Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
himia-str-atoma.doc
Скачиваний:
6
Добавлен:
22.08.2019
Размер:
142.34 Кб
Скачать

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей и неорганической химии

С Т Р О Е Н И Е А Т О М А

Методические указания к практическим занятиям

по теме «Строение атома»

для студентов химических и нехимических специальностей

дневных, вечерних и заочных факультетов

Нижний Новгород 1997

Составители: Л.А. Смирнова, Г.Ф. Володин, В.В. Бояркина

УДК 54(07)

Строение атома: Метод. указания к практическим занятиям / НГТУ;

Сост.: Л.А. Смирнова и др. Н.Новгород, 1997, 17 с.

Предложены вопросы, задачи и примеры решения типовых задач.

Научный редактор Ю.М. Тюрин

Редактор И.И. Морозова

Подп. к печ. 17.09.97. Формат 60х84 1/16. Печать офсетная.

Печ. л. 1,25. Уч-изд. л. 1,0. Тираж 1000 экз. Заказ 349.

Нижегородский Государственный Технический Университет

Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул. Минина, 24

© Нижегородский Государственный Технический Университет, 1997

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ,

НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1. Масса покоя электрона m = 9,109.10-28 г = 9,109.10-31 кг.

2. Заряд электрона е = 1,6022.10-19 Кл.

3. Фотон = 3,01.10-19 Дж.

4. Постоянная Планка h = 6,626.10-34 Дж*с

5. Скорость света с = 2,997925.108 м/с.

6. Константа Ридберга R = 3,28.1015 с-1, с учетом волнового числа R = 1,1.107 м-1

7. Дипольный момент ID (Дебай) = 3,33.10-30 Кл*м.

8. 1 Э-В = 1,6022.10-19 Дж = 96486 Дж/моль.

9. 1 Å (ангстрем) = 10-8 см = 10-10 м = 0,1 нм.

ВОПРОСЫ

1. В чем заключается принципиальные различия между моделью атома Бора и квантовомеханической моделью атома?

2. Как изменяется полная энергия электрона в атоме по мере удаления его от ядра?

3. В чей заключается соотношение неопределенностей Гейзенберга?

4. Какое уравнение отражает взаимосвязь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона?

5. Что определяют радиальная и угловая составляющие волно­вой функции?

6. Каков физический смысл квадрата волновой функции (Ψ2) в заданной точке пространства?

7. Характеризуется ля движение электрона в атоме определен­ной траекторией?

8. Может ли возбужденный атом испускать фотоны любой частоты?

9. Дайте определение понятий электронного облака и атомной орбитали (АО).

10. Что называется узловой поверхностью волновой функции?

11. Сколько узловых поверхностей волновой функции проходит через ядро при значении орбитального квантового числа l, рав­ного 0; 1; 2; 3?

12. Чему равно число узловых поверхностей орбиталей, если главное квантовой число равно а)1; б) 2; в) 3 ?

13. Какими квантовыми числами описывается состояние элект­рона в атоме? Что характеризует каждое квантовое число в какие значения они могут принимать?

14. Что называется электронным подуровнем? Чему равно мак­симальное число электронов на S-, р-, d- и f - подуров­не? Чем отличаются электроны разных подуровней данного энерге­тического уровня?

15. Что такое атомная орбиталь? Какими квантовыми числами она характеризуется?

16. Что характеризует орбитальное квантовое число l ? Какую симметрия имеют АО при l = 0 ? Сколько разрешенных по­ложений в пространстве имеют такие АО?

17. Как изменяется энергия электронов одного и того же квантового слоя с увеличением орбитального квантового числа l ?

18. Сколько s- , р- , d- и f - орбиталей может быть в различных электронных слоях атомов?

19. Какие состояния электрона называйся вырожденными?

20. Каков характер распределения электронной плотности в s-, р- и d- состояниях? Что называется граничной поверхностью атомной орбитали (АО)?

21. В чем заключается принцип Паули?

22. Как формулируется правило Гунда?

23. Пользуясь принципом Паули, найдите максимальное число электронов, находящихся на первом, втором, третьем и четвертом энергетическом уровне атома.

