Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Рис. 58

Атомы сравнительно легко приобретают или теряют электроны, превращаясь в ионы. Гораздо труднее "заставить" атом потерять или приобрести протоны или нейтроны. В обычных условиях ядра большинства атомов никак не изменяются в течение сколь угодно долгого времени. Все известные науке варианты строения атомов объединены в таблицу, названную по имени ее создателя "Периодическая система элементов Д.И. Менделеева". Одну клетку в этой таблице "занимает" элемент, то есть все атомы Вселенной, имеющие одинаковый заряд ядра. Иначе говоря, все атомы данного элемента имеют одинаковое количество протонов, равное порядковому номеру этой клетки. Например, в природе существует три вида атомов с одним единственным протоном в ядре: протий - вообще без нейтронов, дейтерий - с одним, и тритий - с двумя нейтронами (рис. 62). Любой из этих атомов является атомом водорода, и в таблице Менделеева находится в клетке N1. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но различным числом нейтронов и, соответственно, с различной массой атома, называют изотопами ("изо" - "одинаковый", "топос" - "место"). Протий, дейтерий и тритий - изотопы водорода.

Первые три строчки (их принято называть периодами) таблицы Менделеева изображены в табл. 6 (в каждой клеточке таблицы вверху - порядковый номер элемента, расположенного в этой клеточке, в центре - его обозначение (символ) в химических формулах, внизу - его название). Столбцы таблицы Менделеева называют группами.

Табл. 6. Первые три периода периодической системы элементов Д.И. Менделеева

группы периоды	1	2	3	4	5	6	7	8
I	1 H водород							2 He гелий
II	3 Li литий	4 Be бериллий	5 B бор	6 C углерод	7 N азот	8 O кислород	9 F фтор	10 Ne неон
III	11 Na натрий	12 Mg магний	13 Al алюминий	14 Si кремний	15 P фосфор	16 S сера	17 Cl хлор	18 Ar аргон

Электроны в атоме

Электроны в атоме непрерывно двигаются в пространстве около ядра. Есть физический закон (принцип неопределенности Гейзенберга), по которому задача точного прослеживания местонахождения и скорости движущегося электрона (в том числе - в атоме) в принципе не может быть решена. Можно лишь указать для каждого электрона область пространства внутри атома, внутри которой он находится столько-то процентов времени.

? Возьмите карту Вашего города и нарисуйте на ней область, внутри которой Вы находитесь:

не менее половины суток,

b. не менее 90 процентов суток.

Орбиталь - это область пространства, внутри которой данный электрон находится 90 процентов времени.

Рис. 59

Рис. 60

В атомах элементов I - III периодов встречаются s- и p- орбитали (см. рис. 59). В зависимости от расположения в пространстве различают p_x-, p_y-и p_z-орбитали; в зависимости от размера 1s-, 2s- и 3s-; 2p- и 3p-орбитали (рис. 60).

Представьте себе ядро какого-нибудь атома (например, хлора), помещенное в вакуум, мимо которого пролетают свободные электроны. Один за другим эти электроны будут притягиваться к нему и "заполнять" орбитали вокруг этого ядра. Последовательность заполнения различных орбиталей вокруг ядра любого атома одинакова и показана в табл. 7.

Табл. 7. Порядок заполнения электронами орбиталей первых трех электронных слоев

Заполнение электронами орбиталей данного атома происходит по следующим правилам:

на одной орбитали может располагаться не более двух (0, 1 или 2) электронов;
очередность заполнения: 1s-, 2s-, 2p-, 3s-, 3p-. В этом списке каждая следующая орбиталь (или группа орбиталей, как в случаях 2p- и 3p-) заполняется только после того, как на каждой из предыдущих окажется по два электрона;
группы орбиталей, отличающихся только расположением в пространстве (например, 2p и 3p), заполняются так, чтобы электроны располагались как можно "свободнее". Например, система 2р- орбиталей заполняется в следующей последовательности (см. табл. 8, запись "2p_x¹" означает, что на орбитали 2p, вытянутой вдоль выбранной нами координатной оси Ох, имеется один электрон).

