Materiały dydaktyczne na zajęcia wyrównawcze z chemii dla studentów pierwszego roku kierunku zamawianego Inżynieria Środowiska w ramach projektu Era inżyniera pewna lokata na przyszłość Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak
Budowa atomu, układ okresowy pierwiastków a konfiguracja elektronowa atomów. Atom: dodatnio naładowane jądro (nukleony = protony + neutrony) i krążące wokół jądra elektrony. Nazwa cząstki Masa [g] Masa [u] Symbol proton 1,6726 10-24 1,00728 p neutron 1,6749 10-24 1,00867 n elektron 0,91096 10-27 1/1836 e Atom w układzie okresowym opisany jest dwoma liczbami: liczbą atomową (Z) i liczbą masową (A): A Z E Z = liczba atomowa = liczba protonów = liczba elektronów w atomie; A = liczba masowa = liczba nukleonów; A-Z = liczba neutronów Przykład: 16 8O Atom tlenu zawierający: 8 protonów, 8 elektronów i 16-8=8 neutronów. Atomy tego samego pierwiastka mogą różnić się ilością neutronów w jądrze, czyli masą atomową. Posiadają taką samą liczbę protonów. Nazywane są izotopami. Przykład: każdy z izotopów wodoru zawiera po jednym protonie (Z) a różnią się zawartością neutronów (A-Z). 1 - Wodór H składa się z protonu i elektronu, 1 - Deuter 2 H ( ) składa się z protonu, elektronu i zawiera neutron, 2 1 1D 3 - Tryt H ( ) składa się z protonu, elektronu i dwóch neutronów. 3 1 1T Zadanie: Podaj liczbę protonów, elektronów i neutronów w podanych izotopach żelaza: 56 58 35 37 Fe i oraz chloru: i 26 26 Fe 17Cl 17Cl Elektrony w atomie Elektrony mogą poruszać się w pewnych przestrzeniach wokół jądra nazywanych powłokami: powłoka elektronowa to zespół elektronów o zbliżonych energiach,
maksymalnie w atomie może być siedem powłok elektronowych. powłok elektronowych jest równa numerowi okresu, do którego należy dany pierwiastek. Powłoki oznaczane są numerami (n) lub symbolami literowymi: powłoka n 1 2 3 4 5 6 7 symbol literowy powłoki K L M N O P Q Maksymalna liczba elektronów w powłoce określana jest wyrażeniem 2n 2, więc: wartość n 1 2 3 4 5 6 7 symbol literowy powłoki K L M N O P Q max. liczba elektronów 2 8 18 32 50 72 98 Elektrony zewnętrznej powłoki elektronowej to elektrony walencyjne. elektronów walencyjnych: równa jest numerowi grupy głównej (grupy 1 i 2) lub numerowi grupy głównej pomniejszonej o 10 dla pierwiastków z grup głównych, wynosi najczęściej 2 dla pierwiastków z grup pobocznych (wyjątek: chromowce i miedziowce 1 elektron ). Liczby kwantowe Określonemu stanowi energetycznemu elektronu w atomie odpowiada zespół liczb kwantowych: główna liczba kwantowa n określa ogólny stan energetyczny elektronu w atomie, przyjmuje wartości: n = 1, 2, 3, 4, którym odpowiadają symbole literowe: K, L, M, N, elektrony o identycznej wartości n tworzą tę samą powłokę. poboczna (orbitalna) liczba kwantowa l precyzuje dokładniej stan energetyczny elektronu na danym poziomie energetycznym i wyznacza kształt orbitali atomowych, może przyjmować wartości całkowite od zera do (n - 1): poboczna liczba kwantowa [l] 0 1 2 3 4 5 symbol podpowłoki s p d f g h max. liczba elektronów 2 6 10 14 18 22 określa podpoziomy energetyczne (podpowłoki) w ramach powłoki, elektrony mające tę samą wartość n i l tworzą podpowłokę. magnetyczna liczba kwantowa m - określa wzajemną orientację orbitali w przestrzeni, i jedocześnie ilość orbitali na danym podpoziomie, przyjmuje wartości: -l, 0, +l. dwa elektrony o takich samych n, l, m obsadzają ten sam orbital.
magnetyczna spinowa liczba kwantowa m s charakteryzuje różnice w stanach energetycznych elektronu związane z jego spinem; przyjmuje tylko dwie wartości: - ½ lub + ½. Zamiast wartości + ½ i - ½ orientację oznacza się również strzałkami i, na każdym orbitalu elektronowym mogą znajdować się dwa elektrony różniące się między sobą liczbą spinową, decyduje o możliwości łączenia się elektronów w pary (dublet elektronowy). Zakaz Pauliego W danym atomie nie mogą znajdować się dwa elektrony mające te same wartości wszystkich czterech liczb kwantowych, muszą różnić się co najmniej jedną liczbą kwantową. Wynika z tego, że dwa elektrony zajmujące ten sam orbital tzn. o identycznych wartościach n, l, m muszą różnić się spinem, ponieważ m s może przybierać tylko 2 wartości, to orbital może opisywać najwyżej dwa elektrony. Zakaz Pauliego zabrania obecności dwóch elektronów o tych samych spinach na jednym i tym samym orbitalu: źle: poprawnie: Reguła Hunda Podczas zapełniania orbitali typu p, d lub f orbitale o tej samej energii obsadza się kolejno elektronami w ten sposób, by dopóki to możliwe, na każdy orbital przypadał 1 elektron niesparowany, Pary elektronowe powstają dopiero wtedy, gdy wszystkie orbitale danej podpowłoki zostaną zapełnione przez elektrony niesparowane, Elektrony niesparowane danej podpowłoki posiadają jednakową orientację spinu. Zasada rozbudowy Orbitale można opisać za pomocą odpowiednich symboli. Ogólny zapis orbitalowy można przedstawić wzorem: nl x gdzie: n główna liczba kwantowa, l - poboczna liczba kwantowa wyrażona symbolem typu orbitalu (s, p, d,...), x ilość elektronów znajdujących się na danej podpowłoce. Kolejność zapełniania poziomów energetycznych poszczególnych orbitali wg wzrastającej energii orbitalnej jest następująca: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, Graficznie zasadę tą można zobrazować w sposób podany poniżej:
Szczegółowe konfiguracje elektronowe pierwiastków przedstawiane są wg trzech sposobów: Przez określenie liczby elektronów w powłokach i podpowłokach, np. 24Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 35Br 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5 Zapis uproszczony obok rdzenia gazu szlachetnego zapisana zostaje konfiguracja elektronowa zewnętrznego poziomu energetycznego, np. 24Cr [Ar]4s 1 3d 5 35Br [Ar]4s 2 3d 10 4p 5 Dla pierwiastków o wyższych liczbach atomowych stosuje się zapis skrócony - podaje się konfigurację najbliżej położonego gazu szlachetnego poprzedzającego dany pierwiastek, np.: zamiast 12 Mg: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 stosuje się zapis 12 Mg: [ 10 Ne] 3s 2, gdzie [ 10 Ne] = 1s 2 2s 2 2p 6 Zapisem klatkowym (graficznym) informującym dodatkowo o rozmieszczeniu elektronów w poszczególnych orbitalach i liczbie elektronów, które są niesparowane np. 37 Rb 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 Układ okresowy pierwiastków Podstawę podziału współczesnego układu okresowego stanowi konfiguracja elektronowa pierwiastków, dzieląca go na bloki s, p, d, f. Blok s to pierwiastki grupy 1. i 2. oraz He. Atomy tych pierwiastków w zewnętrznej powłoce elektronowej (n) mają jedną podpowłokę (orbital) s zapełnioną jednym bądź dwoma elektronami (s 1 lub s 2 ). Blok p pierwiastki z grup 13.-18. bez He. Zewnętrzna powłoka elektronowa (n) atomów tych pierwiastków składa się z 2 podpowłok: zapełnionej podpowłoki s i podpowłoki p mającej od 1 do 6 elektronów. Blok d pierwiastki grup 3.-12. Atomy tych pierwiastków w zewnętrznej powłoce elektronowej mają jedną podpowłokę s zajętą przez 1 lub 2 elektrony. Następne elektrony uzupełniają wewnętrzną (n-1) podpowłokę d, mającej od 1 do 10 elektronów. Blok f - to lantanowce i aktynowce. Przy zapełnionych powłokach zewnętrznych w atomach tych pierwiastków, kolejne elektrony uzupełniają wewnętrzną (n-2) podpowłokę f tworząc konfigurację elektronową (od f 1 do f 14 ).
