Из перечисленных ниже характеристик атомов периодически изменяются. Атомный номер элемента показывает

Контрольная работа № 2 содержит задачи на следующие темы:

1. Периодическая система
2. Периодичность изменения свойств элементов и их соединений.
3. Химическая связь. Метод ВС.
4. Химическая связь. Метод МО.
5. Химическая связь. Ионная связь.
6. Химическая связь в комплексных соединениях.

Тест для проверки знаний:

1. Из перечисленных ниже характеристик атомов эле­ментов периодически изменяется

(1) заряд ядра атома;

(2) относительная атомная масса;

(3) число энергетических уровней в атоме;

(4) число электронов на внешнем энергетическом уровне.

2. Внутри периода увеличение порядкового номера элемента обычно сопровождается

(1) уменьшением атомного радиуса и возраста­нием электроотрицательности атома;

(2) возрастанием атомного радиуса и уменьше­нием электроотрицательности атома;

(3) уменьшением атомного радиуса и уменьше­нием электроотрицательности атома;

(4) возрастанием атомного радиуса и возраста­нием электроотрицательности атома.

3. Атом какого элемента легче всего отдает один электрон (числа означают порядковый номер элемента):

(1) натрий,11; (2) магний, 12; (3) алюминий, 13; (4) кремний, 14?

4. Атомы элементов 1А группы периодической системы элементов имеют одинаковое число

(1) электронов на внешнем электронном уровне;

(2) нейтронов;

(3) всех электронов.

5. Элементы расположены в порядке возрастания электроотрицательности в ряду

(1) As, Se, Cl, F; (2) C, I, B, Si; (3) Br, P, H, Sb; (4) О, Se, Br, Te.

6. Во втором и третьем периодах периодической систе­мы по мере уменьшения размеров атомов элементов

(1) размер их ионов также уменьшается;

(2) электроотрицательность уменьшается;

(3) металлические свойства элементов ослабе­вают;

(4) металлические свойства элементов усили­ваются.

7. Какой ряд включает только переходные элементы:

(1) элементы 11, 14, 22, 42; (2) элементы 13, 33, 54, 83;

(3) элементы 24, 39, 74, 80; (4) элементы 19, 32, 51, 101?

8. Какой из приведенных ниже элементов имеет хими­ческие свойства, позволяющие говорить о его сход­стве с элементом кальцием:

(1) углерод. С; (2) натрий, Na; (3) калий. К; (4) стронций, Sr?

9. Неметаллические свойства элементов, расположен­ных в главных подгруппах периодической системы Д. И. Менделеева, наиболее ярко выражены у тех из них, которые находятся

(1) в верхней части подгруппы;

(2) в нижней части подгруппы;

(3) в середине подгруппы;

(4) у всех элементов подгруппы выражены при­мерно в одинаковой степени.

10. Какой ряд элементов представлен в порядке воз­растания атомного радиуса:

(1)О, S, Se, Те; (2) C, N, О, F; (3) Na, Mg, Al, Si; (4) I, Br, Cl, F?

11. Металлический характер свойств элементов в ряду Mg-Ca-Sr-Ba

(1) уменьшается;

(2) возрастает;

(3) не изменяется;

12. Неметаллический характер свойств элементов в ряду N-P-As-Sb-Bi

(1) уменьшается;

(2) возрастает;

(3) не изменяется;

(4) уменьшается, а затем возрастает.

13. Какая пара в указанной совокупности элементов - Са, Р, Si, Ag, Ni, As - обладает наиболее сходными химическими свойствами:

(1) Са, Si; (2) Ag, Ni; (3) Р, As; (4) Ni, Р?

14. По своим химическим свойствам радиоактивный элемент радий ближе всего к

(1) цезию; (2) барию; (3) лантану; (4) актинию.

15. На основании положения элемента лантана в перио­дической системе можно с уверенностью утверж­дать, что для лантаноидов наиболее характерной степенью окисления будет

(1) +1; (2) +2; (3) +3; (4) +4.

16. Основные свойства гидроксидов элементов 1А груп­пы по мере увеличения порядкового номера

(1) уменьшаются;

(2) возрастают;

(3) остаются неизменными;

(4) уменьшаются, а затем возрастают.

17. На основе положения элементов в периодической системе наиболее вероятное соединение германия с селеном можно изобразить формулой .

