S p d элементы кратко
Обновлено: 05.07.2024
Тема строения атома – это место встречи химии и квантовой физики. В атоме всё подчиняется строгим законам, но в то же время атом не совсем понятен для человеческого ума. Например, количество электронов строго равно количеству протонов, но невозможно точно сказать, в каком месте атома находится электрон. Шрёдингер рассматривал электрон как облако с отрицательным зарядом. Большинство своего времени электрон в отдельном участке атома – орбитали.
Все электроны в атоме расположены на своём расстоянии от ядра – в электронной оболочке. Электрон не может приблизиться к ядру, но и отдалиться тоже не может. Дело в том, что у электрона есть свой запас энергии. Чем её меньше, тем ближе от ядра располагается электрон. Электроны с одинаковым уровнем энергии группируются в один слой – энергетический уровень.
Главное квантовое число и энергетический уровень
Квантовые числа — это своеобразный код записи положения электрона в атоме. Если сравнить атом с домом, то квантовые числа – это адрес электрона: этаж, квартира, комната.
С удалением от ядра число электронов возрастает. Чем выше энергетический уровень, тем больше электронов на нём находится. Их максимальное число для каждого уровня определяется по формуле:
- N – максимальное число электронов
- n – номер уровня (главное квантовое число)
На внешнем энергетическом уровне не может находиться больше 8 электронов.
В энергетических уровнях также выделяют подуровни. Их количество также соответствует главному квантовому числу. Это напоминает расположение квартир в доме: на первом этаже располагается одна квартира, на втором – две, на третьем – три и т.д.
Орбитальное (побочное), магнитное квантовые числа и форма орбитали
Эту схему предложил Бор, она помогает разобраться в строении атома, но не отражает реальной картины. Наши представления об атоме расходятся с реальностью. И выглядит это примерно так:
На первом энергетическом уровне есть только сферическая s-орбиталь. На втором энергетическом уровне появляются три p-орбитали. Их форма напоминает гантель или восьмёрку. На третьем энергетическом уровне уже есть пять d-орбиталей, которые как бы состоят из нескольких лепестков. На четвёртом уровне возникают семь f-орбиталей.
Форму орбиталей обозначают орбитальным (побочным) квантовым числом l (эль). Оно на единицу меньше главного квантового числа, то есть l = n – 1. Тогда получается, что орбитальное число единственной s-орбитали первого энергетического уровня равно нулю. Орбиталь p имеет число 1, орбиталь d – 2, f – 3.
Но как же располагаются орбитали внутри одного подуровня? Дело в том, что движущийся электрон создаёт магнитное поле, в котором по осям x, y, z ориентируются орбитали.
Сферическая s-орбиталь не имеет ориентации в пространстве. Три p-орбитали располагаются в трёх различных проекциях, d – в пяти, f – в семи проекциях. Другими словами, сколько орбиталей одного типа, столько и проекций.
Магнитное квантовое число ml показывает, какие проекции есть у орбитали. Количество таких вариантов определяется по формуле 2l+1.
Для s-орбитали l = 0 и ml = 0, так и получается, что сфера принимает только одно положение в пространстве.
Для p-орбитали l = 1, ml принимает три значения -l, 0, +l. При l = 3, магнитный момент принимает семь (2l + 1 = 7) значений: -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.
Спин электрона
Еще два квантовых числа – спиновое и проекция спина – характеризуют уникальное квантовое свойство электрона. Спин не имеет аналогов в классической механике. Можно представить, что электрон вращается вокруг своей оси в одну или другую сторону.
Квантовые числа
| Главное квантовое число | n = 1, 2, 3, … | Определяет общую энергию электрона на данной орбитали. |
| Орбитальное (побочное) квантовое число | l (любое целое число от 0 до n-1, где n — главное квантовое число. | Показывает различия в энергетическом состоянии электронов внутри одного уровня. Форма атомной орбитали. |
| Магнитное квантовое число | ml = от -1 до +1, включая 0, т.е. (2l + 1) значений. | Ориентация орбитали в пространстве. |
| Спиновое квантовое число | m | |
| Проекция спина | ms | Показывает направление вращения электрона в атоме |
В атомах первого периода таблицы Менделеева есть один энергетический уровень. В нём один или два электрона движутся по s-единственной орбитали.
В атомах второго периода появляется второй уровень. Он состоит из s-и p-подуровней. Второй s-подуровень – это тоже s-орбиталь, на p-подуровне есть три орбитали, которые по-разному расположены в пространстве. Каждая p-орбиталь вмещает 1 или 2 электрона, поэтому максимально на p-подуровне их может быть 6.