24. Какими квантовыми числами отличаются электроны, нахо­дящиеся на одной орбитам?

25. Возможно ля наличие одинакового количества электронов на внешнем квантовом слое для элементов одного периода?

26. В атомах каких элементов начинают формироваться 3d, 4d , 4f, 5d, 5f и 6d подуровни?

27. Какое состояние атома называется нормальным, или основным? Какое состояние атома называется возбужденным? Какими способами можно перевести атом в возбужденнее состояние?

28. О чем говорит номер периода и номер группы о точки зрения теории строения атома?

29. Какие значения может иметь орбитальное квантовое чис­ло l при значении главного квантового числа n = 3 ?

30. Какими квантовыми числами могут отличаться электроны на одном энергетической подуровне; одной орбитали?

31. Укажите максимально допустимое число электронов на р- и d- подуровнях, а также симметрию р- и d - орбиталей.

32. Сколько значений магнитного квантового числа возможно для электронов энергетического подуровня, орбитальное квантовое число которого l = 2; l = 3?

33. Какое максимальное число электронов может содержать атом в квантовом слое с главным квантовым числом n = 3; n= 4?

34. Укажите максимально возможное значение суммарного спина электронов на d -подуровне.

35. АО характеризуются следующими квантовыми числами;

1. n = 1; l = 0; m = 0.

2. n = 2; l = 0; m = 0.

3. n = 2; l = 1; m = 0.

Нарисуйте граничные поверхности этих АО. Чем они отличаются друг от друга?

36. Нарисуйте граничные поверхности АО:

а) 2px, 2py, 2pz;

б) 2px, 3px, 4px;

в) 2s, 2px.

Какими квантовыми числами отличаются эта АО? Какие квантовые числа у них одинаковые?

37. Чем отличаются АО многоэлектронного атома в пределах

а) уровня;

б) подуровня?

Разберите на конкретных примерах.

38. Между какими энергетическими подуровня одного и того же атома разница в энергии больше:

а) 1s и 2s или 2s и 3s;

б) 2p и 3p или 3p и 4p ?

39. Что называется электронной структурой атома?

40. Какие из электронов s, p, d и f могут нахо­диться на внешней оболочке атома?

41. Может ли быть на внешнем квантовом слое больше 8 элект­ронов?

42. Существует ли связь между числом валентных электронов и положением элементов в периодической системе?

43. Чему равен суммарный спин в синглетном и триплетном состоянии атома?

44. Как изменяется разница в энергиях s- и р- подуров­ней одного и того же квантового уровня с увеличением числа элект­ронов на этих подуровнях?

45. Какие электроны атома называются валентными? Где распо­ложены валентные электроны атомов элементов s-, p-, d-, f - семейств?

46. По какому признаку элементы периодической системы де­лятся на s-, p-, d- и f - семейства?

47. Как объяснить с точки зрения теории строения атома при­чину периодичности свойств химических элементов?

48. Какова современная формулировка периодического закона?

49. По какому признаку элементы данной группы подразделя­ются на главную и побочную подгруппы?

50. Как изменяются свойства элементов в периоде, в подгруппе с увеличением порядкового номера элемента? Как можно объяс­нять эти изменения с точки зрения строения атома?

51. Что такое проскок электрона?

52. Почему в основном состоянии хром и молибден обладают электронными конфигурациями

nd5(n+1)s1, а не nd4(n+1)s2?

53. Как изменяется радиус атома с увеличением порядкового номера элемента по периоду и по подгруппе?

54. Какие элементы называются полными электронными аналога­ми и какие - неполными электронными аналогами?

55. Почему степень окисления элемента не может превышать номера его группы в периодической системе (за исключением Сu, Аg, Au) ?

56. Чем обусловлено сходство и различие элементов одной под группы?

57. Какие периоды состоят, только из элементов главных под­групп?

58. Какие периоды состоят только из элементов, проявляющих металлические свойства?

59.Чем обусловлена склонность элементов побочных подгрупп к различным степеням окисления?

60. Чем объяснить близость f - элементов по своим химическим свойствам?

61. Что называется энергией ионизации и сродством к электрону?

