Електронні конфігурації атомів хімічних елементів. Атоми металів віддаючи зовнішні електрони перетворюються на

Електронні конфігурації атомів хімічних елементів

Електронна конфігурація атома -показує розподіл по енерг. рівням та підрівням.

1s 1 ←число ē з даною формою хмари

↖ форма електронної хмари

енерг.рівня

Графічні електронні формули (зображення електронної структуриатома) -

показує розподіл по енерг. рівням, підрівням та орбіталям.

І період:+1 Н

Де - ē, ↓ - ē з антипаралельними спинами, орбіталь.

При записі графічного електронної формулислід пам'ятати правило Паулі та правило Хундда « Якщо межах одного підрівня є кілька вільних орбіталей, то ē розміщуються кожен на окремій орбіталі і лише за відсутності вільних орбіталей об'єднуються в пари».

(Робота з електронними та графічними електронними формулами).

напр. H +1 1s 1; He +2 1s 2; Li +3 1s 2 2s 1; Na +11 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1; Ar +18 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6;

І період:водень та гелій - s-елементи, У них заповнюється електронами s-орбіталь.

II період: Li та Be – s-елементи

B, C, N, O, F, Ne - р-елементи

Залежно від того, який рівень атома заповнюється електронами останнім, всі елементи ділять на 4 електронних сімейства або блоки:

1) s-елементи – вони заповнюється ē-ми s-підрівень зовнішнього шару атома; до них відносяться водень, гелій та ел-ти гл.п/гр. І та ІІ груп.

2) р-елементи -у них заповнюється електронамір-підрівень зовнішнього рівня атома; до них відносять елементи гл.п/гр. III - VIII груп.

3) d-елементи -вони заповнюється електронами d-подуровень переднього рівня атома; до них належать ел-ти побоч.п/гр. . I-VIII груп, тобто. ел-ти вставних декад великих періодів, Розташовані між s-і р-елементами, їх також називають перехідними елементами.

4) f-елементи- у них заповнюється електронами f-підрівень третього зовні рівня атома; до них відносяться лантаноїди (4f-елементи) та актиноїди (5f-елементи).

У атомів міді та хрому відбувається «провал» ēз 4s- на 3d-підрівень, що пояснюється більшою енергетичною стійкістю електронних конфігурацій, що утворюються при цьому 3d 5 і 3d 10:

29 Cu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 24 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5

Експериментально доведено, що стани атомів, при яких p-, d-, f-орбіталі заповнені наполовину (p 3 , d 5 , f 7), цілком (p 6 , d 10 , f 14) або вільні, мають підвищену стійкість. Цим пояснюються переходи – «провали» - електронів між орбіталями, що розташовані поблизу. Ті ж відхилення спостерігаються у аналога хрому – молібдену, а також у елементів підгрупи міді – срібла та золота. Унікальний у цьому відношенні паладій, у атома якого 5s-електрони взагалі відсутні і який має слід. Конфігурацію: 46 Pd 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4р 6 5s 0 4d 10 .

Катіони, їх утворення з атомів внаслідок процесу окиснення. Аніони, їх утворення з атомів внаслідок процесу відновлення. Іонний зв'язок, як зв'язок між катіонами та аніонами за рахунок електростатичного тяжіння.

Хімічний зв'язок - це взаємодія атомів, що зумовлює стійкість хімічної частки чи кристала як цілого. Хімічний зв'язок утворюється за рахунок електростатичної взаємодії між зарядженими частинками: катіонами та аніонами, ядрами та електронами. При зближенні атомів починають діяти сили тяжіння між ядром одного атома та електронами іншого, а також сили відштовхування між ядрами та між електронами. На деякій відстані ці сили врівноважують одна одну, і утворюється стійка хімічна частка.

При освіті хімічного зв'язкуможе відбутися суттєве перерозподіл електронної густини атомів у поєднанні порівняно з вільними атомами. У граничному випадку це призводить до утворення заряджених частинок - іонів (від грецького "іон" - що йде).

