pieczęć jednostki - Kierunki zamawiane

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
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
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: 168O
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).
-
Wodór 11H składa się z protonu i elektronu,
-
Deuter 12 H ( 12 D ) składa się z protonu, elektronu i zawiera neutron,
-
Tryt 13 H ( 31T ) składa się z protonu, elektronu i dwóch neutronów.
Zadanie: Podaj liczbę protonów, elektronów i neutronów w podanych izotopach żelaza:
37
35
56
i 2658 Fe
oraz chloru: 17 Cl i 17 Cl
26 Fe
Elektrony w atomie
Elektrony mogą poruszać się w pewnych przestrzeniach wokół jądra nazywanych powłokami:
 powłoka elektronowa to zespół elektronów o zbliżonych energiach,
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
 maksymalnie w atomie może być siedem powłok elektronowych.
Liczba 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 2n2, więc:
wartość n
1 2 3 4 5 6 7
symbol literowy powłoki K L M
max. liczba elektronów
2
N
O
P
Q
8 18 32 50 72 98
Elektrony zewnętrznej powłoki elektronowej to elektrony walencyjne.
Liczba 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
max. liczba elektronów
2
6
10 14 18 22
f
g
h
 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.
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
magnetyczna spinowa liczba kwantowa – ms – 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 ms 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:
nlx
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:
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Szczegółowe konfiguracje elektronowe pierwiastków przedstawiane są wg trzech sposobów:
 Przez określenie liczby elektronów w powłokach i podpowłokach, np.
1s22s22p63s23p63d54s1
2 2
6 2 6 10 2 5
35Br 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p
24Cr
 Zapis uproszczony – obok rdzenia gazu szlachetnego zapisana zostaje konfiguracja
elektronowa zewnętrznego poziomu energetycznego, np.
[Ar]4s13d5
2 10 5
35Br [Ar]4s 3d 4p
Dla pierwiastków o wyższych liczbach atomowych stosuje się zapis skrócony - podaje się
konfigurację najbliżej położonego gazu szlachetnego poprzedzającego dany pierwiastek,
np.: zamiast 12Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2
stosuje się zapis 12Mg: [10Ne] 3s2, gdzie [10Ne] = 1s2 2s2 2p6
24Cr
 Zapisem
klatkowym
(graficznym)
–
informującym
dodatkowo
o rozmieszczeniu elektronów w poszczególnych orbitalach i liczbie elektronów, które
są niesparowane np. 37Rb
1s2 2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
4p6
5s1
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 (s1 lub s2).
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 f1 do f14).
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
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
Liczba
atomowa
Z
Liczba
protonów
Liczba
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
Liczba powłok
elektronowych
Liczba
elektronów
walencyjnych
Magnez [Mg]
1s22s22p63s2
3
2 (3s2)
Argon [Ar]
1s22s22p63s23p6
3
8 (3s23p6)
Brom [Br]
1s22s22p63s23p64s23d104p5
4
7 (4s24p5)
Zadania
1. Podaj konfigurację elektronową:
3+
37Rb, 13Al , 53I , 10Ne
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) 4s24p1
b) 4s23d104p1
c) 3s23p2
d) 3s23d103p1
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) 1s22s22p3
b) 1s22s22p63s23p64s23d6
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
c) 1s22s22p4
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, ms, 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) 1s22s22p4
b) 1s22s22p63s23p63d104s24p6
c) [Kr]5s1
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) 1s22s22p63s23p5
b) 1s22s22p63s23p63d64s2
Projekt „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość” jest współfinansowany
przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego