Как определять s p d f элементы. S-, p-, d- и f-элементы. Отличие амфотерных оксидов от основных и кислотных оксидов. Ионно-молекулярные и молекулярные уравнения совместного гидролиза. Биологическая роль макро- и микроэлементов

Задание 1

1) Периодический закон Д.И.Менделеева, его современная формулировка. 2) Структура периодический системы с точки зрения строения атома.3) Периодичность изменения свойств атома: энергия ионизации, электронегатисность, энергия средство к электрону. 4) Основные классы химических соединений. 5) Классификация биогенных элементов. 6) Качественное и количественное содержание макро- и микроэлементов в организме человека. 7) Элементы – органогены.

Периодический закон – фундаментальный закон природы, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 году при сопоставлении свойств известных в то время химических элементов и величин их атомных масс.

Формулировка периодического закона, данная Д.И. Менделеевым, гласила: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от атомных масс этих элементов. Современная формулировка гласит: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра этих элементов. Такое уточнение потребовалось, поскольку к моменту установления Менделеевым периодического закона еще не было известно о строении атома. После выяснения строения атома и установления закономерностей размещения электронов по электронным уровням стало ясно, что периодическая повторяемость свойств элементов связана с повторяемостью строения электронных оболочек.

Периодическая система – графическое изображение периодического закона, суть которого в том, то с увеличением заряда ядра периодически повторяется строение электронной оболочки атомов, а значит будут периодически изменяться свойства химических элементов и их соединений.

Свойство элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер и атомов.

Энергия ионизации – разновидность энергии связи, представляет собой наименьшую энергию, необходимую для удаления электрона от свободного атома в его низшем энергетическим (основном) состоянии на бесконечность.

Энергия ионизации является одной из главных характеристик атома, от которой в значительной степени зависят природа и прочность образуемых атомом химических связей. От энергии ионизации атома существенно зависят также восстановительные свойства соответствующего простого вещества. Энергия ионизации элементов измеряется в электронвольт на 1 атом или джоуль на моль.

Сродство к электрону – энергия, которая выделяется или поглощается вследствие присоединения электрона к изолированному атому, находящемуся в газообразном состоянии. Выражается в килоджоулях на моль (кДж/моль) или электрон-вольтах (эВ). Оно зависит от тех же факторов, что и энергия ионизации.

Электроотрицательность – относительная способность атомов элемента притягивать к себе электроны в любом окружении. Она напрямую зависит от радиуса или размера атома. Чем радиус меньше, тем сильнее он будет притягивать электроны от другого атома. Поэтому, чем выше и правее стоит элемент в периодической таблице, тем меньше у него радиус и больше электроотрицательность. По существу, электроотрицательность определяет вид химической связи.

Химическое соединение – сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов. Делятся на классы: неорганические и органические.

Органические соединения – класс химических соединений, в состав которых входит углерод (есть исключения). Основные группы органических соединений: углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, амиды, амины.

Неорганические соединения – химические соединение, которое не является органическим, то есть оно не содержит углерода. Неорганические соединения не имеют характерного для органических соединений углеродного скелета. Делятся на простые и сложные (оксиды, основания, кислоты, соли).

Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающих с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свое латинское название химический символ, состоящий з одной или пары латинских букв, регламентированные ИЮПАК и приводятся в таблице Периодической системы элементов Менделеева.

В составе живого вещества найдено более 70 элементов.

Биогенные элементы – элементы, необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов. Существует несколько классификаций биогенных элементов:

А) По их функциональной роли:

1) органогены, в организме их 97% (C, H, O, N, P, S);

2) элементы электролитного фона (Na, K, Ca, Mg, Cl). Данные ионы металлов составляют 99% общего содержания металлов в организме;

3) микроэлементы – биологически активные атомы центров ферментов, гормонов (переходные металлы).