18. Гипотетический элемент Z образует хлорид ZCl 5 . Какая наиболее вероятная формула у его оксида:

(1) ZO 2 ; (2) ZO 5 ; (3) Z 2 O 5 ; (4) Z 5 O 2 ?

19. Простые вещества каких элементов обладают наи­большим сходством физических и химических свойств:

(1) Li, S; (2) Be, Cl; (3) F, Cl; (4) Li, F?

20. Из приведенных ниже элементов третьего периода наиболее ярко выраженными неметаллическими свойствами обладает

(1) алюминий; (2) кремний; (3) сера; (4) хлор.

21. Из приведенных элементов IIIA группы ярко вы­раженными неметаллическими свойствами обладает

(1) бор; (2) алюминий; (3) галлий; (4) индий.

22. Какой из приведенных элементов четвертого пери­ода периодической системы проявляет одинаковые значения валентности в своем водородном соеди­нении и в высшем оксиде:

(1) бром; (2) германий; (3) мышьяк; (4) селен?

23. Характер оксидов в ряду P 2 O 5 -SiO 2 -Аl 2 О з -MgO изменяется следующим образом:

(1) от основного к кислотному;

(2) от кислотного к основному;

(3) от основного к амфотерному;

(4) от амфотерного к кислотному.

24. Напишите формулы высших оксидов элементов и соответствующих кислот; назовите эти кислоты:

25. На основании положения элемента в периодической системе напишите его соединения, формы которых указаны ниже:

26. Из приведенного перечня элементов: Be, В, С, N, Al, Si, Р, S, Ga, Ge, As, Br - оксиды типа ЭО 2 образуют , а гидриды типа ЭН 4 - .

27. На основании положения элемента в периодической системе выведите формулы его высшего оксида и гидроксида и укажите их характер:

28. Элемент с порядковым номером 34 образует водо­родное соединение , высший оксид и гидроксид . Последний проявляет

(1) кислотные свойства;

(2) основные свойства;

(3) амфотерные свойства.

29. Максимальное число химических элементов, кото­рое может заполнить шестой период периодиче­ской системы, должно быть равно

(1) 8; (2) 18; (3) 32; (4) 50.

30. Максимальное число элементов в седьмомпериоде должно быть

(1) 18; (2) 32; (3) 50; (4) 72.

31. В седьмом периоде последним должен быть элементс порядковым номером

(1) 118; (2) 114; (3) 112; (4) 110.

32. Свойства щелочных металлов следует ожидать у элементов с порядковыми номерами

(1) 111 и 190; (2) 119 и 169; (3) 137 и 187; (4) 155 и 211.

33. Конфигурация орбиталей валентных электронов висмута совпадает с

(1) селеном и теллуром;

(2) азотом и фосфором;

(3) кремнием и германием;

(4) ниобием и танталом.

34. Элемент с порядковым номером 117 следует от­нести к

(1) щелочным метал лам; (3) галогенам;

(2) щелочноземельным металлам; (4) переходным элементам.

35. Максимальная валентность свинца в кислородных соединениях равна:

(1) II; (2) IV; (3) VI; (4) VIII.

36. Вид орбиталей валентных электронов у индия совпа­дает с

(1) Am и Fr; (2) Pb и Sn; (3) Аl и Ga; (4) Сu и Ag.

37. Титан относится к

(1) s -; (2) p -; (3) d -; (4) f -элементам.

38. Максимальная валентность брома в кислородных соединениях

(1) I; (2) III; (3) V; (4) VII.

39. Седьмой период системы элементов должен закон­читься элементом с порядковым номером

(1) 108; (2) 110; (3) 118; (4) 128.

40. Угол между связями Н-Э наибольший в молекуле соединения

(1) Н 2 Те; (2) H 2 Se; (3) H 2 S; (4) H 2 О.

41. В ряду К-Са-Sc-Ti радиус атомов (уменьшается, увеличивается).

42. Энергия, которая указана в уравнении Сl° (г.) → Cl + (г.) +e - 1254 кДж, является для атома хлора

(1) энергией химической связи;

(2) энергией ионизации;

(3) электроотрицательностью;

(4) сродством к электрону.