Взаємодія іонів:

Якщо атом втрачає один або кілька електронів, то він перетворюється на позитивний іон- катіон (у перекладі з грецької - "що йде вниз). Так утворюються катіони водню Н + , літію Li + , барію Ва 2+ . Купуючи електрони, атоми перетворюються на негативні іони- Аніони (від грецького "аніон" - що йде вгору). Прикладами аніонів є фторид іон F − , сульфід-іон S 2− .

Катіони та аніони здатні притягуватися один до одного. При цьому виникає хімічний зв'язок і утворюються хімічні сполуки. Такий тип хімічного зв'язку називається іонним зв'язком:

Іонний зв'язок, як правило, виникає між атомами типових металіві типових неметалів. Характерною властивістюатомів металів і те, що вони легко віддають свої валентні електрони, тоді як атоми неметалів здатні легко їх приєднувати.

Розглянемо виникнення іонного зв'язку, наприклад, між атомами натрію та атомами хлору в хлориді натрію NaCl.

Відрив електрона від атома натрію призводить до утворення позитивно зарядженого іона - катіону натрію Na +.

Приєднання електрона до атома хлору призводить до утворення негативно зарядженого іону - аніону хлору Cl-.

Між іонами, що утворилися Na + і Cl - , що мають протилежний заряд, виникає електростатичне тяжіння, в результаті якого утворюється з'єднання - хлорид натрію з іонним типомхімічний зв'язок.

Іонний зв'язок – це хімічний зв'язок, що здійснюється за рахунок електростатичної взаємодії протилежно заряджених іонів.

Таким чином, процес утворення іонного зв'язку зводиться до переходу електронів від атомів натрію до атомів хлору з утворенням протилежно заряджених іонів, які мають електронні конфігураціїзовнішніх шарів.

Частина I

1. Атоми металів, віддаючи зовнішні електрони, перетворюються на позитивні іони:

де n – число електронів зовнішнього шару атома, що відповідає номеру групи хімічного елемента.

2. Атоми неметалів, приймаючи електрони, які відсутні до завершення зовнішнього електронного шару, перетворюються на негативні іони:

3. Між різноіменно зарядженими іонами виникає зв'язок, який називаєтьсяіонної.

4. Доповніть таблицю "Іонний зв'язок".

Частина II

1. Доповніть схеми утворення позитивно заряджених іонів. З літер, що відповідають правильним відповідям, ви складете назву одного з найдавніших природних барвників: індиго.

2. Пограйте в «хрестики-нуліки». Покажіть виграшний шлях, який складають формули речовин із іонним хімічним зв'язком.

3. Чи правильні такі твердження?

3) вірно лише Б

4. Наголосіть на парі хімічних елементів, між якими утворюється іонний хімічний зв'язок.
1) калій та кисень
3) алюміній та фтор
Складіть схеми утворення хімічного зв'язку між вибраними елементами.

5. Придумайте малюнок у стилі коміксів, що відображає процес утворення іонного хімічного зв'язку.

6. Складіть схему освіти двох хімічних сполукз іонним зв'язком за умовним записом:

Виберіть хімічні елементи «А» та «Б» з наступного списку:
кальцій, хлор, калій, кисень, азот, алюміній, магній, вуглець, бром.
Підходять для даної схеми кальцій та хлор, магній та хлор, кальцій та бром, магній та бром.

7. Напишіть невелике літературний твір(есе, новелу або вірш) про одну з речовин з іонним зв'язком, яку людина застосовує у побуті або на виробництві. Використовуйте можливості Інтернету для виконання завдання.
Хлорид натрію - речовина з іонним зв'язком, без нього немає життя, хоча, коли його багато - це теж недобре. Навіть є така народна казка, де розповідається про те, що принцеса любила свого батька короля так сильно, як сіль, за що її вигнали з королівства. Але коли король одного разу скуштував їжу без солі і зрозумів, що їсти неможливо, він тоді зрозумів, що дочка його дуже любила. Значить, сіль - є життя, але її споживання має бути в
міру. Тому що надмірне споживання солі дуже шкодить здоров'ю. Надлишок солі в організмі призводить до захворювання нирок, змінює колір шкіри, затримує зайву рідину в організмі, що призводить до набряків та навантаження на серце. Тому треба контролювати споживання солі. 0,9% розчин хлориду натрію – це фізіологічний розчин, що використовується для вливання ліків у організм. Тому дуже важко відповісти на запитання: корисна чи шкідлива сіль? Вона нам потрібна в міру.