Б) По концентрации элементов в организме:

1) макроэлементы – содержание превышает 0,01% от массы тела (Fe, Zn, I, Cu, Mn, Cr, F, Mo, Co, Ni, B, V, Si, Al, Ti, Sr, Se, Rb, Li)

2) микроэлементы – содержание составляет величину порядка 0,01%. Большинство содержится в основном в тканях печени. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям (йод – к щитовидной железе, фтор – к эмали зубов, цинк – к поджелудочной железе, молибден – к почкам). (Ca, Mg, Na, K, P,Cl, S).

3) ультрамикроэлементы – содержание меньше чем 10-5%. Данные о количестве и биологическом роли многих элементов не выявлены до конца.

Органы-депо микроэлементов:

Fe - Накапливается в эритроцитах, селезенке, печени

К - Накапливается в сердце, скелетных и гладких мышцах, плазме крови, нервной ткани, почках.

Mn - органы-депо: кости, печень, гипофиз.

P - органы-депо: кости, белковые вещества.

Ca - органы-депо: кости, кровь, зубы.

Zn - органы-депо: печень, простата, сетчатка.

I - Органы-депо: щитовидная железа.

Si - органы-депо: печень, волосы, хрусталик глаза.

Mg - органы-депо: биологические жидкости, печень

Cu - органы-депо: кости, печень, желчный пузырь

S - органы-депо: соединительная ткань

Ni - органы-депо: легкие, печень, почки, поджелудочная железа, плазма крови.

Биологическая роль макро- и микроэлементов:

Fe - участвует в кроветворении, дыхании, иммунобиологических и окислительно-восстановительных реакциях. При недостатке развивается анемия.

К - участвует в мочеиспускании, возникновении потенциала действия, поддержание осмотического давления, синтез белков.

Mn - Влияет на развитие скелета, участвует в реакциях иммунитета, в кроветворении и тканевом дыхании.

P - сочетает последовательные нуклеотиды в нитях ДНК и РНК. АТФ, служит главным энергетическим носителем клеток. Формирует клеточные мембраны. Прочность костей определяется наличие в них фосфатов.

Ca - участвует в возникновении нервного возбуждения, в свертывающей функций крови, обеспечивает осмотическое давление крови.

Co - Ткани в которых обычно скапливается микроэлемент: кровь, селезенка, кость, яичники, печень, гипофиз. Стимулирует кроветворение, участвует в синтезе белков и углеводном обмене.

Zn - участвует в кроветворении, участвует в деятельности желез внутренней секреции.

I - Нужен для нормального функционирования щитовидной железы, влияет на умственные способности.

Si - способствует синтезу коллагена и образования хрящевой ткани.

Mg - участвует в различных реакциях метаболизма: синтез ферментов, белков др. кофермент синтеза витаминов группы В.

Cu - Влияет на синтез гемоглобина, эритроцитов, белков, кофермент синтеза витаминов группы В.

S - Влияет на состояние кожных покровов.

Ag - Антимикробная активность

Ni - стимулирует синтез аминокислот в клетке, повышает активность пепсина, нормализует содержание гемоглобина, улучшает генерацию белков плазмы.

Элементы-органогены - химические элементы, составляющие основу органических соединений (C, H, O, N, S, P). В биологии органогенными называют четыре элемента, которые вместе составляют около 96-98% массы живых клеток (C, H, O, N).

Карбон - важнейший химический элемент для органических соединений. Органические соединения по определению - это соединения углерода. Он четырехвалентен и способен формировать прочные ковалентные связи между собой.

Роль водорода в органических соединениях в основном заключается в связывании тех электронов атомов углерода, которые не участвуют в образовании межкарбонових связей в составе полимеров. Однако, водород участвует в образовании нековалентных водородных связей.

Вместе с карбоном и водородом, кислород входит в многих органических соединений в составе таких функциональных групп как гидроксильная, карбонильная, карбоксильная и тому подобное.