43. Сродством к электрону называют

(1) энергию, необходимую для отрыва электрона от невозбужденного атома;

(2) способность атома данного элемента к оттяги­ванию на себя электронной плотности;

(3) переход электрона на более высокий энерге­тический уровень;

(4) выделение энергии при присоединении элек­трона к атому или иону.

44. Какой из элементов имеет наибольшее значение энергии ионизации:

(1) Li; (2) F; (3) Fе; (4) I?

45. Энергия, затрачиваемая на удаление одного элек­трона от атома элемента в газообразном состоянии, у магния

(1) меньше,чем у натрия, и больше, чем у алю­миния;

(2) больше, чем у натрия, и меньше, чем у алю­миния;

(3) меньше, чем у натрия и алюминия;

(4) больше, чем у натрия и алюминия.

46. Исходя из анализа электронных структур атомов и положения элементов в периодической системе, укажите, какой из каждых двух приведенных ниже атомов имеет большее сродство к электрону:

(1) калий или кальций;

(2) сера или хлор;

(3) водород или литий?

47. Химические элементы расположены в порядке воз­растания электроотрицательности в ряду

(1) Si, P, Se, Вr, Сl, О; (2) Si, P, Вr, Se, C1, О;

(3) P, Si, Вr, Se, C1, О; (4) Se, Si, P, Вr, C1, О.

48. Какой ряд элементов расположен по мере возраста­ния их атомных радиусов:

(1) Na, Mg, Al, Si; (3)O, S, Se, Те;

(2) С, О, N, F; (4) I, Br, C1, F?

49. В ряду щелочных металлов (от Li до Cs) цезий является наименее электроотрицательным. Это объ­ясняется тем, что он имеет

(1) наибольшее число нейтронов в ядре;

(2) большее число валентных электронов по срав­нению с другими элементами;

(3) большую атомную массу;

(4) валентные электроны, в наибольшей степени удаленные от ядра атома.

50. Изоэлектронными называют ионы, имеющие одно и то же число электронов и одинаковую структуру внешнего электронного уровня. Ионы О 2- , F - , Na + , Mg 2+ , A1 3+ имеют электронную конфигура­цию благородного газа неона и расположены в по­рядке возрастания атомных масс элементов. При этом их ионные радиусы

(1) практически не изменяются;

(2) уменьшаются;

(3) увеличиваются;

(4) уменьшаются, затем увеличиваются.

51. Примером неполярной молекулы, имеющей поляр­ную ковалентную связь, будет

(1) N 2 ; (2) H 2 О; (3) NH 3 ; (4) CCl 4 .

52. Из приведенных молекул: Н 2 , О 2 , Н 2 О, СО 2 , СН 4 , H 2 S - полярными являются .

53. В каком из соединений между атомами образуется ковалентная связь по донорно-акцепторному ме­ханизму:

(1) КСl; (2) NH 4 Cl; (3) ССl 4 ; (4) CO 2 ?

54. Валентные орбитали атома бериллия в молекуле гидрида бериллия гибридизованы по типу

(1) sp ; (2) sp 2 ; (3) sp 3 ;(4) d 2 sp 3 ,

а молекула имеет структуру:

55. Валентные орбитали атома бора в молекуле ВF 3 гибридизованы по типу

(1) sp ; (2) sp 2 ; (3) sp 3 ;(4) d 2 sp 3 ,

а молекула имеет структуру:

(а) линейную; (в) тетраэдрическую;

(б) плоскую; (г) октаэдрическую.

56. Наличие четырех эквивалентных связей С-Н в молекуле метана объясняется тем, что

(1) происходит взаимное отталкивание четырех электронных пар;

(2) атом углерода гибридизован с образованием четырех sp 3 орбиталей;

(3) атом углерода имеет один s - и три р - валентных электрона;

(4) атом углерода имеет два s- и два р - валентных электрона.

Ответы:

1. (4) число электронов на внешнем энергетическом уровне.

2. (1) уменьшением атомного радиуса и возраста­нием электроотрицательности атома.

3. (1) натрий,11.

4. (1) электронов на внешнем электронном уровне.

5. (1) As, Se, Cl, F.

6. (3) металлические свойства элементов ослабе­вают.

7. (3) элементы 24, 39, 74, 80.

8. (4) стронций, Sr.

9. (1) в верхней части подгруппы.