62. Как изменяется энергия ионизации и сродство к электрону для элементов одного периода с увеличением порядкового номе­ра элементов? Какие закономерности в изменении энергий иониза­ции и сродство к электрону будут наблюдаться для элементов од­ной группы?

63. Какие элементы соответствуют максимумам и минимумам на кривой зависимости первых ионизационных потенциалов от порядко­вого номера элементов?

64. Почему величины первых ионизационных потенциалов явля­ются наиболее низкими?

65. Что называется электроотрицательностью (ЭО) элемента?

66. Как изменяются ЭО элементов в периодической системе (в периодах и в главных подгруппах)?

67. Сохраняется ли неизменной величина ЭО элемента при пе­реходе его из одного соединения в другое?

68. В чем заключаемся эффект экранирования ядра электро­нами?

69. На основании размера атомов, энергии ионизации в электроотрицательности объясните ослабление металлических и усиление неметаллических свойств в ряду элементов второго периода с увеличением порядкового номера элементов.

70. Объясните, почему в I ж II группах периодической систе­ма металлические свойства в большая степени характерны для эле­ментов главных подгрупп, а в других группах - для элементов по­бочных подгрупп.

Решение типовых задач

ПРИМЕР 1. Напишите электронные формулы элементов с поряд­ковыми номерами 32 и 43. По электронное формуле определите:

1) место элементов в периодической системе: группу, подгруппу, период;

2) распределение валентных электронов по атомным орбиталям в нормальном и возбужденном состоянии, высшую степень окисле­ния этих элементов;

3) формулу их высших соединений с кислородом и указать их ха­рактер;

4) каков из этих элементов образует газообразное соединение с водородом и какова формула этого соединения?

РЕШЕНИЕ. Порядковый номер элемента соответствует заряду ядра его атома и, следовательно, количеству электронов в атоме. Зная порядок заполнения атомных орбиталей и максимальную ем­кость каждого квантового подуровня, можем записать электронную формулу элемента с порядковым номером 32 следующим образом:

1s22s22p63s23p63d104s24p2

Внешним у этого элемента является четвертый квантовый уровень, поэтому он расположен в 4 периоде. Количество электронов на внешнем квантовом уровне равно 4, значит, он находится в четвер­той группе, и так как это р -элемент, - в главной подгруппе.

Распределение валентных электронов по атомным орбиталям в нормальном; и возбужденном состоянии следующее:

4s 4p 4s 4p

↑↓


Высшая положительная степень окисления этого элемента равна +4, и высшая отрицательная степень окисления -4. Его высшее соеди­нение с кислородом имеет формулу ЭО2(GeO2) и обладает амфо-терными свойствами. С водородом дает газообразное соединение состава GeH4.

Элемент с порядковым номером 43 имеет электронную формулу

1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s2

Внешним у него является пятый квантовый уровень, поэтому он рас­положен в 5 периоде, в 7 группе, так как сумма электронов на внешнем 5s подуровне и незавершенном 4d подуровне равна 7, и так как это d- элемент в побочной подгруппе.

Распределение валентных электронов по атомным орбиталям следующее:

Нормальное состояние возбужденное состояние

↑↓

4d 5s 4d 5s 5p


Максимальная положительная степень окисления этого элемен­та +7. Его высшее соединение с кислородом имеет формулу Э2О7? (Тс2О7,).

ПРИМЕР 2. Электрон в атоме водорода находится в возбужден­ном состояний, характеризуемом значением главного квантового числа n = 4. Какова длина волны в энергия кванта, испускае­мого при возвращении атома в нормальное состояние?

РЕШЕНИЕ. Если атомы водорода из возбужденного состояния, характеризуемого значением главного квантового числа n = 4, переходит в нормальное состояние c n = 1, энергия испускаемо­го кванта.

где Дж (1312 кДж/моль),

т.е. Дж.

Частота колебания ( ) данного кванта

,

где h = 6,63.10-34 Дж*с

т.е .

Длина волны ( ) определяется по формуле ,

так как с = 3.108 м/с,

м, или 102 нм

З А Д А Ч И

1. Длина волны излучения, соответствующего некоторой ли­нии в спектре атома металла, равна 0,128 нм. Какова частота и энергия излучения? (υ = 2,34.1018 с-1, Е = 1,55.10-15 Дж)

2. Атом водорода находится в возбужденном состоянии, кото­рое характеризуется значением главного квантового числа n = 3. Какова длина волны и анергия кванта, испускаемого при возвращении атома в нормальное состояние?

3. Частота колебания светового кванта атома водорода равна 6,17.1014 Гц. Между какими энергетическими уровнями совершается переход электрона?

4. Рассчитайте длины волн и энергию излучения, соответствующие первым четырем линиям серии Бальмера. Какова закономер­ность наблюдается для величин анергии?

5. Длина волны излучения в ультрафиолетовой области спект­ра атома водорода равна 95 нм. Между какими энергетическими уровнями происходит переход электрона при излучении кванта дан­ной дона волны?

6. Длина волны одной из линий серии Лаймана 121,6 нм. Меж­ду какими энергетическими уровнями происходит переход электрона при излучении кванта данной длины волны?

7. Рассчитайте длину волны де Бройля для электрона в атоме водорода, находящемся в нормальном состояния.

8. Какие из линий серии Вальмера попадают в видимую часть спектра (от 400 до 700 нм)?

9. Рассчитайте в эв пять первых энергетических уровней атома водорода и изобразите их в масштабе на графике.

10. Вычислите потенциал ионизации атома водорода.

11. Какое количество энергии несет квант света с длиной волны 700 нм?

12. Энергии ионизация Н, Не, Li соответственно равны 13,60, 24,58 и 5,39 эВ. Как эти значения связаны с химическими свойствами перечисленных элементов?

13. Какая длина волны соответствует телу о массой в 1 г, летящему со скоростью 100 м/с?

14. Какова длина волны де Бройля для электрона, движущего­ся со скоростью света?

15. Какова длина волны электрона, если его кинетическая энергия равна 13,6 эВ?

16. С каков скоростью должны двигаться электрон, нейтрон и частица с массой в I г, чтобы соответствующая им длина волны де Бройля составляла по 1 нм?

17. Как изменится длина волны де Бройля при переходе электрона в атоме водорода со второго энергетического уровня на первый?

18. Составьте электронные формулы элементов с порядковыми номерами:

1) 12, 26, 34, 93 8) 16, 23, 58, 37 15) 4, 27, 49, 69

2) 19, 35, 43, 67 9) 14, 40, 56, 66 16) 13, 45, 55, 70

3) 15, 37, 42, 102 10) 22, 50, 63,11 17) 37, 43, 31, 90

4) 17, 24, З8, 59 11) 21, 33, 64, 56 18) 11, 84, 44, 95

5) 20, 25, 52, 60 12) 23, 51, 55, 100 19) 20, 53, 72, 68

6) 11, 34, 57, 91 13) 32, 48, 87, 65 20) 3, 73, 19, 98

7) 23, 51, 55, 96 14) 39, 83, 88, 61 21) 12, 41, 81, 62

На основании электронных формул укажите:

а) место элемента в периодической системе (период, группу, под­группу);

б) распределение валентных электронов по АО в суммарный спин атома.

19. На основания структуры валентных электронов атомов:

1) …3s1 12) …3d104s1

2) ... 3s2Зр6 13) ... 4s2

3) ... 3d74s2 14) ... 5d16s2

4) ... 3d104s2 15) ... 4f66s2

5) ... 4s24p3 16) ... 5f66d17s2

6) ... 4f75d16s2 17) ... 3d24s2

7) ... 4d15s2 18) ... 4d65s2

8) ... 5s25p4

9) ... 4d105s2

10) ... 4f36s2

11) ... 4d85s1

определите

а) место элемента в периодической системе (период, группу, подгруппу) ;

б) к металлам или неметаллам относится данный элемент;

в) воздохни ли для данного элемента отрицательная степень окис­ления;

г) принадлежность данного элемента к семейству элементов в периодической системе;

д) кислотными, основными или шестерными свойствами обладают гидроксиды данных элементов в максимальной для них степени окисления.