В атомах третьего периода появляется d-подуровень с пятью d-орбиталями, в атомах четвёртого периода – f-подуровень с семью f-орбиталями.
S-блок в периодической таблице элементов – электронная оболочка, включающая в себя первые 2 слоя s-элементов (водород, гелий, щелочные и щелочноземельные металлы). За исключением гелия – все s-элементы – сильные восстановители
P-блок – электронная оболочка атомов, валентные электроны которых с наивысшей энергией занимают p-орбиталь (неметаллы, полуметаллы и металлы). Неметаллы имеют сильную электроотрицательность. Металлы – умеренно активные, их активность повышается к низу таблицы
D-блок –электронная оболочка атомов, валентные электроны которых занимают d-орбиталь. Иногда называются переходными металлами
F-блок– электронная оболочка атомов, валентные электроны которых с наивысшей энергией занимают f-орбиталь. Элементы, у которых электроны на 4f обритали – лантаноиды, 5f – актиноиды.
Биогенные элементы. Качественное определение. Учебное пособие / Наумова И. К., Шаповалова Т. А. Ивановская ГСХА имени Д.К.Беляева. – Иваново:ИГСХА, 2016- с.
Это пособие служит дополнительным источником информации, содержащим краткую и в то же время детальную информацию по рассматриваемым в лекционном курсе темам. Нахождение в одном пособии теоретического материала и заданий для проведения лабораторного практикума позволяет быстрее и легче осваивать учебный материал по аналитической химии.
Рекомендовано студентам очной формы обучения.
Печатается на основании решения методической комиссии факультета ветеринарной медицины и биотехнологии в животноводстве. Протокол
©Наумова И. К., Шаповалова Т. А.
ВВЕДЕНИЕ
Химический анализ необходим для нормального функционирования агропромышленного комплекса (анализ состава почв, удобрений, кормов, сельскохозяйственной продукции), в биотехнологии, медицинской диагностике. Объектами химического анализа является практически все, что нас окружает. Без анализа почв, удобрений и т. д. невозможна интенсификация сельского хозяйства. Особое значение приобретает анализ почв на содержание микроэлементов и обоснованное внесение недостающих компонентов для повышения урожайности.
Элементы, которые в живых организмах содержатся постоянно и необходимы для их жизнедеятельности, участвуют в обмене веществ, входят в состав химических соединений, в том числе биологически активных. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы: Fе, Со, Mn, Zn, Мо, V, В, W; в синтезе белков участвуют: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении - Со, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Со. Поэтому микроэлементы нашли широкое применение в медицине, в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормки в животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве. Микроэлементы входят в состав большого числа биорегуляторов живых систем, в основе которых лежат биокомплексы.
Исследуя новое соединение, прежде всего устанавливается из каких компонентов (или ионов) оно состоит, т.е проводят качественный анализ, который базируется на качественных реакциях отдельных компонентов.
I. Теоретическая часть
I . I . Биогенные элементы их классификация.
Понятие биогенных элементов следует начинать рассматривать с понятия биосферы. По Вернадскому, биосферой является часть земной оболочки, приспособленная к жизни, занятая живыми организмами и переработанная ими и космическими излучениями.
Л. П. Виноградов считал, что химический состав живых организмов зависит от химического состава окружающей его среды, и содержание в них химических элементов пропорционально содержанию этих элементов в среде обитания. В организмах содержатся почти все элементы, которые есть в земной коре. 99,8 % массы земной коры составляют следующие элементов: , Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва, из них кислород составляет около половины массы земной коры, кремний - примерно четверть этой массы. .
Все же некоторые элементы содержатся в живых организмах в большем количестве, чем в окружающей их среде, и это явление называется биологическим аккумулированием. Так, содержание углерода в живых организмах - 21%, а в земной коре - лишь 0,35%. Содержание некоторых других элементов, наоборот, в живых организмах понижено по сравнению с окружающей средой. Всего в составе живого вещества обнаружено более 70 элементов. В организме животных обнаружено более 60 элементов, причем 45 из них определены количественно и являются постоянными составными частями организма.
Биогенными элементами в составе живых организмов называют элементы, необходимые ему для построения и жизнедеятельности клеток и органов т.е.элементы, жизненно необходимые организму .
