Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач - Михаил Бармин

В многоэлектронных атомах на каждый электрон действует не только ядро, но и вcе остальные электроны. При этом электроны облака отдельных электронов как бы сливаются в одно общее многоэлектронное облако. Точное решение уравнения Шредингера для таких сложных систем недостижимо.

Электронная структура атомов и периодическая система.

ПРИНЦИП ПАУЛИ (ЗАПРЕТ ПАУЛИ). В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми.

Из этого следует, что каждая атомная орбиталь, характеризующаяся определенными значениями n, l, m может быть занята не более чем двумя электронами, спины которых имеют противоположные знаки. Такие электроны – спаренные. l=0, m= 0. Следовательно на S –подуровне имеется всего 1 орбиталь (S) (квантовая ячейка).

По принципу Паули, при l=1(Р) m =+1, 0, – 1, по 2 эл. с разными спинами. Итого: 6 электронов.

l = 2

m = 5

по 2 = 10 электронов,

l = 3

m = 7

по 2 = 14 электронов,

l = 4

m = 9

по 2 = 18 электронов.

ПРАВИЛО ХУНДА.

Устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.

ПЕРВОЕ ПРАВИЛО КЛЕЧКОВСКОГО.

При увеличении заряда ядра атома последовательное запол-нение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l) к орбиталям с большим значением этой суммы.

ВТОРОЕ ПРАВИЛО КЛЕЧКОВСКОГО.

При одинаковых значениях n+l заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания главного квантового числа

Правило Клечковского не для всех атомов описыва-

ет правильно электронную конфигурацию. Например 24Cr 1S22S22P63S23P64S23d4 (должно быть), 4S'3d5 (на самом деле).

Это явление называется «провал электронов» и объясняется тем, что более устойчивым атом является тогда, когда число ē на d-орбитали приближается к 5 или 10. В этом случае и происходит переход e c S – на d. –орбиталь.

Девиз: «ПЕРИОДИЧЕСКОМУ ЗАКОНУ

НЕ ГРОЗИТ РАЗРУШЕНИЕ, А ОБЕЩАЮТСЯ

ТОЛЬКО НАДСТРОЙКА И РАЗВИТИЕ». Д.И. Менделеев.

ЛЕКЦИЯ 3

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИCTЕМА

ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

План:

1. Открытие закона 2.  Структура таблицы

3.  Формирование закона 4.  Значение закона

I. Предпосылки открытия периодического закона. Попытки классификации химических элементов.

Периодический закон был открыт (сформулирован) в 1869 году Д.И. Менделеевым. К тому времени было уже известно более 60-ти химических элементов. По мере открытия новых элементов подтверждалась мысль о том, что многообразие окружающего мира обусловлено различными качественными и количественными сочетаниями химических элементов. Вполне закономерными были попытки исследователей выявить вза-имосвязь между химическими элементами как с качественной, так и с количественной стороны.

По мере накопления фактов об элементах возникла необходимость в их классификации. Вначале ученые пытались все химические элементы разделить на две группы – металлы и неметаллы (А.Лавуазье, Й.Я. Берцелиус). При изучении важнейших классов неорганических соединений выяснилось, что типичные металлы отличаются от типичных неметаллов не только по физическим, но и по химическим свойствам. Типичные металлы, как например кальций Ca, образуют основные оксиды, которым соответствуют основания:

2Ca + O2 → 2CaO

металл основной оксид (кальций) (оксид кальция)

CaO + H2O → Ca(OH)2

основной оксид      основание

Неметаллы, например сера S, образуют кислотные оксиды, которым соответствуют кислоты:

2S + 3O2 → 2SO3

неметалл (сера) – кислотный оксид (оксид серы)

SO3 + H2O → H2SO4

кислотный оксид – кислота (серная)

Металлы, как правило, реагируют с кислотами, замещая в них атомы водорода H, с образованием солей. Для неметаллов реакция с кислотами нехарактерна.

Позже выяснилось, что классификация химических эле-ментов на металлы и неметаллы является неполной. Так как, существуют химические элементы, которые проявляют двойственную природу. Оксиды и гидроксиды этих элементов способны реагировать и с кислотами и со щелочами (такие оксиды

гидроксиды называются амфотерными)

1817 году немецкий химик И.В. Деберейнер на основе сходства некоторых элементов расположил их отдельными триадами (Li, Na, K и Ca, Sr, Ba). При этом он впервые обнаружил, что атомная масса среднего элемента равна среднеарифметической сумме атомных масс крайних. Эта работа была одной из первых по систематизации элементов в зависимости от атомной массы, признанной основной количественной характеристикой элемента.

Предшественники Д.И. Менделеева обнаружили группы элементов, сходных по химическим свойствам, причем разница между атомными массами родственных элементов в группе равна некоторой постоянной величине.

Однако эти авторы не пошли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В одних случаях различные естественные группы сопоставлялись чисто эмпирически, в рамках единой таблицы, а в других делались попытки поиска конкретных закономерностей.

Работы предшественников подготовили почву для открытия Д.И. Менделеева.

II. Открытие периодического закона Д.И. Менделеевым, составление системы.

Как и предшественники, Д.И. Менделеев в качестве основной характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомную массу. Однако, Д.И. Менделеев искал закономерности в изменении атомных масс не только химичес-ки сходных элементов внутри одной естественной группы, но и между несходными элементами. Сопоставив крайне противоположные в химическом отношении, но близкие по величине атомной массы элементы таких групп, как щелочные металлы и галогены, и написав первые под вторыми, Д.И. Менделеев расположил под и над ними другие группы сходных элементов в порядке изменения их атомных масс. Оказалось, что элементы этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем химические свойства элементов периодически повторяются. При этом обнаружилось, что распределение элементов по величине их атомной массы не только не противоречит их сходству, а наоборот, прямо на него указывает.

1 марта (18 февраля по старому стилю) 1869 года Д.И. Менделеев разослал химикам набросок периодической системы химических элементов под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Эта дата считается датой построения периодической системы элементов.

При изучении свойств химических элементов Д.И. Менделеев уделял особое внимание характеру изменения этих свойств у элементов аналогов и сходных соединений, которые вели к количественной оценке изучаемых явлений.

К таким свойствам относились атомная масса, кристаллическая форма, плотность, атомный объем и форма соединений.

Первый вариант системы элементов позволил Д.И.Менделееву сделать основные выводы из нее:

свойства элементов, расположенных в соответствии с величиной атомной массы, изменяются периодически;

величина атомной массы определяет характер элемента;

элементы с малыми атомными массами типические, они наиболее распространены в природе, свойства их выражены резко;

можно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел (элементов);

можно иногда уточнять атомные массы элементов, на основе их аналогов;

по величине массы атомов могут быть найдены аналоги элементов. На основании этих выводов и сформулирован закон.

Открытие, сделанное Д.И. Менделеевым, стало лишь на-чалом разработки естественной системы химических эле-ментов. Был установлен главный принцип: физические и химические свойства простых веществ и соединений составляют периодическую функцию атомной массы всех элементов. Д.И. Менделеев так сформулировал закон:

«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от их атомного веса».

Периодическая система является графическим (табличным) изображением периодического закона.

В 1870 году Менделеев публикует второй вариант системы элементов под названием «Естественная система элементов». По своей форме этот вариант значительно отличался от первого. Горизонтальные ряды элементов–аналогов первого варианта превратились здесь в вертикальные. Кроме того, произошло уплотнение, сдваивание родственных рядов и образовалось 8 групп элементов, чего не было в первом варианте системы. Номера групп указывали на высшую валент-ность по кислороду элементов трех рядов, которые включены в эти группы.