8.5: Електронна структура та періодична таблиця

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22541

Anonymous
LibreTexts

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Пов'язати електронні конфігурації елементів з формою періодичної таблиці.
Визначте очікувану електронну конфігурацію елемента за його місцем у таблиці Менделєєва.

У главі 3 ми ввели таблицю Менделєєва як інструмент для організації відомих хімічних елементів. Таблиця Менделєєва представлена на рис\(\PageIndex{1}\). Елементи перераховуються за атомним номером (кількістю протонів в ядрі), а елементи з подібними хімічними властивостями згруповані між собою в стовпчики.

Періодична таблиця. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Періодична таблиця

Чому таблиця Менделєєва має ту структуру, яку вона робить? Відповідь досить проста, якщо розібратися в електронних конфігураціях, форма таблиці Менделєєва імітує заповнення підоболонок електронами.

Форма таблиці Менделєєва імітує заповнення підоболонок електронами.

Почнемо з Н і Він. Їх електронні конфігурації - ¹ s 1 і 1 s ² відповідно; при He заповнюється оболонка n = 1. Ці два елементи складають перший рядок таблиці Менделєєва (рис.\(\PageIndex{2}\))

Порожній контур періодичної таблиці, з першими 2 оболонками у верхньому лівому та правому куті, заповненими зеленим кольором. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Підоболонка 1s. H і Він являють собою заповнення 1s підоболонки.

Наступні два електрони, для Li та Be, увійдуть у підоболонку 2 s. \(\PageIndex{3}\)На малюнку видно, що ці два елементи суміжні по таблиці Менделєєва.

Порожня таблиця Менделєєва, з 2 квадратами на другому рядку зліва заповнені гірчичним зеленим кольором. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Підоболонка 2s. У Li та Be заповнюється підоболонка 2s.

Для наступних шести елементів підоболонка 2 р зайнята електронами. У правій частині таблиці Менделєєва ці шість елементів (B - Ne) згруповані разом (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Порожня таблиця Менделєєва, з 6 квадратів на другому рядку праворуч заповнені гірчичним зеленим кольором. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Підоболонка 2p. Для B через Ne підоболонка 2p зайнята.

Наступною підоболонкою, яку потрібно заповнити, є підоболонка 3 s. Елементи, що збігаються з цією підоболонкою, що заповнюється, Na і Mg, повертаються в лівій частині таблиці Менделєєва (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Порожня таблиця Менделєєва, з 2 квадратами на третьому ряду зліва заповнені гірчичним зеленим кольором. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Підоболонка 3s. Тепер підоболонка 3s зайнята.

Далі 3 п підоболонки заповнюється наступними шістьма елементами (рис.\(\PageIndex{6}\)).

Порожня таблиця Менделєєва, з 6 квадратів на третьому ряду праворуч заповнені гірчичним зеленим кольором. — Малюнок 8.5.6: Підоболонка 3p. Далі підоболонка 3p заповнюється електронами.

Замість того, щоб заповнити 3 d підоболонки далі, електрони йдуть в підоболонку 4 s (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Порожня таблиця Менделєєва, з 2 квадратами на четвертому ряду зліва заповнені гірчичним зеленим кольором. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Підоболонка 4s. Підоболонка 4s заповнюється перед 3d підоболонкою. Це відбивається на структурі таблиці Менделєєва.

Після заповнення підоболонки 4 s підоболонка 3 d заповнюється до 10 електронів. Цим пояснюється розділ з 10 елементів в середині таблиці Менделєєва (рис.\(\PageIndex{8}\)).

Порожня таблиця Менделєєва, з 10 квадратів на четвертому ряду посередині заповнені гірчичним зеленим кольором. — Малюнок\(\PageIndex{8}\): 3d підоболонка. 3d підоболонка заповнюється в середній частині таблиці Менделєєва.

І так далі. Коли ми йдемо по стовпцях періодичної таблиці, загальна форма таблиці окреслює, як електрони займають оболонки та підоболонки.