10.(1)О, S, Se, Те.

11. (2) возрастает.

12. (1) уменьшается.

14. (2) барию.

16. (2) возрастают.

18. (3) Z 2 O 5 .

20. (4) хлор.

22. (2) германий.

23. (2) от кислотного к основному.

26. оксиды типа ЭО 2 образуют С, Si, Ge , а гидриды типа ЭН 4 - С, Si, Ge.

28. Н 2 Sе, SеО 3 и Н 2 SeО 4 . (1) кислотные свойства.

32. (2) 119 и 169.

33. (2) азотом и фосфором.

34. (3) галогенам.

36. (3) Аl и Ga.

37. (3) d -элементам.

41. Уменьшается.

42. (2) энергией ионизации.

43. (4) выделение энергии при присоединении элек­трона к атому или иону.

45. (4) больше, чем у натрия и алюминия.

46. (1) калий; (2) хлор; (3) водород.

47. (1) Si, P, Se, Вr, Сl, О.

48. (3)O, S, Se, Те.

49. (4) валентные электроны, в наибольшей степени удаленные от ядра атома.

50. (2) уменьшаются.

52. Н 2 О, H 2 S.

53. (2) NH 4 Cl.

54. (1) sp , (а) линейную.

55. (2) sp 2 , (б) плоскую.

56. (2) атом углерода гибридизован с образованием четырех sp 3 орбиталей.

Задания для индивидуальной расчетно-графической работы:

Для элемента с порядковым номером равным номеру варианта провести следующие расчеты:

1. Написать электронную формулу элемента и показать графически заполнение электронами всех атомных орбиталей.

3. Определить массу одного атома элемента и его объем.

4. Определить массу одной молекулы простого вещества элемента.

5. Исходя из положения элемента в ПС, перечислить возможные степени окисления атома элемента в соединениях с другими элементами.

6. Написать формулу оксида, хлорида, гидрида, сульфида.

8. Вычислить длину диполя водородного и кислородного соединения элемента.

9. Изобразить связь в молекуле простого вещества элемента с помощью метода ВС.

10. Изобразить связь в молекуле простого вещества элемента с помощью энергетической диаграммы метода МО, указать кратность связи и написать формулу.

11. Указать тип гибридизации атома элемента в молекулах всех возможных оксидов (в случае кислорода – молекулы водородных соединений).

12. Указать все виды связей (σ, π, δ) в молекулах оксидов (в случае кислорода – молекулы водородных соединений).

13. Указать значения валентных углов в молекулах оксидов (в случае кислорода – молекулы водородных соединений).

14. Указать форму молекул оксидов (в случае кислорода – молекулы водородных соединений).

15. Вычислить энергию образования ионного соединения АВ и энергию взаимодействия ионов А+ и В-.

Для вариантов 1, 5, 6, 7, 8, 9, 14, 15, 16, 17: А – калий, В – элемент с порядковым номером, равным номеру элемента.

Для вариантов 3, 4, 11, 12, 13, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28: В – хлор, А– элемент с порядковым номером, равным номеру элемента.

Для вариантов 2, 10, 18: А – элемент с порядковым номером равным (номер варианта +1), В – элемент с порядковым элементом равным (номер варианта -1).

Литература.

1. Кульман А.Г. Сборник задач по общей химии, Изд. 2-е, перераб., и доп. - М.: Высш. шк. 1975.

2. Маслов Е.И. , Гольбрайх З.Е. Сборник задач и упражнений по химии, 5-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк. 1997.

Выше говорилось (с. 172) о периодичности изменения важнейшего для химии свойства атомов - валентности. Есть и другие важные свойства, изменение которых характеризуется периодичностью. К таким свойствам относится размер (радиус) атома. Атом не имеет поверхности, и граница его расплывчата, так как плотность внешних электронных облаков по мере удаления от ядра плавно убывает. Данные о радиусах атомов получают из определения расстояний между их центрами в молекулах и кристаллических структурах. Проведены также расчеты на основе уравнений квантовой механики. На рис. 5.10 пред-

Рис. 5.10. Периодичность изменения атомных радиусов

ставлена кривая изменения атомных радиусов в зависимости от заряда ядра.

