Процессы образования возбужденных частиц при радиолизе. Неспаренный электрон Основные формы периодической системы

Спаренные электроны

Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, а если два – то это спаренные электроны .

Четыре квантовых числа n, l, m, m s полностью характеризуют энергетическое состояние электрона в атоме.

Рассматривая строение электронной оболочки многоэлектронных атомов различных элементов, необходимо учитывать три основных положения:

· принцип Паули,

· принцип наименьшей энергии,

· правило Гунда .

Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Принцип Паули определяет максимальное число электронов на одной орбитали, уровне и подуровне. Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами n , l , m , то электроны данной орбитали могут различаться только спиновым квантовым числом m s . Но спиновое квантовое число m s может иметь только два значения + 1 / 2 и – 1 / 2 . Следовательно, на одной орбитали может находиться не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.

Рис. 4.6. Максимальная емкость одной орбитали – 2 электрона.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется как 2n 2 , а на подуровне – как 2(2l + 1). Максимальное число электронов, размещающихся на различных уровнях и подуровнях, приведено в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Энергети-ческий уровень	Энергети-ческий подуровень	Возможные значения магнитного квантового числа m	Число орбиталей на	Максимальное число электронов на
подуровне	уровне	подуровне	уровне
K (n =1)	s (l =0)
L (n =2)	s (l =0) p (l =1)	–1, 0, 1
M (n =3)	s (l =0) p (l =1) d (l =2)	–1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2
N (n =4)	s (l =0) p (l =1) d (l =2) f (l =3)	–1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3

Последовательность заполнения электронами орбиталей осуществляется в соответствии с принципом наименьшей энергии .

Согласно прнципу наименьшей энергии электроны заполняют орбитали в порядке повышения их энергии.

Очередность заполнения орбиталей определяется правилом Клечковского: увеличение энергии и, соответственно, заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равной сумме (n + l) – в порядке возрастания главного квантового числа n.

Например, энергия электрона на подуровне 4s меньше, чем на подуровне 3d , так как в первом случае сумма n + l = 4 + 0 = 4 (напомним, что для s -подуровня значение орбитального квантового числа l = = 0), а во втором n + l = 3 + 2= 5 (d - подуровень, l = 2). Поэтому, сначала заполняется подуровень 4s , а затем 3d (см. рис. 4.8).

На подуровнях 3d (n = 3, l = 2) , 4р (n = 4, l = 1) и 5s (n = 5, l = 0) сумма значений п и l одинаковы и равны 5. В случае равенства значений сумм n и l сначала заполняется подуровень с минимальным значением n , т.е. подуровень 3d .

В соответствии с правилом Клечковского энергии атомных орбиталей возрастает в ряду:

1s < 2s < 2р < 3s < 3р < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d »

»4f < 6p < 7s ….

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на 4 электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы.

4f

4 4d

3 4s

3p

3s

1 2s

Уровни Подуровни

Рис. 4.8. Энергия атомных орбиталей.

Элементы, у атомов которых в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня, называются s-элементами . У s -эле-ментов валентными являются s-электроны внешнего энергетического уровня.

У р-элементов последним заполняется р-подуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены на p - и s -под-уровнях внешнего уровня. У d -элементов в последнюю очередь заполняется d -подуровень предвнешнего уровня и валентными являются s -электроны внешнего и d -электроны предвнешнего энергетического уровней.

У f-элементов последним заполняется f -подуровень третьего снаружи энергетического уровня.

Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Гунда:

в пределах подуровня электроны размещаются таким образом, чтобы сумма их спиновых квантовых чисел имела бы максимальное значение по абсолютной величине.

Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковым значением спинового квантового числа, а затем по второму электрону с противоположным значением.

Например, если в трех квантовых ячейках необходимо распределить 3 электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке, т.е. занимать отдельную орбиталь:

∑m s = ½ – ½ + ½ = ½.

Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией, или электронной формулой. Составляя электронную конфигурацию номер энергетического уровня (главное квантовое число) обозначают цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровень (орбитальное квантовое число) – буквами s , p , d , f . Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается вверху у символа подуровня.

Электронная конфигурация атома может быть изображена в виде так называемой электронно-графической формулы . Эта схема размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.

Чтобы составить электронную или электронно-графическую формулу любого элемента следует знать:

1. Порядковый номер элемента, т.е. заряд его ядра и соответствующее ему число электронов в атоме.