Азот зачастую входит в состав органических веществ в форме аминогруппы или гетероцикла. Он является обязательным химическим элементом в составе. Азот входит также в состав азотистых оснований, остатки которых содержатся в нуклеозиды и нуклеотиды.

Серы входит в состав некоторых аминокислот, в частности метионина и цистеина. В составе белков между атомами серы остатков цистеина устанавливаются дисульфидные связи, обеспечивающие формирование третичной структуры.

Фосфатные группы, то есть остатки ортофосфорной кислоты входят в состав таких органических веществ как нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, фосфопротеины.

Задание 2,3,4

Биогенные s- и p- элементы. Связь между электронным строением s- и p- элементов и их биологическими функциями. Соединения s- и p- в медицине.

К p-элементов периодической системы относятся элементы с валентным p-подуровнем. Эти элементы расположены в III, IV, V, VI, VII, VIII группах, главных подгруппах . В периоде орбитальные радиусы атомов с увеличением атомного номера уменьшаются, а в целом растет. В подгруппах элементов с увеличением номера элемента, размеры атомов в общем увеличиваются, а уменьшается. p-Элементы III группы К p-элементов III группе относятся , галлий Ga, индий In и таллий Tl. По характеру этих элементов бор является типичным неметаллом, остальные - металлы. В пределах подгруппы прослеживаются резкий переход от неметаллу к металлам. Свойствами и поведением бор подобный , что является результатом диагональной сродства элементов в периодической системе, согласно которой смещение в периоде вправо вызывает усиление неметаллического характера, а вниз по группе - металлического, поэтому аналогичные по свойствам элементы оказываются расположенными диагонально рядом, например Li и Mg, Ber и Al, B и Si.

Электронное строение валентных подуровней атомов p-элементов III группы в основном состоянии имеет вид ns 2 np 1 . В соединениях бор и трехвалентные , галлий и индий, кроме того, могут образовывать соединения со +1, а для таллия последний является довольно характерным.

p-Элементы VIII группы К p-элементов VIII группы относятся гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rh, которые составляют главную подгруппу. Атомы этих элементов имеют завершенные внешние электронные слои, поэтому электронная конфигурация валентных подуровней их атомов в основном состоянии имеет вид 1s 2 (Не) и ns 2 np 6 (остальные элементы). Благодаря очень высокой устойчивости электронных конфигураций они в целом характеризуются большими значениями энергий ионизации и химической инертностью, поэтому их называют благородными (инертными) газами. В свободном состоянии они существуют в виде атомов (одноатомных молекул). Атомы гелия (1s 2), неона (2s 2 2p 6) и аргона (3s 2 3p 6) имеют особо устойчивую электронную структуру, поэтому соединения валентного типа для них неизвестны.

Криптон (4s 2 4p 6), ксенон (5s 2 5p 6) и радон (6s 2 6p 6) отличаются от предыдущих благородных газов большими размерами атомов и, соответственно, меньшими энергиями ионизации. Они способны образовывать соединения, которые зачастую имеют низкую стойкость.

Принадлежность элемента к электронному семейству определяется характером заполнения энергетических подуровней:

s- элементы – заполнение внешнего s - подуровня при наличии на предвнешнем уровне двух или восьми электронов, например:

Li 1s 2 2s 2

s -элементы являются активными металлами, характерные степени окисления которых численно равны количеству электронов на последнем уровне:

1 для щелочных металлов и +2 для элементов второй группы

р- элементы – заполнение внешнего p- подуровня, например:

F 1s 2 2s 2 2p 5

Элементы от В до Ne включительно образуют первую серию p -элементов (элементы главных подгрупп), в атомах которых наиболее удаленные от ядра электроны располагаются на втором подуровне внешнего энергетического уровня.

d- элементы – заполнение предвнешнего d- подуровня, например:

V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3

d- элементы относятся к металлам.

f- элементы – заполнение f- подуровня второго снаружи уровня, например:

Nd 1s 2 2s 2 2p 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 4

f- элементы – это элементы семейств актиноидов и лантаноидов.