20. Напишите электронные формулы элементов, находящихся в

1) 3 периоде, VI группе; побочной подгруппе;

2) 4 периоде, V груше, главной подгруппе;

3) 4 периоде, V группе, побочной подгруппе;

4) 5 периоде, VIII группе, побочной подгруппе;

5) 5 периоде, II группе, побочной подгруппе;

6) 6 периоде, III группе, главной подгруппе;

7) 6 периоде, I группе, побочной подгруппе;

8) 6 периоде, VIII группе, главной подгруппе;

9) в 3 периоде, V груше, основной подгруппе;

10) в 4 периоде, VI группе, побочной подгруппе;

11) в 4 периоде, VI группе, главной подгруппе;

12) в 6 периоде, III груше, побочной подгруппе;

13) в 5 периоде, V груше, основной подгруппе;

14) в 6 периоде, II группе, основной подгруппе;

15) в 6 периоде, 4 группе, основной подгруппе.

а) Распределите валентные электроны этих элементов до атомным орбиталям в основном и возбужденном состояниях;

б) Напишите электронные формулы ионов.

21. Опишите электроны, состояние которых характеризуется следующими квантовали числами:

n l m

а) 3 0 0

6) 3 1 1

в) 3 2 1

Какие орбитали соответствуют этим электронам ?

22. Какие значения имеют квантовые числа, характеризующие валентные электроны в атомах элементов с порядковыми номерами:

1) 18; 25 6) 7; 37 11) 48; 50

2) 33; 42 7) 12; 22 12) 24; 38

3) 20; 51 8) 19; 64 13) 56; 90

4) 49; 74 9) 16; 96 14) 15; 52

5) 14; 41 10) 28; 32 15) 11; 83

23. Укажите значения квантовых чисел для электронов, находящихся на валентных орбиталях атомов C, Mn, Sb.

24. Распределите по АО и охарактеризуйте квантовыми числами валентные электроны: а) 4s24p2, б) 3s23p3, в) 3d54s2.

25. Напишите электронные формулы для следующих ионов:

а) Fe3+, Co2+, Ag+;

6) Au3+, Au+, S2-;

в) F-, O2-, Cr3+;

г) V2+, Mn2+;

д) Ne+, U2+;

е) Cr2+, Cl-, Ba2+;

ж) Cr3+, As3+, S2-;

з) Zn2+, Ga3+, Br-.

26. Напишите электронные формулы ионов а) Li+, Ca2+, Cu+ б) Zn2+, Sb3+, Mn2+ в) Sn2+, Fe3+, Se2-. Какие из перечисленных ионов наиболее устойчивы? Выпишите ионы с изоэлектронной структурой и со структурой инертного газа.

27. Напишите электронные формулы следующих частиц и укажи­те, какие из них являются изоэлектронными: а) S2-, Cd2+, Zr2+; б) Se+, Ne, Pd2+; в) Sr-, Al3+, Te2-.

28. Кобальт образует ион Co2+ и реже Со3+. Ни­кель образует ион Ni2+, но ион Ni3+ неустойчив. Как это объяснять?

29. Наплоите электронные формулы двух элементов. На осно­вании формул укажите сходство и различие в свойствах этих элементов. Дайте формулы их высших кислородных соединений и укажите их характер. Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом и какую формулу имеет это соединение?

Порядковые номера этих элементов: а) 25 и 35; б) 24 и 34; б) 43 я 53; г) 42 к 52; д) 23 и 33; е) 41 и 51.

30. Первый потенциал ионизации инертных газов характери­зуется следующими величинами:

потенциал в He Ne Ar Kr Xe Rn

24,6 21,6 25,8 14,0 12,1 10,7

Объясните уменьшение потенциала ионизации с увеличением порядкового номера?

31. Почему втором периоде первый ионизационный потен­циал возрастав неравномерно:

атом Li Be B C N O F Ne

I эВ 5.4 9,3 8,3 11,3 14,5 13,6 17,4 21,6

32. Расположите в ряд по убывавшим значениям величин ЭО следующие элементы: S, Cl, P, Mg, Al, K, As, Si, B, N.

33. В каком ряду изменение энергии ионизации происходит в большей степени:

Li – Be – B – C – N – O – F – Ne,

Li – Na – K – Rb – Cs ?

34. Как изменяется радиус в ряду ионов

а) Na+ - Mg2+ - Al3+ - Si4+,

б) S2- - Cl- - K+ - Ca2+,

в) O2- - S2- - Se2- - Te2-,

г) O2- - F- - Na+ - Mg2+,

д) V2+ - Cr2+ - Mn2+ - Fe2+ - Co2+ ?

35. Какая орбиталь более сжата:

а) 1 s орбиталь С или F,

б) 3 s орбиталь Р или Sb ?

36. Какая орбиталь имеет большие размеры:

а) 1s орбиталь С или F,

б) 2 р- орбиталь Ве иди О,

в) 1s - орбиталь В или Сu,

г) 2s - орбитяль Вe или Sr,

д) 3s - орбиталь Р или Sb?

37. Объясните, почему:

1) оторвать первый электрон от Li легче, чем от Ве, т.е. I1(Li) < I1(Be), а второй легче оторвать от Ве, чем от Li, I2(Li) > I2(Be)

2) I1(B) меньше, чем I1(Be) и I1(C);

3) I1(O) < I1(N), a I2(O) > I2(N);

4) I1(C) и I2(C) меньше, чем I1 и I2(N), а I3(C) = I3(N);

5) I1(B) < I1(C), a I2(B) > I2(C);

6) I1(Mg) > I1(Al), a I2(Mg) < I2(Al);

7) I1(Al) < I1(Si), a I2(Al) > I2(Si)

8) I1(Na) < I1(Mg), a I2(Na) > I2(Mg)

9) I1(O) > I1(Na), a I2 и I3(O) меньше, чем I2 и I3(Na);

10) I1(Na) < I1(Ne), a I2(Na) > I2(Ne);

11) I1 и I2(Mg) меньше, чем I1 и I2(Na), a I3(Mg) > I3(Na);

12) I2 и I3(Al) меньше, чем I2 и I3(Na), a I1(Al) > I1(Na);

13) I1 и I2(P) больше, чем I1 и I2(Si), a I3(P) < I3(Si);

14) I1(F) > I1(Na), a I2(F) < I2(Na);

15) I1(Ar) > I1(K), a I2(Ar) < I2(K).

38. Какой элемент обладает большим сродством к электрону, энергией ионизации и электроотрицательностью:

1) Be или B, 6) C или N, 11) Cl или Ar,

2) Mg или Al, 7) Si или P, 12) Li или Na,

3) N или O, 8) S или Cl, 13) Mg или Ga,

4) F или Ne 9) Se или Br, 14) F или Cl,

5) Cl или Si, 10) Ge или As, 15) O или S.

39. Как изменяется плотность внешних электронных облаков атомов в ряду элементов:

а) B – Al – Ga – In – Tl, б) Li – Be – B – C – N – O – F.

Для какого из приведенных элементов энергия электронов на пер­вом квантовом уровне атомов меньше?

40. Для радиусов ионов щелочных и щелочноземельных металлов, а также В и Аl приводятся следующие значения:

Å*10-10 м Å Å

Li+ 0,60 Be2+ 0,1 B3+ 0,20

Na+ 0,95 Mg2+ 0,65 Al3+ 0,50

K+ 1,33 Sr2+ 1,13

Rb+ 1,48 Ba2+ 1,35

1,69

Объясните:

а) почему происходит возрастание размера иона с увеличением порядкового номера сверху вниз по подгруппе?

б) почему происходит уменьшение размера иона с увеличением по­рядкового номера в периоде?

41. Значения атомных и ионных радиусов элементов IV группы и Th

Ti Zr Hf Th

атомный радиус, нм 0,147 0,160 0,159 0,180

ионный радиус (М4+), нм 0,068 0,074 0,075 0,096

а) как объяснить близость величин атомных и ионных радиусов циркония и гафния?

б) почему торий причисляется к семейству актинидов?

Какую электронную конфигурацию имеет торий в основном сос­тоянии?

42. Ниже приведены значения потенциалов ионизации кальция и переходных металлов первого переходного периода.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]