2. Номер периода, определяющий число энергетических уровней атома.

3. Квантовые числа и связь между ними.

Так, например, атом водорода с порядковым номером 1 имеет 1 электрон. Водород - элемент первого периода, поэтому единственный электрон занимает находящуюся на первом энергетическом уровне s -орбиталь, имеющую наименьшую энергию. Электронная формула атома водорода будет иметь вид:

1 Н 1s 1 .

Электронно-графическая формула водорода будет иметь вид:

Электронная и электронно-графическая формулы атома гелия:

2 Не 1s 2

2 Не 1s

отражают завершенность электронной оболочки, что обусловливает ее устойчивость. Гелий – благородный газ, характеризующийся высокой химической устойчивостью (инертностью).

Атом лития 3 Li имеет 3 электрона, это элемент II периода, значит, электроны расположены на 2-х энергетических уровнях. Два электрона заполняют s - подуровень первого энергетического уровня и 3-й электрон расположен на s - подуровне второго энергетического уровня:

3 Li 1s 2 2s 1

Валентность I

У атома лития электрон, находящийся на 2 s -подуровне, менее прочно связан с ядром, чем электроны первого энергетического уровня, поэтому в химических реакциях атом лития может легко отдавать этот электрон, превращаясь в ион Li + (ион - электрически заряженная частица ). В этом случае ион лития приобретает устойчивую завершенную оболочку благородного газа гелия:

3 Li + 1s 2 .

Следует заметить, что, число неспаренных (одиночных) электронов определяет валентность элемента, т.е. его способность образовывать химические связи с другими элементами.

Так, атом лития имеет один неспаренный электрон, что обусловливает его валентность, равную единице.

Электронная формула атома бериллия:

4 Bе 1s 2 2s 2 .

Электронно-графическая формула атома бериллия:

2 Валентность в основном

Состоянии равна 0

Легче других у бериллия отрываются электроны подуровня 2s 2 , образуя ион Be +2:

Можно заметить, что атом гелия и ионы лития 3 Li + и бериллия 4 Bе +2 имеют одинаковое электронное строение, т.е. характеризуются изоэлектронным строением.

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ РАДИОЛИЗА

При действии ионизирующего излучения на любую систему в результате ионизации и возбуждения образуются промежуточные продукты. К ним относятся электроны (термализованные и сольватированные, электроны недовозбуждения и др.), ионы (катион- и анион-радикалы, карбанионы, карбокатионы и др.), свободные радикалы и атомы, возбужденные частицы и т. п. Как правило, при обычных условиях эти продукты характеризуются высокой реакционной способностью и поэтому являются короткоживущими. Они быстро взаимодействуют с веществом и обусловливают образование конечных (стабильных) продуктов радиолиза.

Возбужденные частицы. Возбуждение является одним из главных процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. В результате этого процесса образуются возбужденные частицы (молекулы, атомы и ионы). В них электрон находится на одном из электронных уровней, лежащих выше основного состояния, оставаясь связанным с остальной частью (т. е. дыркой) молекулы, атома или иона. Очевидно, при возбуждении частица сохраняется как таковая. Возбужденные частицы возникают также в некоторых вторичных процессах: при нейтрализации ионов, при передаче энергии и др. Они играют значительную роль при радиолизе различных систем (алифатических и особенно ароматических углеводородов, газов и др.).

Виды возбужденных молекул . Возбужденные частицы содержат два неспаренных электрона на различных орбиталях. Спины этих электронов могут быть ориентированы одинаково (параллельны) или противоположно (антипараллельны). Такие возбужденные частицы являются соответственно триплетными и синглетными.

При действии ионизирующего излучения на вещество возбужденные состояния возникают в результате следующих главных процессов:

1) при непосредственном возбуждении молекул вещества излучением (первичное возбуждение),

2) при нейтрализации ионов,

3) при передаче энергии от возбужденных молекул матрицы (или растворителя) молекулам добавки (или растворенного вещества)

4) при взаимодействии молекул добавки или растворенного вещества с электронами недовозбуждения..

Ионы. В радиационной химии важную роль играют процессы ионизации. Как правило, на них расходуется более половины энергии ионизирующего излучения, поглощенной веществом.

К настоящему времени преимущественно с помощью методов фотоэлектронной спектроскопии и масс-спектрометрии накоплен обширный материал об особенностях процессов ионизации, об электронной структуре положительных ионов, их устойчивости, путях исчезновения и т. п.