Квантовая механика, сравнивая электронные конфигурации атомов приходит к следующим теоретическим выводам:

1. Строение внешней оболочки атома является периодической функцией зарядового числа атома Z.

2. Поскольку химические свойства атома определяются строением внешней оболочки, из предыдущего пункта следует: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра.

Контрольные вопросы

1. Ядерная модель строения атома. Изотопы (радионуклиды).

2. Квантово - механическая модель строения атома.

3. Квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное, спиновое).

4. Строение электронных оболочек атомов. Принцип Паули. Принцип наименьшей энергии. Правило Гунда.

5. Электронно-структурные формулы атомов. Гибридизация атомных орбиталей.

6. Характеристики атома. Атомный радиус. Электроотрицательность. Сродство к электрону. Энергия ионизации. S, p, d, f – электронные семейтсва атомов.

Типовые задачи

Задача № 1.Радиусы ионов Na + и Cu + одинаковы (0,098 нм). Объяснить различие температур плавления хлорида натрия (801°С) и хлорида меди(I) (430°С).

При одинаковых зарядах и размерах ионов Na + и Cu + ,ион Cu + имеет 18 – электронную внешнюю оболочку и более сильно поляризует анион Cl - , чем ион Na + , обладающий электронной структурой благородного газа. Поэтому в хлориде меди(I) в результате поляризации с аниона на катион переносится более значительная часть электронного заряда, чем в хлориде натрия. Эффективные заряды ионов в кристалле CuCl становятся меньше, чем NaCl, а электростатическое взаимодействие между ними – более слабое. Этим объясняется более низкая температура плавления CuCl в сравнении с NaCl, кристаллическая решётка которого близка к чисто ионному типу.

Задача №2. Как обозначается состояние электрона а) с n=4,L=2; б) с n=5,L=3.

Решение: При записи энергетического состояния цифрой указывают номер уровня (n), а буквой - характер подуровня (s, p, d, f). При n=4 и L=2 записываем 4d; при n=5 и L=3 записываем 5f.

Задача № 3. Сколько всего орбиталей соответствует третьему энергетическому уровню? Сколько электронов на этом уровне? На сколько подуровней расщепляется этот уровень?

Решение: Для третьего энергетического уровня n=3, количество атомных орбиталей 9(3 2), что

является суммой 1(s) +3(p) +5(d)=9. По принципу Паули количество электронов на этом уровне 18. Третий энергетический уровень расщепляется на три подуровня: s,p,d (количество подуровней совпадает с числом значений главного квантового числа).

Задача №4. На какие электронные семейства классифицируются химические элементы?

Решение: Все химические элементы можно классифицировать в зависимости от характера заполняемых подуровней на 4 типа:

s-элементы-заполняют электронами ns подуровень;

p-элементы -заполняют электронами np подуровень;

d-элементы-заполняют электронами (n-1)d подуровень;

f-элементы –заполняют электронами (n-2)f подуровень;

Задача № 5. Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня: а) 4р; б)4s

Решение: А) подуровню 4р отвечает сумма (n+1), равная 4+1=5. Такой же суммой характеризуются подуровни 3d (3+2=5) и 5s (5+0=5). Однако состоянию 3d отвечает меньшее значение n (n=3), чем состоянию 4р, поэтому подуровень 3d будет заполняться раньше, чем подуровень 4р. Следовательно, после заполнения подуровня 4р будет заполняться подуровень 5s, которому отвечает на единицу большее значение n(n=5).

Б) подуровню 4s соответствует сумма n+1=4+0=4. Такой же суммой n+1 характеризуется подуровень 3р, но заполнение этого подуровня предшествует заполнению подуровня 4s, т.к. последнему отвечает большее значение главного квантового числа. Следовательно, после подуровня 4s будет заполняться подуровень с суммой (n+1)=5,причем из всех возможных комбинаций n+l, соответствующих этой сумме(n=3, l=2; n=4; l=1; n=5; l=0), первой будет реализоваться комбинация с наименьшим значением главного квантового числа, то есть вслед за подуровнем 4s будет заполняться подуровень 3d.