Відомо, що все прості речовиниумовно можна поділити на прості речовини-металита прості речовини-неметали.

МЕТАЛИ, за визначенням М. У. Ломоносова - це «світлі тіла, які кувати можна». Зазвичай це ковкі блискучі матеріали, що мають високу тепло- та електропровідність. Ці фізичні та багато Хімічні властивостіметалів пов'язані зі здатністю їх атомів віддавати електрони.

НЕМЕТАЛИ, навпаки, здатні ПРИЄДНАТИ електрони в хімічних процесах. Більшість неметалів виявляють протилежні металам властивості: не блищать, не проводять електричний струм, не куються. Будучи протилежнимиза властивостями, метали та неметали легко реагують один з одним.

Ця частина Самовчителя присвячена короткому освітленнювластивостей металів та неметалів. Описуючи властивості елементів, бажано дотримуватись наступної логічної схеми:

1. Спочатку описати будову атома (вказати розподіл валентних електронів), зробити висновок про належність даного елементадо металів або неметалів, визначити його валентні стани (ступеня окиснення) – див. урок 3;

2. Потім описати властивості простої речовини, склавши рівняння реакцій

• з киснем;
• з воднем;
• з металами (для неметалів) або з неметалами (для металів);
• з водою;
• з кислотами або лугами (там, де це можливо);
• із розчинами солей;

3. Потім потрібно описати властивості найважливіших з'єднань (водневих сполук, оксидів, гідроксидів, солей) При цьому спочатку слід визначити характер (кислотний або основний) цієї сполуки, а потім, згадавши властивості сполук цього класу, скласти необхідні рівнянняреакцій;

4. І нарешті потрібно описати якісні реакціїна катіони (аніони), що містять цей елемент, способи отримання простої речовини та найважливіших сполук цього хімічного елемента, вказати практичне застосуваннядосліджуваних речовин цього елемента.

Так, якщо ви визначите, що оксид кислотний, то він реагуватиме з водою, основними оксидами, основами (див. урок 2.1) і йому відповідатиме кислотний гідроксид (кислота). При описі властивостей цієї кислоти корисно заглядати у відповідний розділ: урок 2.2.

Метали - це прості речовини, атоми яких можуть лише віддаватиелектрони. Така особливість металів пов'язана з тим, що на зовнішньому рівніцих атомів малоелектронів (найчастіше від 1 до 3) або зовнішні електрони розташовані далеко від ядра. Чим менше електронів на зовнішньому рівні атома і чим далі вони розташовані від ядра, тим активніший метал (яскравіше виражені його металеві властивості).

Завдання 8.1.Який метал активніший:

Назвіть хімічні елементи А, Б, У, Р.

Метали та неметали в Періодичною системоюхімічних елементів Менделєєва (ПСМ) поділяє лінія, проведена від бору до астату. Вище цієї лінії в головних підгрупахзнаходяться неметали(Див. урок 3). Інші хімічні елементи - метали.

Завдання 8.2.Які з наступних елементівставляться до металів: кремній, свинець, сурма, миш'як, селен, хром, полоній?

Запитання.Як можна пояснити той факт, що кремній – неметал, а свинець – метал, хоча кількість зовнішніх електронів у них однакова?

Істотною особливістю атомів металів є їх великий радіусі наявність слабко пов'язаних із ядром валентних електронів. Для таких атомів величина енергії іонізації невелика.

* ЕНЕРГІЯ ІОНІЗАЦІЇдорівнює роботі, що витрачається видалення одного зовнішнього електрона з атома (на іонізаціюатома), що перебуває в основному енергетичному стані.