Перші два стовпці в лівій частині таблиці Менделєєва знаходяться там, де зайняті s підоболонки. Через це перші два рядки таблиці Менделєєва позначаються блоком s. Аналогічно блок p - це крайні праві шість стовпців таблиці Менделєєва, блок d - середні 10 стовпців таблиці Менделєєва, тоді як блок f - розділ з 14 стовпців, який зазвичай зображується як відокремлений від основного тіла таблиці Менделєєва. Вона могла б бути частиною основного корпусу, але тоді таблиця Менделєєва була б досить довгою і громіздкою. \(\PageIndex{9}\)На малюнку показані блоки таблиці Менделєєва.

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Блоки на періодичній таблиці. Періодична таблиця розділена на блоки в залежності від того, яка підоболонка заповнюється для атомів, що належать до цього розділу.

Електрони в оболонці з найвищою нумерацією, плюс будь-які електрони в останній незаповненій підоболонці, називаються валентними електронами; оболонка з найвищою нумерацією називається валентної оболонкою. (Внутрішні електрони називаються електронами ядра.) Валентні електрони значною мірою контролюють хімію атома. Якщо ми подивимось на електронну конфігурацію валентної оболонки, то виявимо, що в кожному стовпці електронна конфігурація валентної оболонки однакова. Для прикладу візьмемо елементи в першому стовпці періодичної таблиці: H, Li, Na, K, Rb і Cs. Їх електронні конфігурації (скорочено для більших атомів) такі, при цьому електронна конфігурація валентної оболонки виділена:

Таблиця з двома стовпцями і 6 рядками. Перший стовпець зліва містить різні елементи в рядках внизу. Другий стовпець праворуч має різні відповідні електронні конфігурації для вказаного елемента в рядках під ним.
Ч:	1 с ¹
Лі:	1 с ^{2 2} с ¹
Na:	[Не] 3s ¹
К:	[Ар] 4 с ¹
Рб:	[Кр] 5 с ¹
Cs:	[Xe] 6s ¹

Всі вони мають схожу електронну конфігурацію в своїх валентних оболонках: єдиний електрон. Оскільки значна частина хімії елемента знаходиться під впливом валентних електронів, ми очікуємо, що ці елементи матимуть аналогічні chemistry— і вони роблять. Організація електронів в атомах пояснює не тільки форму таблиці Менделєєва, а й те, що елементи в одному стовпці таблиці Менделєєва мають схожу хімію.

Це ж поняття стосується і інших стовпців таблиці Менделєєва. Елементи в кожному стовпці мають однакову валентну оболонку електронної конфігурації, а елементи мають деякі схожі хімічні властивості. Це суворо вірно для всіх елементів в блоках s і p. У блоках d і f, оскільки є винятки з порядку заповнення підоболонок електронами, подібні валентні оболонки в цих блоках не є абсолютними. Однак багато подібності дійсно існує в цих блоках, тому очікується схожість за хімічними властивостями.

Подібність електронної конфігурації валентної оболонки передбачає, що ми можемо визначити електронну конфігурацію атома виключно за його положенням на таблиці Менделєєва. Розглянемо Se, як показано на малюнку\(\PageIndex{10}\). Він знаходиться в четвертому стовпчику блоку p. Це означає, що його електронна конфігурація повинна закінчуватися в електронній конфігурації p ⁴. Дійсно, електронна конфігурація Se є [Ar] 4 s ² 3 d ¹⁰ 4 p ⁴, як і очікувалося.

Порожня періодична таблиця з 1 елементом міткою, Selenium (Se). — Малюнок\(\PageIndex{10}\): Селен за періодичною таблицею

Приклад\(\PageIndex{1}\)

З положення елемента на таблиці Менделєєва передбачте електронну конфігурацію валентної оболонки для кожного атома (рис.\(\PageIndex{11}\)).