От водорода к гелию радиус уменьшается, а затем резко увеличивается у лития. Это объясняется появлением электрона на втором энергетическом уровне. Во втором периоде от лития до неона по мере увеличения заряда ядра радиусы уменьшаются.

В то же время увеличение числа электронов на данном энергетическом уровне ведет к возрастанию их взаимного отталкивания. Поэтому к концу периода уменьшение радиуса замедляется.

При переходе от неона к натрию - первому элементу третьего периода - радиус снова резко возрастает, а потом постепенно уменьшается до аргона. После этого снова происходит резкое увеличение радиуса у калия. Получается характерная периодическая пилообразная кривая. Каждый участок кривой от щелочного металла до благородного газа характеризует изменение радиуса в периоде: наблюдается уменьшение радиуса при переходе слева направо. Интересно также выяснить характер изменения радиусов в группах элементов. Для этого надо провести линию через элементы одной группы. По положению максимумов у щелочных металлов непосредственно видно, что радиусы атомов при переходе в группе сверху вниз увеличиваются. Это связано с увеличением числа электронных оболочек.

задание 5.17. Как изменяются радиусы атомов от F к Вr? Определите это по рис. 5.10.

От радиусов зависят многие другие свойства атомов, как физические, так и химические. Например, увеличением радиусов атомов можно объяснить понижение температур плавления щелочных металлов от лития к цезию:

Размеры атомов связаны с их энергетическими свойствами. Чем больше радиус внешних электронных облаков, тем легче атом теряет электрон. При этом он превращается в положительно заряженный ион.

Ион - одно из возможных состояний атома, в котором он имеет электрический заряд вследствие потери или присоединения электронов.

Способность атома переходить в положительно заряженный ион характеризуется энергией ионизации Е И. Это минимальная энергия, необходимая для отрыва внешнего электрона от атома в газовом состоянии:

Образовавшийся положительный ион тоже может терять электроны, становясь двухзарядным, трехзарядным и т. д. Величина энергии ионизации при этом сильно возрастает.

Энергия ионизации атомов увеличивается в периоде при переходе слева направо и уменьшается в группах при переходе сверху вниз.

Многие, но не все атомы способны присоединять дополнительный электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион А~. Это свойство характеризуется энергией сродства к электрону E ср. Это энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к атому, находящемуся в газовом состоянии:

Как энергию ионизации, так и энергию сродства к электрону принято относить к 1 моль атомов и выражать в кДж/моль. Рассмотрим ионизацию атома натрия в результате присоединения и потери электрона (рис. 5.11). Из рисунка видно, что для отнятия электрона от атома натрия требуется в 10 раз больше энергии, чем выделяется при присоединении электрона. Отрицательный ион натрия неустойчив и в сложных веществах почти не встречается.

Рис. 5.11. Ионизация атома натрия

Энергия ионизации атомов изменяется в периодах и группах в направлении, противоположном изменению радиуса атомов. Изменение энергии сродства к электрону в периоде более сложно, так как у элементов IIА- и VIIIA-rpynn сродство к электрону отсутствует. Приближенно можно считать, что энергия сродства к электрону, подобно Е к, увеличивается в периодах (до группы VII включительно) и уменьшается в группах сверху вниз (рис. 5.12).

задание 5 .18. Могут ли атомы магния и аргона в газообразном состоянии образовать отрицательно заряженные ионы?

Ионы с положительными и отрицательными зарядами притягиваются между собой, что ведет к разнообразным превращениям. Наиболее простой случай - это образование ионных связей, т. е. объединение ионов в вещество под действием электростатического притяжения. Тогда возникает ионная кристаллическая структура, характерная для пищевой соли NaCl и множества других солей. Но может быть

Рис. 5.12. Характер изменения энергии ионизации и энергии сродства к электрону в группах и периодах

так, что отрицательный ион не очень прочно удерживает свой лишний электрон, а положительный ион, наоборот, стремится восстановить свою электронейтральность. Тогда взаимодействие между ионами может привести к образованию молекул. Очевидно, что ионы разного знака заряда С1 + и С1~ притягиваются между собой. Но в силу того, что это ионы одинаковых атомов, они образуют молекулу С1 2 с нулевыми зарядами на атомах.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Из скольких протонов, нейтронов и электронов состоят атомы брома?

2. Рассчитайте массовые доли изотоповв природе.