Существует несколько классификаций биогенных элементов. По В.И. Вернадскому, в зависимости от среднего содержания выделено 3 группы:
• макроэлементы, содержание которых в организме выше 10 -2 %; к ним относятся кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий, хлор, магний; они составляют 99,99% живого субстрата; еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, P, Са; они- входят в состав белков, нуклеиновых кислот. В зависимости от функциональной роли макроэлементы делят на органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S), и элементы электролитного фона (Na, К, Са, Мg, Cl).
• микроэлементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 -2 до 10 -5 %; к ним относятся кремний, йод, фтор, стронций, железо, марганец, медь, цинк, рубидий, бром и др.; Микроэлементы непосредственно участвуют в построении витаминов, применяемых в качестве общеукрепляющего и общетонизирующего средства. Примером может служить витамин B12 (цианкобаламин), в структуру которого входит кобальт - 4,5%. Содержание витаминов в растениях соответствует содержанию в них того или иного микроэлемента.
• ультрамикроэлементы, содержание которых в организме ниже 10 -5 %; к ним относятся молибден, селен, титан, кобальт, цезий и др.
Благодаря таким структурам, как биогенные элементы, человек, растения, животные, грибы и бактерии могут двигаться, дышать, питаться, размножаться и вообще жить. Все они имеют свои ячейки в общей химической системе Менделеева. Биогенные элементы, составляющие основу органических соединений - белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, различных ферментов, являющиеся лидерами биогенеза - это углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.
Наряду с ними в процессах жизнедеятельности участвуют многие другие элементы периодической системы (тяжелые металлы, редкие, радиоактивные и др.), часто в микро- и ультрамикроколичествах. Многие из этих химических элементов избирательно накапливаются в растениях и животных, входят в состав биогенных соединений, усиливают или ослабляют физиологические процессы, участвуют в обмене веществ и энергии, при недостатке или избытке вызывают эндемические заболевания организмов и т. п.
Питание растений - сложный процесс поступления отдельных биогенных элементов из воздуха и поглощения основной массы доступных минеральных солей через корневую систему из раствора и твердой фазы почвы.
Из почвы растения получают макро- и микроэлемент основные элементы питания.
Макроэлементы:
· N – отвечает за рост растений, обеспечивает зеленую окраску, повышает урожайность.
· Р - это скорость проращивания, рост здоровых корней.
· К – качество семян и клубней, устойчивость к заморозкам.
Микроэлементы:
· Fe – участвует в образовании хлорофилла.
· В – отвечает за прорастание семян.
· Мп – прорастание семян и мощность растений.
Биогенные элементы являются необходимым условием для жизни растений, корректирование их содержания в почве является мощным способом воздействия на продуктивность сельскохозяйственных культур. Многие из этих химических элементов избирательно накапливаются в растениях и животных, входят в состав биогенных соединений, усиливают или ослабляют физиологические процессы, участвуют в обмене веществ и энергии.
I . II . Общая характеристика s- p - и d - элементов и их соединений и биологическое значение.
Биогенные элементы подразделяют на элементы: s-, p- и d-блоки.
I.II.I. Общая характеристика s-элементов
s-элементами называют химические элементы, в атомах которых заполняются электронами s-подуровень внешнего уровня,. Строение их валентного уровня ns 1-2 . К s-элементам относятся первые два элемента каждого периода, относятся элементы главной подгруппы I группы (IА группы) – водород, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а также элементы главной подгруппы II группы (IIA группы).
Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов - типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. S-элементы имеющие 1 или 2 валентных электрона легко отдают их превращаясь в простые катионы. Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием. Большинство s-катионов бесцветны, хорошо растворимы в воде и для них не характерны окислительные свойства, практически не обладают комплексообразующей способностью, а их гидроксиды обладают основными свойствами. Соли s-элементов подвергаются гидролизу в том случае, если соль образована сильным основанием и слабой кислотой .
Биологические функции s-элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких, как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция, перенос информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение - понижение градиента концентрации, смерть - выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации регулируется связыванием свободных ионов клетки специфическими белками.