Okresy zawierają pierwiastki, których atomy mają tę samą liczbę powłok elektronowych. Grupy zawierają pierwiastki, których atomy mają identyczną konfigurację zewnętrznych powłok elektronowych. Podsumowanie Nazwa i symbol pierwiastka Nr grupy Nr okresu atomowa Z protonów elektronów Węgiel [C] 14 2 6 6 6 Krypton [Kr] 18 4 36 36 36 Glin [Al] 13 3 13 13 13 Nazwa i symbol pierwiastka Konfiguracja elektronowa powłok elektronowych elektronów walencyjnych Magnez [Mg] 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3 2 (3s 2 ) Argon [Ar] 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3 8 (3s 2 3p 6 ) Brom [Br] 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5 4 7 (4s 2 4p 5 ) Zadania 1. Podaj konfigurację elektronową: 37Rb, 13 Al 3+, 53 I -, 10 Ne 2. Pierwiastek o liczbie atomowej 32 ma: a) jeden elektron walencyjny i należy do bloku s, b) jeden elektron walencyjny i należy do bloku d, c) cztery elektrony walencyjne i należy do bloku p, d) pięć elektronów walencyjnych i należy do bloku p. 3. Konfiguracja elektronów walencyjnych pierwiastka, znajdującego się w 3 okresie i 14 grupie układu okresowego pierwiastków to: a) 4s 2 4p 1 b) 4s 2 3d 10 4p 1 c) 3s 2 3p 2 d) 3s 2 3d 10 3p 1 4. Oblicz liczbę protonów, neutronów, elektronów i nukleonów dla pierwiastka o liczbie atomowej Z = 16 i liczbie masowej A = 34. 5. Jaką liczbę atomową ma pierwiastek o konfiguracji elektronowej: a) 1s 2 2s 2 2p 3 b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6
c) 1s 2 2s 2 2p 4 6. Napisz konfigurację elektronową zewnętrznej powłoki elektronowej atomu: a) tlenu b) chloru c) krzemu 7. Przedstaw zapisem klatkowym rozmieszczenie czterech elektronów na orbitalu 3p, tak aby było ono zgodne z regułą Hunda. 8. Podaj wartości liczb kwantowych n oraz l dla orbitali: a) 2p b) 3d c) 3s d) 4f 9. Podaj wartości jakie mogą przyjmować liczby kwantowe l, m, m s, jeżeli główna liczba kwantowa n wynosi 2. 10. Na podstawie podanej konfiguracji elektronowej atomu pierwiastka określ położenie tego pierwiastka w układzie okresowym, symbol chemiczny, liczbę atomową i masową. a) 1s 2 2s 2 2p 4 b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 c) [Kr]5s 1 11. Dla atomów pierwiastków o podanych konfiguracjach elektronowych określ liczbę powłok elektronowych atomie, liczbę elektronów walencyjnych i elektronów niesparowanych, skład jadra atomu oraz ładunek jonu, który dany atom może utworzyć, dążąc do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliższego gazu szlachetnego. a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2