балла). Число электронов на внешнем электронном слое у атома алюминия:
А. 1 Б. 2 В. 3 Г.4
3 (2 балла). Простое вещество с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами:
А. Кальций Б. Барий В. Стронций Г. Радий
4 (2 балла). Вид химической связи в простом веществе - алюминий:
А. Ионная Б. Ковалентная полярная
В. Металлическая Г. Ковалентная неполярная
5 (2 балла). Число энергетических уровней у элементов одной подгруппы сверху вниз:
А. Изменяется периодически. Б. Не изменяется.
В. Увеличивается. Г. Уменьшается.
6 (2 балла). Атом лития отличается от иона лития:
А. 3арядом ядра. Б. Числом электронов на внешнем энергетическом уровне.
В. Числом протонов. Г. Числом нейтронов.
7 (2 балла.). Наименее энергично реагирует с водой:
А. Барий. В. Магний.
Б. Кальций. Г. Стронций
8 (2 балла). С раствором серной кислоты не взаимодействует:
А. Алюминий. В. Натрий
Б. Магний. Г. Медь
9 (2 балла). Гидроксид калия не взаимодействует с веществом, формула которого:
А. Na2O В. АlСl3
Б. Р2O5 Г. Zn(NO3)2
10 (2 балла). Ряд, в котором все вещества реагируют с железом:
А. НСl, СО2, СО
Б. CO2, HCl, S
В. Н2, O2, СаO
Г. O2, СuSO4, Н2SO4
11 (9 баллов). Предложите три способа получения гидроксида натрия. Ответ подтвердите уравнениями реакций.
12 (6 баллов). Осуществите цепочку химических превращений, составив уравнения реакций в молекулярном и ионном видах, назовите продукты реакций:
FeCl2 → Fe(OH)2 → FeSO4 → Fe(OH)2
13 (6 баллов). Как, используя любые реактивы (вещества) и цинк, получить его оксид, основание, соль? Составьте уравнения реакций в молекулярном виде.
14 (4 балла). Составьте уравнение химической реакции взаимодействия лития с азотом. Определите восстановитель и окислитель в этой реакции
определить по:
A. номером группы;
Б. номеру периода;
B. порядковым номером.
4. Какая из характеристик химических элементов не меняется в главных подгруппах:
А радиус атома;
Б число электронов на внешнем уровне;
В. число энергетических уровней.
5. Общее у строении атомов элементов с порядковыми номерами 7 и 15:
A. число электронов на внешнем уровне, Б. заряд ядра;
B. число энергетических уровней.
Установите соответствие между символом химичесого элемента (в заданном порядке) и числом электронов на внешнем энергетическом уровне его атома.Из буквСоответствующих правильным ответам, вы составите название установки, которая позволит человечеству еще глубже познать строение атома(9 букв).
Число е на Символ элемента
Энергетическом
уровне Mg Si I F C Ba Sn Ca Br
2 к а п о л й с е м
4 а о в к а т д ч я
7 в й л л н г о л р
1 (3 балла). Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме натрия-А. 2 ē, 1 ē Б. 2 ē, 4 ē В. 2 ē, 8 ē, 1ē. Г. 2 ē, 8 ē, 3ē.
2 (4 балла) Номер периода в Периодической системе Д. И. Менделеева, в котором нет химических элементов-металлов: А. 1. Б. 2. В. 3. Г. 4.
3 (3 балла). Вид химической связи в простом веществе кальции:
A. Ионная. Б. Ковалентная полярная. B. Ковалентная неполярная. Г. Металлическая.
4 (3 балла). Простое вещество с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами:
А. Алюминий. Б. Кремний. В. Магний. Г. Натрий.
5 (3 балла). Радиус атомов элементов 2-го периода с увеличением заряда ядра от щелочного металла к галогену: A.Изменяется периодически. Б. Не изменяется. B. Увеличивается. Г. Уменьшается.
6 (3 балла). Атом магния отличается от иона магния:
A. Зарядом ядра. Б. Зарядом частицы. B. Числом протонов. Г. Числом нейтронов.
7 (3 балла). Наиболее энергично реагирует с водой:
А. Калий. Б. Литий. В. Натрий. Г. Рубидий.
8 (3 балла). С разбавленной серной кислотой не взаимодействует:
А. Алюминий. Б. Барий. В. Железо. Г. Ртуть.
9 (3 балла). Гидроксид бериллия не взаимодействует с веществом, формула которого:
A. NaOH(p р). Б. NaCl(p_p). В. НС1(р_р). Г. H2SО4.
10 (3 балла). Ряд, в котором все вещества реагируют с кальцием:
А. СО2, Н2, НС1. В. NaOH, Н2О, НС1. Б. С12, Н2О, H2SО4. Г. S, H2SО4, SО3.
ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом
11 (9 баллов). Предложите три способа получения сульфата железа (II). Ответ подтвердите уравнениями реакций.
12 (6 баллов). Определите вещества X, Y, Z, запишите их химические формулы.
Fe(OH)3(t)= X(+HCl)= Y(+NaOH)=Z(t) Fe2О3
13 (6 баллов). Как, используя любые реактивы (вещества) и алюминий, получить оксид, амфотерный гидроксид? Составьте уравнения реакций в молекулярном виде.
14 (4 балла). Расположите металлы: медь, золото, алюминий, свинец в порядке увеличения плотности.
15 (5 баллов). Рассчитайте массу металла, полученного из 160 г оксида меди (II).
Рис. 7. Изображение форм и ориентаций
s -,p -,d -, орбиталей с помощью граничных поверхностей.
Квантовое число m l называют магнитным . Оно определяет пространственное расположение атомной орбитали и принимает целые значения от –l до +l через нуль, то есть 2l + 1 значений (табл. 27).
Орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию. Такое состояние называют вырожденным по энергии . Так p -орбиталь – трехкратно, d – пятикратно, а f – семикратно вырождены. Граничные поверхности s -,p -,d -, орбиталей показаны на рис. 7.
s -орбитали сферически симметричны для любого n и отличаются друг от друга только размером сферы. Их максимально симметричная форма обусловлена тем, что при l = 0 и μ l = 0.
Таблица 27
Число орбиталей на энергетических подуровнях
|
Орбитальное квантовое число |
Магнитное квантовое число |
Число орбиталей с данным значением l |
|
m l | ||
|
–2, –1, 0, +1, +2 | ||
|
–3, –2, –1, 0, +1, +2, +3 |
p -орбитали существуют при n ≥ 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: m l = –1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются p x , p y , p z .
d -орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n ≥ 3), при котором m l = –2, –1, 0, +1, +2, то есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d -орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются d z ² и d x ²– y ² , а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов – d xy , d yz , d xz .
Семь f -орбиталей , соответствующих l = 3 (n ≥ 4), изображаются в виде граничных поверхностей.
Квантовые числа n , l и m не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установлено, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое число m s имеет только два значения m s = ±1/2, представляющие собой две проекции углового момента электрона на выделенную ось. Электроны с разными m s обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз.
Последовательность заполнение атомных орбиталей
Заселение электронами атомных орбиталей (АО) осуществляется согласно принципу наименьшей энергии, принципу Паулии правилу Гунда, а для многоэлектронных атомов – правилу Клечковского.
Принцип наименьшей энергии требует, чтобы электроны заселяли АО в порядке увеличения энергии электронов на этих орбиталях. Это отражает общее правило – максимуму устойчивости системы соответствует минимум ее энергии.
Принцип Паули (1925 г) запрещает в многоэлектронном атоме находиться электронам с одинаковым набором квантовых чисел. Это означает, что два любых электрона в атоме (или молекуле, или ионе) должны отличаться друг от друга значением хотя бы одного квантового числа, то есть на одной орбитали может быть не более двух электронов с различными спинами (спаренных электронов). Каждый подуровень содержит 2l + 1 орбитали, на которых размещаются не более 2(2l + 1) электронов. Отсюда следует, что емкость s -орбиталей – 2, p -орбиталей – 6, d -орбиталей – 10 и f -орбиталей – 14 электронов. Если число электронов при заданном l просуммировать от 0 до n – 1, то получим формулу Бора– Бьюри , определяющую общее число электронов на уровне с заданным n :
Эта формула не учитывает межэлектронное взаимодействие и перестает выполняться при n ≥ 3.
Орбитали с одинаковыми энергиями (вырожденные) заполняются в соответствии с правилом Гунда : наименьшей энергией обладает электронная конфигурация с максимальным спином. Это означает, что если на p-орбитали три электрона, то они располагаются так: , и суммарный спинS =3/2, а не так: ,S =1/2.
Правило Клечковского (принцип наименьшей энергии). В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние электрона определяется значениями тех же четырех квантовых чисел, однако в этом случае электрон находится не только в поле ядра, но и в поле других электронов. Поэтому энергия в многоэлектронных атомах определяется не только главным, но и орбитальным квантовым числом, а вернее их суммой: энергия атомных орбиталей возрастает по мере увеличения суммы n + l ; при одинаковой сумме сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l . Энергия атомных орбиталей возрастает согласно ряду:
|
1s <2s <2p <3s <3p <4s ≈3d <4p <5s ≈4d <5p <6s ≈4f ≈5d <6p <7s ≈5f ≈6d <7p . |
Итак, четыре квантовых числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.