3. Сколько энергии выделяется при образовании 16 г кислорода по реакции протекающей в недрах звезд?

4. Рассчитайте энергию электрона в возбужденном атоме водорода при п = 3.

5. Напишите полную и сокращенную электронные формулы атома иода.

6. Напишите сокращенную электронную формулу иона Г.

7. Напишите полную и сокращенную электронные формулы атома Ва и иона Ва 2 ".

8. Постройте энергетические диаграммы атомов фосфора и мышьяка.

9. Постройте полные энергетические диаграммы атомов цинка и галлия.

10. Расположите следующие атомы в порядке увеличения радиуса: алюминий, бор, азот.

11. Какие из следующих ионов образуют между собой ионные кристаллические структуры: Вr + Вr - , К + , К - , I + , I - , Li + , Li - ? Что можно ожидать при взаимодействии ионов в других комбинациях?

12. Предположите возможный характер изменения радиуса атомов при переходе в периодической системе в диагональном направлении, например Li - Mg - Sc.

Урок 2

Рассмотренные выше квантовые числа могут показаться понятиями абстрактными и далекими от химии. Действительно, пользоваться ими для расчетов строения реальных атомов и молекул можно только при наличии специальной математической подготовки и мощной ЭВМ. Однако, если добавить к схематично изложенным понятиям квантовой механики еще один принцип, квантовые числа "оживают" для химиков.

В 1924 г Вольфганг Паули сформулировал один из важнейших постулатов теоретической физики, который не вытекал из известных законов: на одной орбитали (в одном энергетическом состоянии) не может одновременно находиться более двух электронов, да и то только в том случае, если их спины противоположно направлены. Другие формулировки: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии; в одном атоме не может быть двух электронов с совпадающими значениями всех четырех квантовых чисел.

Попробуем "создать" электронные оболочки атомов, пользуясь последней из формулировок принципа Паули.

Минимальное значение главного квантового числа n равно 1. Ему соответствует только одно значение орбитального числа l , равное 0 (s-орбиталь). Сферическая симметрия s-орбиталей выражается в том, что при l = 0 в магнитном поле существует только одна орбиталь с m l = 0. На этой орбитали может находиться один электрон с любым значением спина (водород) или два электрона с противоположными значениями спинов (гелий). Таким образом, при значении n = 1 может существовать не более двух электронов.

Теперь начнем заполнять орбитали с n = 2 (на первом уровне уже есть два электрона). Величине n = 2 соответствуют два значения орбитального числа: 0(s-орбиталь) и 1 (p-орбиталь). При l = 0 существует одна орбиталь, при l = 1 – три орбитали (со значениями m l: -1, 0, +1). На каждой из орбиталей может находиться не более двух электронов, так что значению n = 2 соответствует максимум 8 электронов. Общее число электронов на уровне с данным n можно вычислить, таким образом, по формуле 2n 2:

Обозначим каждую орбиталь квадратной ячейкой, электроны – противоположно направленными стрелками. Для дальнейшего "строительства" электронных оболочек атомов необходимо использовать еще одно правило, сформулированное в 1927 г. Фридрихом Хундом (Гундом): наиболее устойчивы при данном l состояния с наибольшим суммарным спином, т.е. количество заполненных орбиталей на данном подуровне должно быть максимальным (по одному электрону на орбиталь).

Начало периодической таблицы будет выглядеть следующим образом:

Схема заполнения электронами внешнего уровня элементов 1-го и 2-го периодов.

Продолжая "строительство", можно дойти до начала третьего периода, однако затем придется вводить как постулат порядок заполнения d и f орбиталей.

Из схемы, построенной на основании минимальных допущений, видно, что квантовые объекты (атомы химических элементов) будут по разному относиться к процессам отдачи и принятия электронов. Объекты He и Ne будут к этим процессам безразличны из-за полностью занятой электронной оболочки. Объект F скорее всего будет активно принимать недостающий электрон, а объект Li скорее будет склонен отдать электрон.

Уникальными свойствами должен обладать объект C – у него одинаковы число орбиталей и число электронов. Возможно, он будет стремиться образовывать связи сам с собой благодаря такой высокой симметрии внешнего уровня.