Вывод: таким образом, заполнение подуровня d отстает на один квантовый уровень, заполнение подуровня f отстает на два квантовых уровня.

Для написания электронной формулы элемента необходимо: арабской цифрой указать номер энергетического уровня, написать буквенное значение подуровня, количество электронов записать в виде показателя степени.

Например: 26 Fe 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6

Электронная формула составлена с учетом конкуренции подуровней, т.е. правила минимума энергии. Без учета последнего электронная формула будет записываться: 26 Fe 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Задача № 6. Электронная структура атома описывается формулой 1s22s22p63s23d74s2. Какой это элемент?

Решение: Этот элемент принадлежит к электронному типу d-элементов 4 периода, т.к. происходит застройка электронами 3d подуровня; число электронов 3d 7 свидетельствует о том, что это седьмой элемент по порядку. Общее число электронов 27,значит порядковый номер 27. Этот элемент кобальт.

Тестовые задания

Выберите правильный вариант ответа

01.ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА ЭЛЕМЕНТА ИМЕЕТ ВИД … 5S 2 4D 4 . УКАЗАТЬ ЧИСЛО ЭЛЕКТРОНОВ В НАРУЖНОМ УРОВНЕ

02. МОГУТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ В АТОМЕ ДВА ЭЛЕКТРОНА С ОДИНАКОВЫМ НАБОРОМ ВСЕХ ЧЕТЫРЕХ КВАНТОВЫХ ЧИСЕЛ?

1) не могут

Могут

3) могут только в возбужденном состоянии

4) могут только в нормальном (невозбужденном) состоянии

03. КАКОЙ ПОДУРОВЕНЬ ЗАПОЛНЯЕТСЯ ПОСЛЕ ПОДУРОВНЯ 4D?

04. ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА ЭЛЕМЕНТА ИМЕЕТ ВИД: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 . УКАЗАТЬ ЧИСЛО ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

05. ЭЛЕКТРОННАЯ ФОРМУЛА ЭЛЕМЕНТА ИМЕЕТ ВИД: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 2 3D 7 . КАКОЙ ЭТО ЭЛЕМЕНТ?

06. КАКОЙ ПОДУРОВЕНЬ ЗАПОЛНЯЕТСЯ ПЕРЕД 4D-ПОДУРОВНЕМ?

07. СРЕДИ ПРИВЕДЕННЫХ НИЖЕ ЭЛЕКТРОННЫХ КОНФИГУРАЦИЙ УКАЗАТЬ НЕВОЗМОЖНУЮ

08. ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА АТОМА ЭЛЕМЕНТА ВЫРАЖАЕТСЯ ФОРМУЛОЙ: 5S 2 4D 3 . ОПРЕДЕЛИТЬ КАКОЙ ЭТО ЭЛЕМЕНТ.

Элементы в периодической системе Менделеева делятся на s-, p-, d-элементы. Это подразделение осуществляется на основе того, сколько уровней имеет электронная оболочка атома элемента и каким уровнем заканчивается заполнение оболочки электронами.

К s-элементам относят элементы IA-группы – щелочные металлы . Электронная формула валентной оболочки атомов щелочных металлов ns1 . Устойчивая степень окисления равна +1. Элементы IА-группы обладают сходными свойствами из-за сходного строения электронной оболочки. При увеличении радиуса в группе Li-Fr связь валентного электрона с ядром слабеет и уменьшается энергия ионизации. Атомы щелочных элементов легко отдают свой валентный электрон, что характеризуют их как сильные восстановители.

Восстановительные свойства усиливаются с возрастанием порядкового номера.