Частина валентних електронів металів, відриваючись від атомів, стають «вільними». «Вільні» електрони легко переміщаються між атомами та іонами металів у кристалі, утворюючи «електронний газ» (рис. 28).

У наступний момент часу будь-який із «вільних» електронів може притягтися будь-яким катіоном, а будь-який атом металу може віддати електрон і перетворитися на іон (ці процеси показані на рис. 28 пунктирами).

Таким чином, внутрішня будова металу схожа на листковий пиріг, де позитивно заряджені «шари» атомів та іонів металу чергуються з електронними «прошарками» і притягуються до них. Найкращою моделлю внутрішньої будовиметалу є стос скляних пластинок, змочених водою: відірвати одну пластинку від іншої дуже важко (метали міцні), а зрушити одну пластинку відносно іншої дуже легко (метали пластичні) (рис. 29).

Завдання 8.3.Зробіть таку модель металу і переконайтеся в цих властивостях.

Хімічний зв'язок, здійснюваний рахунок «вільних» електронів, називається металевим зв'язком.

«Вільні» електрони забезпечують також такі фізичнівластивості металів, як електро- та теплопровідність, пластичність (ковкість), а також металевий блиск.

Завдання 8.4.Знайдіть удома металеві предмети.

Виконуючи це завдання, ви легко знайдете на кухні металевий посуд: каструлі, сковорідки, виделки, ложки. З металів та його сплавів роблять верстати, літаки, автомобілі, тепловози, інструменти. Без металів неможлива сучасна цивілізація, так як електричні дроти також роблять з металів - Cu та Al. Тільки метали підходять для отримання антен для радіо- та телеприймачів, з металів роблять і найкращі дзеркала. При цьому частіше використовують не чисті метали, а їх суміші. тверді розчини) - СПЛАВИ.

Сплави

Метали легко утворюють сплави - матеріали, що мають металеві властивості і складаються з двох або більшого числахімічні елементи (прості речовини), з яких хоча б один є металом. Багато металевих сплавів мають один метал як основу з малими добавками інших компонентів. У принципі, чітку межу між металами і сплавами важко провести, оскільки навіть у найчистіших металах є «слідові» домішки інших хімічних елементів.

Усі перелічені вище предмети - верстати, літаки, автомобілі, сковорідки, виделки, ложки, ювелірні вироби - роблять із сплавів. Метали-домішки (легуючі компоненти) дуже часто змінюють властивості основного металу на кращий, з погляду людини, бік. Наприклад, і залізо, і алюміній – досить м'які метали. Але, з'єднуючись один з одним або з іншими компонентами, вони перетворюються на сталь, дуралюмін та інші міцні конструкційні матеріали. Розглянемо властивості найпоширеніших сплавів.

Сталь- це сплави заліза з вуглецем, Що містять останнього до 2% До складу легованих сталей входять інші хімічні елементи - хром, ванадій, нікель. Сталей виробляється набагато більше, ніж будь-яких інших металів та сплавів, і всі види їх можливих застосувань важко перерахувати. Маловуглецева сталь (менше 0,25 % вуглецю) великих кількостяхспоживається як конструкційний матеріал, а сталь з більш високим вмістом вуглецю (більше 0,55%) йде на виготовлення ріжучих інструментів: леза для гоління, свердла та ін.

Залізо складає основу чавуну. Чавуном називається сплав заліза з 2-4% вуглецю. Важливим компонентомчавуну є також кремній. З чавуну можна відливати найрізноманітніші та дуже корисні вироби, наприклад кришки для люків, трубопровідну арматуру, блоки циліндрів двигунів та ін.