Табл. 8. Порядок заполнения электронами системы 2р-орбиталей

Общее число электронов на 2р орбиталях	Расположение электронов на 2р орбиталях
0	2p_x⁰ 2p_y⁰ 2p_z⁰
1	2p_x¹ 2p_y⁰ 2p_z⁰
2	2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z⁰
3	2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹
4	2p_x² 2p_y¹ 2p_z¹
5	2p_x² 2p_y² 2p_z¹
6	2p_x² 2p_y² 2p_z²

Орбитали в атомах образуют электронные слои (1-й слой: 1s-, 2-й слой: 2s- и 2p-, 3-й слой: 3s- и 3p-). Орбитали одного слоя имеют одинаковый диаметр.

Электроотрицательность

Рис. 61

Электроотрицательность - это способность атома притягивать электроны наружного электронного слоя. Величина силы этого притяжения зависит, во-первых, от среднего расстояния от электрона до ядра (вместо этой величины можно использовать просто радиус атома) и, во-вторых, от заряда внутренней части атома (атомного остова, то есть всего атома, за исключением наружного электронного слоя - см. рис. 61). Диаметр атома постепенно уменьшается в пределах периода (увеличение заряда атомного остова "подтягивает" электроны ближе к ядру), и резко увеличивается при появлении нового электронного слоя, то есть в начале нового периода. Заряд атомного остова любого атома равен числу электронов наружного электронного слоя, взятому со знаком "+" (так как суммарный заряд атома равен нулю), и номеру группы в таблице Менделеева.

? Сравните электроотрицательность следующих атомов, не пользуясь таблицей Менделеева:

Li (№3) и B (№5),
Be (№4) и O (№8),
Mg (№12) и C (№6)

РЕШЕНИЕ п.3

Электронные формулы магния и углерода	Mg: 1s² 2s² 2p_x² 2p_y² 2p_z² 3s²		C: 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z⁰
Заряд атомного остова	+2	<	+4
Радиус атома	радиус Mg (3 эл. слоя)	>	радиус C (2 эл. слоя)

Атом магния притягивает электроны наружного слоя слабее атома углерода по двум причинам:

наружные электроны магния располагаются в среднем дальше от ядра атома, чем наружные электроны углерода,
заряд атомного остова у магния меньше, чем у углерода.

ОТВЕТ: электроотрицательность Mg меньше электроотрицательности C.

! Электроотрицательность и закон Кулона

В только что рассмотренной задаче, по сути дела, был применен закон Кулона для сравнения сил притяжения электронов к двум разным атомам. Однако взаимодействие всего атома с одним из его электронов является взаимодействием не двух, а, например, для углерода, семи зарядов, шесть из которых (электроны) быстро двигаются. Поэтому перед началом расчетов строение реального атома приходится сильно упрощать (то есть использовать вместо самого атома его модель*). В явном виде список этих упрощений выглядит так:

Электроотрицательность не изменится, если заменить атомный остов точечным зарядом, расположенным в центре атома;
Электроны наружного электронного слоя располагаются в среднем на одинаковом расстоянии от ядра;
Электроны наружного электронного слоя в атоме не взаимодействуют между собой.

Иногда сравнить электроотрицательность двух атомов так, как это сделано в задаче, не удается (попробуйте сравнить электроотрицательности хлора (№17) и кислорода (№8)). Химики умеют измерять электроотрицательность атомов, проделывая для этого специальные эксперименты. Результаты этих измерений сведены в табл. 9 (в ней электроотрицательность фтора принимается равной 4,1).