К p-элементам относятся 30 элементов IIIA-VIIIA-групп периодической системы; p-элементы расположены во втором и третьем малых периодах, а также в четвертом-шестом больших периодах. Элементы IIIА-группы имеют один электрон на p-орбитали. В IVА-VIIIА -группах наблюдается заполнение p-подуровня до 6 электронов. Общая электронная формула p-элементов ns2np6 . В периодах при увеличении заряда ядра атомные радиусы и ионные радиусы p-элементов уменьшаются, энергия ионизации и сродство к электрону возрастают, электроотрицательность увеличивается, окислительная активность соединений и неметаллические свойства элементов усиливаются. В группах радиусы атомов увеличиваются. От 2p-элементов к 6p-элементам энергия ионизации уменьшается. Усиливаются металлические свойства p-элемента в группе с увеличением порядкового номера.

К d-элементам относятся 32 элемента периодической системы IV–VII больших периодов . В IIIБ-группе у атомов появляется первый электрон на d-орбитали, в последующих Б-группах d-подуровень заполняется до 10 электронов. Общая формула внешней электронной оболочки (n-1)dansb, где a=1?10, b=1?2 . С увеличением порядкового номера свойства d-элементов изменяются незначительно. У d-эле-ментов медленно происходит возрастание атомного радиуса, также они имеют переменную валентность, связанную с незавершенностью предвнешнего d-электронного подуровня. В низших степенях окисления d-элементы обнаруживают металлические свойства, при увеличении порядкового номера в группах Б они уменьшаются. В растворах d-элементы с высшей степенью окисления обнаруживают кислотные и окислительные свойства, при низших степенях окисления – наоборот. Элементы с промежуточной степенью окисления проявляют амфотерные свойства.

8. Ковалентная связь. Метод валентных связей

Химическая связь, осуществляемая общими электронными парами, возникающих в оболочках связываемых атомов, имеющих антипараллельные спины, называется атомной, или ковалентной связью. Ковалентная связь двухэлектронная и двуцентровая (удерживает ядра). Она образуется атомами одного вида – ковалентная неполярная – новая электронная пара, возникшая из двух неспаренных электронов, становится общей для двух атомов хлора; и атомами разного вида, сходных по химическому характеру – ковалентная полярная. Элементы с большей электроотрицательностью (Cl) будут оттягивать общие электроны от элементов с меньшей электроотрицательностью (Н). Атомы с непарными электронами, имеющими параллельные спины, отталкиваются – химическая связь не возникает. Способ образования ковалентной связи называется обменным механизмом .

Свойства ковалентной связи. Длина связи – межъядерное расстояние. Чем это расстояние короче, чем прочнее химическая связь. Энергия связи – количество энергии, требующееся для разрыва связи. Величина кратности связи прямо пропорциональна энергии связи и обратно пропорциональна длине связи. Направленность связи – определенное расположение электронных облаков в молекуле. Насыщаемость – способность атома образовывать определенное количество ковалентных связей. Химическая связь, образованная перекрыванием электронных облаков вдоль оси, соединяющей центры атомов, называется ?-связью. Связь, образованная перекрыванием электронных облаков перпендикулярно оси, соединяющей центры атомов, называется ?-связью . Пространственная направленность ковалентной связи характеризуется углами между связями. Эти углы называются валентными углами. Гибридизация – процесс перестройки неравноценных по форме и энергии электронных облаков, ведущих к образованию одинаковых по тем же параметрам гибридных облаков. Валентность – число химических связей (ковалентных ), посредством которых атом соединен с другими. Электроны, участвующие в образовании химических связей, называются валентными . Число связей между атомами равно числу его неспаренных электронов, участвующих в образовании общих электронных пар, поэтому валентность не учитывает полярность и не имеет знака. В соединениях, в которых отсутствует ковалентная связь, имеет место степень окисления – условный заряд атома, исходный из предположения, что оно состоит из положительно или отрицательно заряженных ионов. К большинству неорганических соединений применимо понятие степень окисления.