В процессе ионизации образуются положительные ионы. Различают прямую ионизацию и автоионизацию. Прямая ионизация изображается следующим общим уравнением (М – молекула облучаемого вещества):

Ионы М + обычно называют материнскими положительными ионами. К их числу принадлежат, например, Н 2 0 + , NH 3 и СН 3 ОН + , возникающие при радиолизе соответственно воды, аммиака и метанола.

Электроны . Как уже упоминалось, в процессах ионизации вместе с положительными ионами образуются вторичные электроны. Эти электроны, израсходовав свою энергию в различных процессах (ионизация, возбуждение, дипольная релаксация, возбуждение молекулярных колебаний и др.), становятся термализованными. Последние принимают участие в разнообразных химических и физико-химических процессах, тип которых часто зависит от природы среды. Подчеркнем также, что в некоторых химических и физико-химических процессах (возбуждение молекул добавки, реакции захвата и др.) при определенных условиях участвуют электроны недовозбуждения.

Сольватированные электроны. В жидкостях, нереакционноспособных или малореакционноспособных относительно электронов (вода, спирты, аммиак, амины, эфиры, углеводороды и др.), электроны после замедления захватываются средой, становясь сольватированными (в воде – гидратированными). Не исключено, что захват начинается, когда электрон еще обладает некоторой избыточной энергией (менее 1 эВ). Процессы сольватации зависят от природы растворителя и заметно различаются, например, для полярных и неполярных жидкостей.

Свободные радикалы. При радиолизе почти любой системы в качестве промежуточных продуктов возникают свободные радикалы. К ним относятся атомы, молекулы и ионы, которые имеют один или более неспаренных электронов, способных образовывать химические связи.

Наличие неспаренного электрона обычно указывается точкой в химической формуле свободного радикала (чаще всего над атомом с таким электроном). Например, метильный свободный радикал – это СН 3 - Точки, как правило, не ставятся в случае простых свободных радикалов (Н, С1, ОН и т. п.). Нередко слово «свободный» опускают, и эти частицы называют просто радикалами. Радикалы, имеющие заряд, называются ион-радикалами. Если заряд отрицательный, то это анион-радикал; если же заряд положительный, то это катион-радикал. Очевидно, сольватированный электрон можно считать простейшим анион-радикалом.

При радиолизе предшественниками свободных радикалов являются ионы и возбужденные молекулы. При этом главные процессы, приводящие к их образованию, следующие:

1) ионно-молекулярные реакции с участием ион-радикалов и электронейтральных молекул

2) фрагментация положительного ион-радикала с образованием свободного радикала и иона с четным числом спаренных электронов

3) простое или диссоциативное присоединение электрона к электронейтральной молекуле или иону со спаренными электронами;

4) распад возбужденной молекулы на два свободных радикала (реакции типа);

5) реакции возбужденных частиц с другими молекулами (например, реакции с переносом заряда или атома водорода).

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.

Открытия радиоактивности подтвердило сложность строения не только атомов, а и их ядер. В 1903 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди предложили теорию радиоактивного распада, которая коренным образом изменила старые взгляды на строение атомов. В соответствии с этой теорией, радиоактивные элементы самочинно распадаются с выпусканием α- или β-частинок и образованием атомов новых элементов, химически отличных от исходных. При этом сохраняется стабильность массы как исходных атомов, так и тех, которые образовались вследствие хода процесса распада. Э. Резерфорд в 1919 г. впервые исследовало искусственное преобразование ядер. Во время бомбардировки атомов азота с α-частинками он выделил ядра атомов водорода (протоны) и атомы нуклида кислорода. Такие преобразования называют ядерными реакциями, поскольку из ядер атомов одного элемента получаются ядра атомов других элементов. Ядерные реакции записывают с помощью уравнений. Так, рассмотренную выше ядерную реакцию можно записать так:

Определения явления радиоактивности можно дать, использовав понятие об изотопах: радиоактивностью называется преобразование нестойких ядер атомов одного химического элемента на ядра атомов другого элемента, которое сопровождается выпусканием элементарных частичек. Радиоактивность, которую проявляют изотопы элементов, которые существуют в природе, называется естественной радиоактивностью. Скорость радиоактивных преобразований разная для разных изотопов. Она характеризуется постоянной радиоактивного распада, которая показывает, сколько атомов радиоактивного нуклида распадается за 1 с. Установлено, что количество атомов радиоактивного нуклида, которое распадается за единицу времени, пропорциональная общему количеству атомов этого нуклида и зависит от величины постоянной радиоактивного распада. Например, если на протяжении некоторого периода распалась половина общего количества атомов радиоактивного нуклида, то в следующий такой самый период распадется половина остатка, то есть вдвое меньше, чем за предыдущий период, и т.д.