Положення хлору, кальцію, титану та олова наведені в таблиці Менделєєва. — Малюнок\(\PageIndex{11}\): Різні елементи періодичної таблиці

Ca
Сн

Рішення

Ca знаходиться в другій колонці s блоку. Ми очікуємо, що його електронна конфігурація повинна закінчитися з s ². Електронна конфігурація кальцію [Ar] 4 s ².
Sn знаходиться у другому стовпці блоку p, тому ми очікуємо, що його електронна конфігурація закінчиться на p ². Електронна конфігурація Тіні [Кр] 5 s ² 4 d ¹⁰ 5 p ².

Вправа\(\PageIndex{1}\)

З положення елемента на таблиці Менделєєва передбачте електронну конфігурацію валентної оболонки для кожного атома. Малюнок\(\PageIndex{11}\).

Відповідь на: [Ар] 4 с ² 3 д ²
Відповідь б: [Немає] 3 s ² 3 п ⁵

Їжа та напої Застосування: Штучні барвники

Колір предметів походить від іншого механізму, ніж кольори неонових та інших розрядних вогнів. Хоча кольорові вогні виробляють свої кольори, предмети кольорові, оскільки вони переважно відображають певний колір від білого світла, який світить на них. Наприклад, червоний помідор яскраво-червоний, оскільки він відображає червоне світло, поглинаючи всі інші кольори веселки.

Багато продуктів, таких як помідори, мають високу забарвлення; насправді загальне твердження «спочатку їсте очима» - це неявне визнання того, що візуальна привабливість їжі так само важлива, як і її смак. Але як щодо оброблених харчових продуктів?

Багато оброблені харчові продукти мають харчові барвники, додані до них. Існує два види харчових барвників: натуральні і штучні. Природні харчові барвники включають карамелізований цукор для коричневого кольору; аннато, куркуму та шафран для різних відтінків оранжевого або жовтого; бетанін з буряка для фіолетового; і навіть кармін, глибокий червоний барвник, який видобувається з кошеніля, невеликої комахи, яка є паразитом на кактусах у Центральній та Південній Америці. (Правильно - ви, можливо, їсте сік помилок!)

Деякі розмальовки штучні. У Сполучених Штатах Управління з контролю за продуктами та ліками в даний час схвалює лише сім сполук як штучні барвники в продуктах харчування, напоях та косметиці:

FD&C Синій #1: блискучий синій FCF
FD&C Синій #2: Індиготин
FD&C Зелений #3: Швидкий зелений FCF
RD&C Червоний #3: Еритрозин
FD&C Червоний #40: Червоний колір змінного струму
FD & C жовтий #5: тартразин
FD&C Жовтий #6: Захід сонця жовтий FCF

Кольори з нижчим номером більше не представлені на ринку або були видалені з різних причин. Як правило, ці штучні барвники являють собою великі молекули, які дуже сильно поглинають певні кольори світла, роблячи їх корисними навіть при дуже низьких концентраціях в продуктах і косметиці. Навіть при таких низьких кількостях деякі критики стверджують, що невелика частина населення (особливо діти) чутлива до штучних фарбувань і закликають до того, щоб їх використання було скорочено або припинено. Однак формальні дослідження штучних забарвлень та їх впливу на поведінку були безрезультатними або суперечливими. Багато людей продовжують насолоджуватися обробленими продуктами зі штучним забарвленням (як ті, що показані на супровідному малюнку).

Чотири штучних харчових барвника (Зелений, червоний, синій і жовтий). — Штучні харчові барвники. Штучні харчові барвники містяться в різних харчових продуктах, таких як оброблені продукти, цукерки та яєчні барвники. Навіть корми для домашніх тварин мають в них штучний харчовий барвник. (CC by 2.0, Метью Бленд через Flickr.)

Резюме

Розташування електронів в атомах відповідає за форму таблиці Менделєєва. Конфігурації електронів можна передбачити за положенням атома на періодичній таблиці.