Бронза- сплав міді, зазвичай з оловомяк основним легуючим компонентом, а також з алюмінієм, кремнієм, бериллієм, свинцем та іншими елементами, крім цинку. Олов'яні бронзизнали і широко використовували ще в давнину. Більшість античних виробів із бронзи містять 75–90 % міді та 25–10 % олова, що робить їх зовні схожими на золоті, проте вони більш тугоплавкі. Це дуже міцний метал. З нього робили зброю доти, доки навчилися отримувати залізні сплави. Із застосуванням бронзи пов'язана ціла епоха в історії людства: Бронзове століття.

Латунь- це сплави міді з Zn, Al, Mg. Це кольорові сплави з невисокою температурою плавлення, їх легко обробляти: різати, зварювати та паяти.

Мельхіор- є сплавом міді з нікелем, іноді з добавками заліза та марганцю. за зовнішнім характеристикаммельхіор схожий на срібло, але має більшу механічну міцність. Сплав широко застосовують для виготовлення посуду та недорогих ювелірних виробів. Більшість сучасних монет сріблястого кольору виготовляють із мельхіору (зазвичай 75 % міді та 25 % нікелю з незначними добавками марганцю).

Дюралюміній, або дюраль - це сплав на основі алюмініюз додаванням легуючих елементів - мідь, марганець, магній та залізо. Він характеризується своєю сталевою міцністю та стійкістю до можливих навантажень. Це основний конструкційний матеріал в авіації та космонавтиці.

Хімічні властивості металів

Метали легко віддають електрони, тобто є відновниками. Тому вони легко реагують із окислювачами.

Запитання

1. Які атоми є окислювачами?
2. Як називаються прості речовини, що складаються з атомів, здатних приймати електрони?

Таким чином, метали реагують із неметалами. У таких реакціях неметали, приймаючи електрони, набувають зазвичайНижчий ступінь окислення.

Розглянемо приклад. Нехай алюміній реагує із сіркою:

Запитання.Який із цих хімічних елементів здатний тільки віддаватиелектрони? Скільки електронів?

Алюміній - метал, що має на зовнішньому рівні 3 електрони ( ІІІ група!), тому він віддає 3 електрони:

Оскільки атом алюмінію віддає електрони, атом сірки приймає їх.

Запитання.Скільки електронів може прийняти атом сірки до завершення зовнішнього рівня? Чому?

У атома сірки на зовнішньому рівні 6 електронів (VI група!), отже, цей атом приймає 2 електрони:

Таким чином, отримана сполука має склад:

В результаті отримуємо рівняння реакції:

Завдання 8.5.Складіть, міркуючи аналогічно, рівняння реакцій:

• кальцій + хлор (Cl2);
• магній + азот (N2).

Складаючи рівняння реакцій, пам'ятайте, що атом металу віддає всі зовнішні електрони, а атом неметалу приймає стільки електронів, скільки їх не вистачає до восьми.

Назви отриманих у таких реакціях сполук завжди містять суфікс ВД:

Корінь слова у назві походить від латинської назви неметалу (див. урок 2.4).

Метали реагують із розчинами кислот(Див. урок 2.2). При складанні рівнянь подібних реакцій та при визначенні можливості такої реакції слід користуватися низкою напруги (рядом активності) металів:

Метали, що стоять у цьому ряду до водню, здатні витісняти водень із розчинів кислот:

Завдання 8.6.Складіть рівняння можливихреакцій:

• магній + сірчана кислота;
• нікель + соляна кислота;
• ртуть + соляна кислота.

Усі ці метали в отриманих з'єднаннях двовалентні.

Реакція металу з кислотою можлива, якщо її виходить розчиннасіль. Наприклад, магній практично не реагує з фосфорною кислотою, Оскільки його поверхня швидко покривається шаром нерозчинного фосфату:

Метали, що стоять після водню, можутьреагувати з деякими кислотами, але воденьу цих реакціях не виділяється:

Завдання 8.7.Який із металів - Mg, Fе, Рb, Сu- може реагувати із розчином сірчаної кислоти? Чому? Складіть рівняння можливихреакцій.

Метали реагують із водою, якщо вони активніші залізо (залізо також може реагувати з водою). При цьому дуже активні метали ( Li - Al) реагують з водою при нормальних умовахабо при невеликому нагріванні за схемою:

де х- Валентність металу.

