Строение атома

Соловьева Е.Н., Неделькин В.И., Силкина Т.А. Чернова Н.С.

Неорганическая химия: Методические указания и контрольные работы – М.: МГУТУ, 2011. – 32 с.

Методические указания и контрольные работы дисциплины «Неорганическая химия» базовой части математического и естественнонаучного цикла учебного плана составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования для бакалавров по направлениям 260200, 260800 и 280700.

Методические указания и контрольные работы предназначены для студентов заочной формы обучения.

©Московский государственный университет технологий и управления, 2011.

109004, Москва, Земляной вал, 73

© Соловьева Е.Н., Неделькин В.И., Силкина Т.А. Чернова Н.С.

Методические указания к выполнению

Контрольной работы

Основная часть времени, необходимого для изучения дисциплины, отводится на самостоятельную работу студентов до вызова их на сессию.

Контроль самостоятельной работы студентов осуществляется путем проверки преподавателем контрольной работы.

Контрольная работа выполняются до начала сессии и передаются преподавателю для проверки до начала лабораторных работ.

Задачи контрольной работы студенты выбирают в зависимости от номера варианта. Номер варианта определяется по последней цифре шифра зачетной книжки.

Решение задач и ответы на вопросы должны быть обоснованы с использованием основных теоретических положений.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради. Номера и условия задач переписываются в порядке, указанном в контрольной работе. В конце работы приводится список использованной литературы. Работа подписывается студентом и представляется для рецензирования.

Если контрольная работа не зачтена, то неверно решенные задачи исправляются в этой же тетради на чистых листах. Контрольная работа, выполненная не по своему варианту, не рецензируется и не засчитывается.

Моль, эквивалент. Молярные массы эквивалентов веществ. Закон эквивалентов.

Пример. Определите молярные массы эквивалентов фтора, углерода и фосфора в соединениях: HF, CH₄, PH₃.

Решение. Поскольку эквивалентэлемента (Э) – это такое его количество, которое соединяется с одним молем атомов водорода или замещает то же количество водорода в химических реакциях, эквиваленты фтора, углерода и фосфора в этих соединениях равны соответственно 1, 1/4 и 1/3 моля. Тогда молярные массы эквивалентов: m_э (F) = 1∙ 19 = 19 г/моль;

m_э (C) = 1/4 ∙ 12 = 3 г/моль; m_э (P) = 1/3 ∙ 31 = 10, 33 г/моль

Строение атома

Пример. Сколько протонов и нейтронов содержат ядра изотопов ⁵⁵₂₅Мn и ⁵⁴₂₅Мn? Составьте электронную формулу атома марганца, распределите электроны по квантовым ячейкам. Укажите валентности и степени окисления марганца в нормальном и возбужденном состоянии. К какому электронному семейству относится этот элемент?

Решение. Порядковый номер элемента в периодической системе совпадает с величиной заряда ядра, т.е. индекс внизу слева символа элемента указывает на количество протонов в ядре, следовательно, в ядрах изотопов марганца имеется 25 протонов. Число нейтронов равняется разности между массовым числом (индекс вверху слева символа) и порядковым номером элемента, следовательно, в ядрах изотопов марганца находится следующее число нейтронов:

⁵⁵₂₅Мn 55 - 25 = 30 (n); ⁵⁴₂₅Мn 54 - 25 = 29 (n).

Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням. При этом согласно правилу Клечковского, последовательность размещения электронов по атомным орбиталям (АО) в невозбужденном атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т. е. электрон должен обладать наименьшей энергией. Электроны заполняют уровни и подуровни в следующей последовательности (шкала энергий):

1s² → 2s² → 2p⁶ → 3s² → 3p⁶ → 4s² → 3d¹⁰ → 4p⁶ → 5s² → 4d¹⁰ → 5p⁶ → 6s² → 5d¹ → 5f¹⁴ → 5d^2-10 → 6p⁶ → 7s² → 6d¹ → 5f¹⁴ → 6d^2-10 → 7p⁶

Так как число электронов в атоме элемента равно заряду его ядра, т. е. порядковому номеру в таблице Л. И. Менделеева, то для элемента № 25 – марганца, электронная формула согласно шкале энергий, имеет вид:

₂₅Мn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵

Электронографические схемы отражают распределение электронов атомов по квантовым ячейкам (энергетическим ячейкам). По принципу Паули, в атоме не может быть двух и более электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел. Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами «n, l, m _l», то на ней могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Причем, по правилу Гунда, при данном значении l - электроны располагаются так, что суммарное спиновое число их ∑ m_s максимально, т. е. орбитали в пределах данного подуровня заполняются сначала по одному электрону в квантовой ячейке, а затем по мере заполнения орбиталей – по второму электрону с противоположным спином.

₂₅Mn

s p d f

В нормальном, невозбужденном состоянии на d – подуровне атома марганца имеется 5 неспаренных электронов, при возбуждении атома один из s – электронов 4 – го уровня переходит на p – подуровень, и число валентных электронов увеличивается до 7. Таким образом, для марганца равновероятными представляются все положительные степени окисления от +1 до +7 (валентности от I до VII). Последний, 25-ый электрон атома марганца поступает на d – орбиталь, следовательно, марганец относится к d – электронному семейству.