Табл. 9. Электроотрицательность элементов первых трех периодов таблицы Менделеева

группы периоды	1	2	3	4	5	6	7	8
I	2,1 H водород							- He гелий
II	0,97 Li литий	1,48 Be бериллий	2,01 B бор	2,51 C углерод	3,07 N азот	3,51 O кислород	4,10 F фтор	- Ne неон
III	1,01 Na натрий	1,23 Mg магний	1,48 Al алюминий	1,75 Si кремний	2,10 P фосфор	2,61 S сера	2,64 Cl хлор	- Ar аргон

Химическая связь

Атомы в молекулах соединены между собой химическими связями. Они бывают ионными и ковалентными.

Рис. 62

Ионная связь - это связь между положительным и отрицательным ионами. Самый простой способ образования ионной связи: при встрече двух разных атомов самый электроотрицательный из них отрывает от другого один или несколько электронов, превращаясь в анион. Второй атом, лишившись электронов, приобретает положительный заряд (то есть превращается в катион), и немедленно притягивается к отрицательно заряженному аниону (рис. 62 а).

Ковалентная связь возникает при взаимном проникновении друг в друга орбиталей двух атомов. При этом ядра обоих атомов притягиваются к области перекрывания их орбиталей (Cильно упрощая реальную картину, можно сказать так. Представьте, что заряд электрона "размазан" по всему объему его орбитали. Тогда место, где перекрываются орбитали двух разных электронов, имеет "удвоенный" отрицательный заряд, и притягивает оба ядра - см. рис. 62б). Взаимное проникновение двух орбиталей с образованием связи возможно только в том случае, если на обоих этих орбиталях располагается в сумме не более двух электронов).

Ковалентная связь может быть полярной и неполярной.

Ковалентная связь неполярна, если связанные атомы имеют одинаковую электроотрицательность. В этом случае они с одинаковой силой притягивают зону перекрывания орбиталей, и в результате она располагается точно посередине между ними (рис. 62в)).

Ковалентная связь полярна, если связанные атомы имеют разную электроотрицательность. Тогда более электроотрицательный атом "подтягивает" зону перекрывания орбиталей ближе к себе (рис. 62б)).

Какая связь (ковалентная полярная либо ионная) возникнет между двумя разными атомами, зависит от того, насколько сильно отличаются их электроотрицательности.

! Ионные и молекулярные кристаллические решетки

Рис. 63

Возьмем две молекулы фторида натрия NaF. Связь между натрием и фтором - ионная, заряды их +1 и -1. При встрече эти молекулы, разумеется, слипнутся в единую частицу (рис. 63). Причем все четыре ионные связи в этой частице имеют одинаковую прочность. Если добавить еще несколько молекул NaF, они тоже прилипнут. Получившаяся система называется ионной кристаллической решеткой. Если разрушить ее, например, значительным повышением температуры, то вновь образуются отдельные молекулы NaF. Причем в одной молекуле могут оказаться "соседи" по кристаллической решетке, которые при формировании кристалла были в составе разных молекул. Говорят, что в ионной кристаллической решетке индивидуальность молекул не сохраняется.

Рис. 64

Теперь проделаем те же операции с молекулами хлороводорода HCl. В этой молекуле ковалентная полярная связь. При встрече такие молекулы все равно слипнутся в единую частицу (рис. 64), и к ней тоже прилипнут новые молекулы хлороводорода. Однако в получившейся молекулярной кристаллической решетке есть связи двух разных типов. Во-первых, это ковалентные полярные связи, "унаследованные" от отдельных молекул HCl. Во-вторых, это значительно более слабые связи между положительно и отрицательно заряженными концами молекул (без общих электронов, только силы Кулона). Если разрушить эту решетку повышением температуры, то образуются отдельные молекулы HCl. Причем в точности те же самые, что и при формировании кристалла. В молекулярной кристаллической решетке индивидуальность молекул сохраняется.

?Как Вы думаете, какие кристаллические решетки прочнее: ионные или молекулярные? Почему?

?Как связаны тип кристаллической решетки и температура плавления вещества? А температура плавления вещества и степень поляризованности ковалентных связей в его молекуле?

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 602; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!