Завдання 8.8.Складіть рівняння реакцій за цією схемою для К, Nа, Са. Які ще метали можуть реагувати з водою так?

Постає питання: чому алюміній практично не реагує з водою? Справді, ми кип'ятимо воду в алюмінієвому посуді - і... нічого! Справа в тому, що поверхня алюмінію захищена оксидною плівкою (умовно - Al 2 O 3). Якщо її зруйнувати, почнеться реакція алюмінію з водою, причому досить активна. Корисно знати, що це плівку руйнують іони хлору Cl – . Оскільки іони алюмінію небезпечні для здоров'я, слід виконувати правило: в алюмінієвому посуді не можна зберігати сильно солоні продукти!

Запитання.Чи можна зберігати в алюмінієвому посуді кисліщі, компот?

Менш активні метали, які стоять у ряді напруг після алюмінію, реагують з водою у сильно подрібненому стані та при сильному нагріванні (вище 100 °C) за схемою:

Метали менш активні, ніж залізо, з водою не реагують!

Метали реагують із розчинами солей. При цьому активніші метали витісняють менше активний металз розчину його солі:

Завдання 8.9.Які з наступних реакцій можливі і чому:

1. срібло + нітрат міді ІІ;
2. нікель + нітрат свинцю ІІ;
3. мідь + нітрат ртуті II;
4. цинк+нітрат нікелю II.

Складіть рівняння можливихреакцій. Для неможливих поясніть, чому вони неможливі.

Варто зазначити, що дуже активні метали, які за нормальних умов реагують із водою, не витісняють інші метали з розчинів їх солей, оскільки вони реагують з водою, а не з сіллю:

А потім отримана луг реагує із сіллю:

Тому реакція між сульфатом заліза та натрієм. НЕ супроводжуєтьсявитісненням менш активного металу:

Корозія металів

Корозія- мимовільний процес окислення металу під впливом чинників довкілля.

У природі практично не зустрічається металів у вільному вигляді. Виняток становлять лише «шляхетні», найнеактивніші метали, наприклад золото, платина. Всі інші активно окислюються під дією кисню, води, кислот та ін. Наприклад, іржа утворюється на будь-якому незахищеному залізному виробі саме у присутності кисню чи води. При цьому окислюється залізо:

а відновлюються компоненти атмосферної вологи:

В результаті утворюється гідроксид заліза (II), який, окислюючись, перетворюється на іржу:

Зазнавати корозії можуть і інші метали, щоправда, іржа на поверхні не утворюється. Так немає на Землі металу алюмінію - найпоширенішого металу на планеті. Зате основу багатьох гірських поріді грунту складає глинозем Al 2 O 3. Справа в тому, що алюміній миттєво окислюється на повітрі. Корозія металів завдає колосальних збитків, руйнуючи різні металеві конструкції.

Щоб зменшити втрати від корозії, слід усунути причини, що її викликають. Насамперед, металеві предмети слід ізолювати від вологи. Це можна зробити різними способаминаприклад, зберігати виріб у сухому місці, що далеко не завжди можливо. Крім того, можна поверхню предмета пофарбувати, змастити водовідштовхувальним складом, створити штучну оксидну плівку. У останньому випадкудо складу сплаву вводять хром, який «любовно» поширює власну оксидну плівку на поверхню всього металу. Сталь стає нержавіючою.

Вироби із нержавіючої сталі дороги. Тому для захисту від корозії використовують той факт, що менш активний метал не змінюється, тобто не бере участь у процесі. Тому якщо до виробу, що зберігається, приварити активнішийметал, то, доки він не зруйнується, виріб корродувати не буде. Цей спосіб захисту називається протекторноїзахистом.

Висновки

Метали – це прості речовини, які завжди є відновниками. Відновлювальна активність металу зменшується у ряді напруг від літію до золота. За положенням металу в ряді напруг можна визначити, як метал реагує з розчинами кислот, з водою, з розчинами солей.