Взаимосвязь электронного строения атома со свойствами простых и сложных веществ. Комплементарность

Валентность элемента. По квантово-механическим представлениям валентность элемента определяется числом неспаренных электронов в атоме элемента.

Валентные электроны могут принимать участие в образовании химических связей: для s- и р-элементов валентными являются электроны внешнего энергетического уровня, для d-семейства – электроны внешнего и предвнешнего энергетических уровней.

Например, валентными электронами в атоме селена считаются …4s²4p⁴. В нормальном состоянии атома эти распределены по соответствующим орбиталям следующим образом:

Se B=2

4s 4p 4d

По этой схеме неспаренных электронов два, следовательно, валентность селена в нормальном состоянии атома равна двум.

Если атому сообщить некоторое количество энергии, то атом перейдет в так называемое возбужденное состояние за счет перехода одного или нескольких из спаренных электронов в свободные орбитали данного энергетического уровня. Например,

Se* B*=4

4s 4p 4d

В этом энергетическом состоянии (…4s²4p³4d¹) неспаренных электронов четыре, следовательно, валентность равна четырем.

Se** B**=6

4s 4p 4d

В данном энергетическом состоянии (…4s¹4p³4d²) шесть неспаренных , следовательно, валентность селена равна шести.

Для элементов побочных подгрупп валентность атомов в нормальном состоянии равна нулю, т.к. внешние спаренные s-электроны как бы блокируют неспаренные d-электроны. Например, в атоме ванадия валентными считаются …3d³4s². В нормальном состоянии:

V B=0

3d 4s 4p 4d

V* B*=5

3d 4s 4p 4d

Для элементов побочных подгрупп можно определить только максимальную валентность в возбужденном состоянии атома.

Степень окисления элемента. Степень окисления элемента часто совпадает по абсолютному значению с валентностью этого элемента в определенном энергетическом состоянии. Для элемента, имеющего переменную валентность, характерны и переменные степени окисления. Например, для хлора.

Внешний энергетический Валентность Степени окисления

уровень атома хлора хлора хлора

Cl B=1 -1; +1

3s 3p 3d

Cl* B*=3 +3

3s 3p 3d

Cl** B**=5 +5

3s 3p 3d

Cl*** B***=7 +7

3s 3p 3d

Металлические свойства проявляют элементы, на высшем энергетическом уровне которых число меньше номера внешнего энергетического уровня. Это все d- и f-элементы, s-элементы (кроме водорода и гелия), некоторые р-элементы.

Неметаллические свойства проявляют элементы, у атомов которых на внешнем энергетическом уровне число больше номера этого уровня.

Если число внешнего энергетического уровня совпадает с номером уровня, то свойства элемента промежуточные между свойствами металлов и неметаллов.

Свойства оксидов и гидроксидов. Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов зависят от степени окисления элементов.

Оксиды металлов в низших степенях окисления (+1, +2) имеют основный характер. В качестве гидроксидов им соответствуют основания:

Основный оксид Гидроксид-основание

Na₂O NaOH

MgO Mg(OH)₂

MnO Mn(OH)₂

Оксиды неметаллов и металлов со степенью окисления больше +4 имеют кислотный характер. В качестве гидроксидов кислотным оксидам соответствуют кислоты:

Кислотный оксид Гидроксид-кислота

SO₃ H₂SO₄

N₂O₅ HNO₃

Cl₂O₇ HClO₄

CrO₃ H₂CrO₄

Mn₂O₇ HMnO₄

Оксиды металлов в степени окисления +3, +4 проявляют, как правило, амфотерные свойства. Амфотерными свойствами обладают также оксиды некоторых металлов в степени окисления +2: BеO, ZnO, PbO, SnO, CuO. В качестве гидроксидов амфотерным оксидам соответствуют и кислоты, и основания одновременно.

Кислота Амфотерный оксид Основание

H₂ZnO₂ ZnO Zn(OH)₂

HAlO₂ Al₂O₃ Al(OH)₃

H₂SnO₃ SnO₂ Sn(OH)₄

Пример 1. Порядковый номер элемента равен 30. Укажите положение элемента в периодической системе: период, группу, подгруппу. Составьте электронную формулу атома элемента. Укажите электронное семейство, металл или неметалл. Составьте электронно-графическую формулу для валентных электронов в нормальном и возбужденном состояниях. Укажите возможные валентности и степени окисления атома. Составьте формулы высших и низших оксидов и соответствующих им гидроксидов.

Решение. В периодической системе элементов Д.И.Менделеева находим элемент с порядковым номером 30 – цинк: период – 4, группа – II, подгруппа – побочная. Заряд ядра составляет +30, число электронов – 30.

Электронная формула атома цинка:

1s²2s²2p⁶3s²4s²3d¹⁰.

Цинк относится к d-семейству, т.к. последним заполняется d-подуровень. Число на внешнем уровне (2) меньше номера внешнего уровня (4), следовательно, элемент – металл.

Электронно-графическая формула для энергетического состояния атома …4s²3d¹⁰

а) в нормальном состоянии

Zn B=0

3d 4s 4p 4d

б) в возбужденном состоянии

Zn* B*=2

3d 4s 4p 4d

В соединениях цинк имеет степень окисления +2.

Оксид ZnO. Характер оксида амфотерный.

Гидроксид Zn(OH)₂ и H₂ZnO₂.

Пример 2. Окончание электронной формулы …5s²5p³. Укажите положение элемента в периодической системе: период, группу, подгруппу, назвать элемент. Составьте электронную формулу атома элемента. Укажите электронное семейство, металл или неметалл. Составьте электронно-графическую формулу для валентных в нормальном и возбужденном состояниях. Укажите возможные валентности и степени окисления атома. Составьте формулы высших и низших оксидов и соответствующих им гидроксидов.

Решение. Так как внешний энергетический уровень атома пятый, элемент находится в пятом периоде. Общее число валентных равно пяти, следовательно, элемент находится в пятой группе. Так как заполняется р-подуровень, то элемент расположен в главной подгруппе. В таблице элементов Д.И.Менделеева находим, что это элемент №51 – сурьма. Заряд ядра равен +51, общее число - 51. Сурьма относится к р-семейству, т.к. последним заполняется р-подуровень. Число на внешнем энергетическом уровне (5) равно числу внешнего уровня (5), это значит, что сурьма может проявлять как металлические, так и неметаллические свойства.

Электронная формула атома сурьмы:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p³.