Интересно отметить, что понятия о четырех принципах построения материального мира и пятом, их связывающем, известны не менее 25 веков. В Древней Греции и Древнем Китае философы говорили о четырех первопринципах (не путать с физическими объектами): “огонь”, “воздух”, “вода”, “земля” . Связывающим принципом в Китае было “дерево” , в Греции – “квинтэссенция” (пятая сущность). Взаимосвязь “пятого элемента” с остальными четырьмя продемонстрирована в фантастическом фильме с тем же названием.

Игра "Параллельный мир"

Для того, чтобы лучше понять роль "абстрактных" постулатов в окружающем нас мире, полезно переместиться в "Параллельный мир". Принцип простой: структура квантовых чисел немного искажается, затем на основе их новых значений строим периодическую систему параллельного мира. Игра будет удачной в том случае, если меняется только один параметр, не требующий дополнительных допущений по взаимосвязи квантовых чисел и уровней энергии.

Впервые подобная задача-игра была предложена школьникам на Всесоюзной олимпиаде в 1969 году (9 класс):

"Как бы выглядела периодическая система элементов, если бы максимальное число электронов в слое определялось формулой 2n 2 -1, а на внешнем уровне не могло бы быть больше семи электронов? Изобразите таблицу такой системы для четырех первых периодов (обозначив элементы их атомными номерами). Какие степени окисления мог бы проявить элемент N 13? Какие свойства соответствующего простого вещества и соединений этого элемента вы могли бы предположить?

Такая задача слишком сложна. В ответе необходимо проанализировать несколько сочетаний постулатов, устанавливающих значения квантовых чисел, с постулатами о связи между этими значениями. При детальном разборе этой задачи мы пришли к выводу, что искажения в "параллельном мире" получаются слишком большими, и мы не можем корректно прогнозировать свойства химических элементов этого мира.

Мы в СУНЦ МГУ обычно используем более простую и наглядную задачу, в которой квантовые числа "параллельного мира" почти не отличаются от наших. В этом параллельном мире живут аналоги людей – хомозоиды (не следует относиться серьезно к описанию самих хомозоидов).

Периодический закон и строение атома

Задача 1.

Хомозоиды живут в параллельном мире, имеющем следующий набор квантовых чисел:

n = 1, 2, 3, 4, ...
l = 0, 1, 2, ... (n – 1)
m l = 0, +1, +2,...(+ l )
m s = ± 1/2

Постройте первые три периода Их периодической таблицы, сохраняя наши названия для элементов с соответствующими номерами.

1. Чем умываются хомозоиды?
2. Чем напиваются хомозоиды?
3. Напишите уравнение реакции между Их серной кислотой и гидроксидом алюминия.

Анализ решения

Строго говоря, нельзя изменить одно из квантовых чисел, не затрагивая остальных. Поэтому все описанное ниже – не истина, а учебная задача.

Искажение почти незаметно – магнитное квантовое число становится асимметричным. Впрочем, это означает существование в параллельном мире однополюсных магнитов и другие серьезные последствия. Но вернемся к химии. В случае s- электронов изменений не происходит (l = 0 и m 1 = 0). Следовательно, водород и гелий там те же самые. Полезно вспомнить, что по всем данным именно водород и гелий являются самыми распространенными элементами во Вселенной. Это позволяет допустить существование подобных параллельных миров. Однако для p- электронов картина меняется. При l = 1 мы получаем два значения вместо трех: 0 и +1. Следовательно, имеется только две p- орбитали, на которых можно разместить 4 электрона. Длина периода уменьшилась. Строим "клетки-стрелочки":

Построение Периодической таблицы параллельного мира:

Периоды, естественно, стали короче (в первом 2 элемента, во втором и третьем – по 6 вместо 8. Очень весело воспринимаются изменившиеся роли элементов (названия за номерами сохраняем специально): инертные газы O и Si , щелочной металл F. Чтобы не запутаться, будем обозначать их элементы только символами, а наши – словами.

Анализ вопросов задачи позволяет разобрать значение распределения электронов на внешнем уровне для химических свойств элемента. Первый вопрос простой – водород = H, а кислородом становится C. Все сразу соглашаются, что без галогенов (N, Al и т.д.) параллельный мир не обойдется. Ответ на второй вопрос связан с решением проблемы – почему у нас углерод является "элементом жизни" и что будет его параллельным аналогом. В ходе обсуждения выясняем, что такой элемент должен давать "наиболее ковалентные" связи с аналогами кислорода, азота, фосфора, серы. Приходится немного пойти вперед и разобрать понятия гибридизации, основного и возбужденного состояний. Тогда элементом жизни становится аналог нашего углерода по симметрии (B) – у него на трех орбиталях находится три электрона. Результат такого обсуждения – аналог этилового спирта BH 2 BHCH.

При этом становится очевидным, что в параллельном мире мы лишились прямых аналогов нашей 3-й и 5-й (или 2-й и 6-й) групп. Например, элементы 3 периода соответствуют:

Максимальные степени окисления: Na (+3), Mg (+4), Al (+5); однако приоритетными являются химические свойства и их периодическое изменение, к тому же длина периода уменьшилась.

Тогда ответ на третий вопрос (если нет аналога алюминия):

Серная кислота + гидроксид алюминия = сульфат алюминия + вода

H 2 MgC 3 + Ne(CH) 2 = NeMgC 3 + 2 H 2 C

Или как вариант (прямого аналога кремния нет):

H 2 MgC 3 + 2 Na(CH) 3 = Na 2 (MgC 3) 3 + 6 H 2 C

Главный результат описанного "путешествия в параллельный мир" – понимание того, что бесконечное разнообразие нашего мира вытекает из не очень большого набора относительно простых законов. Примером таких законов являются разобранные постулаты квантовой механики. Даже небольшое изменение одного из них резко меняет свойства вещественного мира.

Проверь себя

Выберите правильный ответ (или ответы)

Строение атома, периодический закон

1. Исключите лишнее понятие:

1) протон; 2) нейтрон; 3) электрон; 4) ион

2. Число электронов в атоме равно:

1) числу нейтронов; 2) числу протонов; 3) номеру периода; 4) номеру группы;

3. Из перечисленных ниже характеристик атомов элементов периодически изменяются по мере роста порядкового номера элемента:

1) число энергетических уровней в атоме; 2) относительная атомная масса;

3) число электронов на внешнем энергетическом уровне;

4) заряд ядра атома

4. На внешнем уровне атома химического элемента в основном состоянии находится 5 электронов. Какой это может быть элемент:

1) бор; 2) азот; 3) сера; 4) мышьяк

5. Химический элемент расположен в 4-м периоде, IА группе. Распределению электронов в атоме этого элемента соответствует ряд чисел:

1) 2, 8, 8, 2 ; 2) 2, 8, 18, 1 ; 3) 2, 8, 8, 1 ; 4) 2, 8, 18, 2

6. К р-элементам относится:

1) калий; 2) натрий; 3) магний; 4) алюминий

7. Могут ли электроны иона K + находиться на следующих орбиталях?

1) 3p ; 2) 2f ; 3) 4s ; 4) 4p

8. Выберите формулы частиц (атомы, ионы) с электронной конфигурацией 1s 2 2s 2 2p 6:

1) Na + ; 2) K + ; 3) Ne ; 4) F –

9. Сколько элементов было бы в третьем периоде, если бы спиновое квантовое число имело единственное значение +1 (остальные квантовые числа имеют обычные значения)?

1) 4 ; 2) 6 ; 3) 8 ; 4) 18

10. В каком ряду химические элементы расположены в порядке возрастания их атомного радиуса?

1) Li, Be, B, C ;

2) Be, Mg, Ca, Sr ;

3) N, O, F, Ne ;

4) Na, Mg, Al, Si

© В.В.Загорский, 1998-2004

ОТВЕТЫ

1. 4) ион
2. 2) числу протонов
3. 3) число электронов на внешнем энергетическом уровне
4. 2) азот; 4) мышьяк
5. 3) 2, 8, 8, 1
6. 4) алюминий
7. 1) 3p ; 3) 4s ; 4) 4p
8. 1) Na + ; 3) Ne ; 4) F –
9. 2) Be, Mg, Ca, Sr

• Загорский В.В. Вариант изложения в физико-математической школе темы “Строение атома и Периодический закон”, Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И.Менделеева), 1994, т. 38, N 4, с.37-42
• Загорский В.В. Строение атома и Периодический закон / "Химия" N 1, 1993 (прил. к газете "Первое сентября")