Что происходит с атомами элементов во время химических реакций? От чего зависят свойства элементов? На оба эти вопроса можно дать один ответ: причина лежит в строении внешнего В нашей статье мы рассмотрим электронное металлов и неметаллов и выясним зависимость между структурой внешнего уровня и свойствами элементов.
Особые свойства электронов
При прохождении химической реакции между молекулами двух или более реагентов происходят изменения в строении электронных оболочек атомов, тогда как их ядра остаются неизменными. Сначала ознакомимся с характеристиками электронов, находящихся на наиболее удаленных от ядра уровнях атома. Отрицательно заряженные частицы располагаются слоями на определенном расстоянии от ядра и друг от друга. Пространство вокруг ядра, где нахождение электронов наиболее возможно, называется электронной орбиталью. В ней сконденсировано около 90 % отрицательно заряженного электронного облака. Сам электрон в атоме проявляет свойство дуальности, он одновременно может вести себя и как частица, и как волна.
Правила заполнения электронной оболочки атома
Количество энергетических уровней, на которых находятся частицы, равно номеру периода, где располагается элемент. На что же указывает электронный состав? Оказалось, что на внешнем энергетическом уровне для s- и p-элементов главных подгрупп малых и больших периодов соответствует номеру группы. Например, у атомов лития первой группы, имеющих два слоя, на внешней оболочке находится один электрон. Атомы серы содержат на последнем энергетическом уровне шесть электронов, так как элемент расположен в главной подгруппе шестой группы и т. д. Если же речь идет о d-элементах, то для них существует следующее правило: количество внешних отрицательных частиц равно 1 (у хрома и меди) или 2. Объясняется это тем, что по мере увеличения заряда ядра атомов вначале происходит заполнение внутреннего d- подуровня и внешние энергетические уровни остаются без изменений.
Почему изменяются свойства элементов малых периодов?
В малыми считаются 1, 2, 3 и 7 периоды. Плавное изменение свойств элементов по мере возрастания ядерных зарядов, начиная от активных металлов и заканчивая инертными газами, объясняется постепенным увеличением количества электронов на внешнем уровне. Первыми элементами в таких периодах являются те, чьи атомы имеют всего один или два электрона, способные легко отрываться от ядра. В этом случае образуется положительно заряженный ион металла.
Амфотерные элементы, например, алюминий или цинк, свои внешние энергетические уровни заполняют небольшим количеством электронов (1- у цинка, 3 - у алюминия). В зависимости от условий протекания химической реакции они могут проявлять как свойства металлов, так и неметаллов. Неметаллические элементы малых периодов содержат от 4 до 7 отрицательных частиц на внешних оболочках своих атомов и завершают ее до октета, притягивая электроны других атомов. Например, неметалл с наибольшим показателем электроотрицательности - фтор, имеет на последнем слое 7 электронов и всегда забирает один электрон не только у металлов, но и у активных неметаллических элементов: кислорода, хлора, азота. Заканчиваются малые периоды, как и большие, инертными газами, чьи одноатомные молекулы имеют полностью завершенные до 8 электронов внешние энергетические уровни.
Особенности строения атомов больших периодов
Четные ряды 4, 5, и 6 периодов состоят из элементов, внешние оболочки которых вмещают всего один или два электрона. Как мы говорили ранее, у них происходит заполнение электронами d- или f- подуровней предпоследнего слоя. Обычно это - типичные металлы. Физические и химические свойства у них изменяются очень медленно. Нечетные ряды вмещают такие элементы, у которых заполняются электронами внешние энергетические уровни по следующей схеме: металлы - амфотерный элемент - неметаллы - инертный газ. Мы уже наблюдали ее проявление во всех малых периодах. Например, в нечетном ряду 4 периода медь является металлом, цинк - амфотерен, затем от галлия и до брома происходит усиление неметаллических свойств. Заканчивается период криптоном, атомы которого имеют полностью завершенную электронную оболочку.
Как объяснить деление элементов на группы?
Каждая группа - а их в короткой форме таблицы восемь, делится еще и на подгруппы, называемые главными и побочными. Такая классификация отражает различное положение электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов. Оказалось, что у элементов главных подгрупп, например, лития, натрия, калия, рубидия и цезия последний электрон расположен на s-подуровне. Элементы 7 группы главной подгруппы (галогены) заполняют отрицательными частицами свой p-подуровень.
Для представителей побочных подгрупп, таких, как хром, типичным будет наполнение электронами d-подуровня. А у элементов, входящих в семейства накопление отрицательных зарядов происходит на f-подуровне предпоследнего энергетического уровня. Более того, номер группы, как правило, совпадает с количеством электронов, способных к образованию химических связей.
В нашей статье мы выяснили, какое строение имеют внешние энергетические уровни атомов химических элементов, и определили их роль в межатомных взаимодействиях.