Продолжительность жизни радиоактивного нуклида характеризуют периодом полураспада, то есть таким промежутком времени, на протяжении которого распадается половина начального количества этого нуклида. Например, период полураспада Радона составляет 3,85 суток, Радия - 1620 лет, Урана - 4,5 миллиарда лет. Известные такие типы радиоактивных преобразований: α-распад, β-распад, спонтанный (самочинный) деление ядер. Эти типы радиоактивных преобразований сопровождаются выпусканием α-частичек, электронов, позитронов, γ-луч. В процессе α-распада ядро атома радиоактивного элемента выпускает ядро атома Гелия, вследствие чего заряд ядра атома исходного радиоактивного элемента уменьшается на две единицы, а массовое число - на четырех. Например, преобразования атома Радия на атом Радона можно записать уравнением

Ядерную реакцию β-распада, который сопровождается выпусканием электронов, позитронов или увлечением орбитальных электронов, также можно записать уравнением

где е - -электрон; hν - квант γ-излучения; ν o - антинейтрино (элементарная частичка, масса покоя которой и заряд равняются нулю).

Возможность β-распада связана с тем, что, в соответствии с современными представлениями, нейтрон может превращаться при определенных условиях на протон, выпуская при этом электрон и антинейтрино. Протон и нейтрон - два состояния одной и той самой ядерной частички - нуклона. Этот процесс можно изобразить схемой

Нейтрон -> Протон + Электрон + Антинейтрино

В процессе β-распада атомов радиоактивного элемента один из нейтронов, который входит в состав ядра атома, выпускает электрон и антинейтрино, превращаясь на протон. В этом случае положительный заряд ядра увеличивается на единицу. Такой вид радиоактивного распада называется электронным - распадом (β - -распадом). Итак, если ядро атома радиоактивного элемента выпускает одну α-частицу, получается ядро атома нового элемента с протонным числом на две единицы меньшим, а при выпускании β-частички - ядро нового атома с протонным числом на единицу большим, чем у исходного. В этом и состоит суть закона смещения Содди-Фаянса. Ядра атомов некоторых нестабильных изотопов могут выпускать частички, которые имеют положительный заряд +1 и массу, близкую к массе электрона. Эта частичка называется позитроном. Итак, возможное преобразование протона на нейтрон согласно с схемой:

Протон → Нейтрон + Позитрон + Нейтрино

Преобразования протона на нейтрон наблюдается лишь в том случае, когда нестабильность ядра вызванная избыточным содержимым в нем протонов. Тогда один из протонов превращается в нейтрон, а позитрон и нейтрино, которые возникают при этом, вылетают за границы ядра; заряд ядра уменьшается на единицу. Такой тип радиоактивного распада называется позитронным -распадом (β+-распадом). Итак, вследствие β-розпаду ядра атома радиоактивного элемента получается атома элемента, смещенного на одно место вправо (β-розпад) или влево (β+-распад) от исходного радиоактивного элемента. Уменьшения заряда ядра радиоактивного атома на единицу может быть вызвано не только β+-распадом, а и электронным увлечением, вследствие чего один из электронов ближайшего к ядру электронного шара захватывается ядром. Этот электрон с одним из протонов ядра образовывает нейтрон: е - + р → n

Теорию строения ядра атома разработали в 30-х годах XX ст. украинские ученые Д.Д. Иваненко и Е.М. Гапон, а также немецкий ученый В. Гейзенберг. В соответствии с этой теорией, ядра атомов состоят из положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Относительные массы этих элементарных частичек почти одинаковые (масса протона 1,00728, масса нейтрона - 1,00866). Протоны и нейтроны (нуклоны) содержатся в ядре очень крепкими ядерными силами. Ядерные силы действуют только на очень маленьких расстояниях - порядка 10 -15 м.

Энергия, которая выделяется во время образования ядра из протонов и нейтронов, называется энергией связи ядра и характеризует ее стабильность.