I.II.II. Общая характеристика р-элементов
р-элементами называют элементы, у которых происходит достройка р-подуровня внешнего валентного уровня, они образуют главные подгруппы. Электронное строение валентного уровня ns 2 р 1-6 . Валентными являются электроны s- и р-подуровней. Валентными электронами у них могут быть не только электроны внешнего слоя (ns-электроны), но и предвнешнего слоя ((n–1)d-электроны). Отдавая эти электроны они могут образовывать простые катионы (AI +3 , Sn +2 , Pb +2 и т.д.) и сложные анионы, где элементы имеют разные степени окисления (SO3 -2 , NO2 - ). Принимая электроны р-элементы образуют простые анионы (CI - , S- 2 , Br - и т.д.). Ионы р-элементов образуют малорастворимые, часто окрашенные соединения, являются хорошими комплексообразователями.
Ольга Владимировна Макарова
Шпаргалка по неорганической химии
1. Материя и ее движение
Материя – это объективная реальность, обладающая свойством движения. Все существующее есть различные виды движущейся материи. Материя существует независимо от сознания человека. Материя существует либо в виде вещества, либо в виде поля.
Движение материи – постоянное ее взаимодействие, а также изменения состояния объектов, вызванные этими взаимодействиями. Формы движения материи различны. Пример формы движения материи: нагревание и охлаждение тел, излучение света, электрический ток, химические и физические превращения, жизненные процессы. Классификация форм движения материи:
1) неживая природа;
2) живая природа;
Неживую природу характеризует взаимосвязь физической и химической форм движения, живую – биологическая, а общество – социальная форма движения. Одни формы движения материи способны переходить в другие. Например: механическое движение переходит в тепловое, тепловое – в химическое, химическое – в электрическое. Возможен и обратный переход. Взаимопереход форм движения материи подтверждает единство и связь всех ее форм. В этом явлении отражен основной закон природы – закон вечности материи и ее движения:
1) ни один вид материи и ни одна форма движения не могут быть получены из ничего и превращены в ничто;
2) материя и ее движение неуничтожимы и несотворимы – вечно изменяясь, они вечно существуют.
Материя не может существовать вне движения, она всегда находится в состоянии движения, изменения и развития. При уничтожении движения объект прекращает свое существование, переходит в другие объекты, которым характерно движение покоя – состояния движений, обеспечивающих стабильность предмета, сохраняя его качества. Покой относителен, а движение абсолютно – это неотъемлемое свойство материи. Структурные уровни материи:
Развитие материи – переход одного качества в другое, направленное формирование новых типов организации, рождающихся из предшествующих им типов. Две разновидности процессов развития:
1) процессы качественных превращений, в рамках соответствия вида материи, определенного уровня ее организации;
2) процессы перехода от одного уровня к другому.
Свойства и движение материи – предмет изучения естествознания. Оно изучает взаимные превращения, модификации и развитие конкретных видов материи, выявляет закономерности этих явлений и связь между ними. Изучение свойств и закономерностей материи позволяет управлять природными явлениями в нужном направлении и руководить ими в полном объеме.
2 Вещества и их изменение. Предмет неорганической химии
Вещества – виды материи, дискретные частицы которых имеют конечную массу покоя (сера, кислород, известь и т. д.). Из веществ состоят физические тела.
Каждое вещество имеет определенные физические свойства: агрегатное состояние (жидкое, твердое, газообразное), температуру плавления, кипения, замерзания, плотность, растворимость. Агрегатное состояние может переходить из одного в другое. Величины, количественно отражающие свойства веществ называются физическими константами. Различают чистые вещества (сера, железо, дистиллированная вода) и смеси (природная вода, содержащая соли, сплавы). Смеси называют по веществу, преобладающему в их составе. В природе абсолютно чистых веществ не встречается. Если количество примесей ничтожно мало, то вещество считается условно чистым. Чистое вещество однородно, смеси бывают однородные и неоднородные. Однородные смеси – смесь двух или нескольких веществ, которые не обнаруживаются при помощи аппаратуры (смеси газов, многие жидкости, например, кровь, сплавы).
Различают простые и сложные вещества. Вещества, состоящие из атомов одного вида, называются простыми (S – сера, C – графит, O2 – кислород, H2 – водород, все металлы). Вещества, состоящие из атомов разного вида, называются сложными (Н2О – вода, СО2 – углекислый газ, Н2SO4 – серная кислота).
Вещества подвержены различным изменениям. Явления, сопровождающиеся коренными изменениями вещества, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими (Fе (железо) + S (сера) = FеS (сульфид железа)), что является предметом изучения неорганической химии. Предметом неорганической химии является изучение химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ (кроме соединений углерода, составляющих предмет органической химии), превращений веществ, сопровождающихся изменениями его состава, свойств и (или) строения. Неорганические вещества, или минеральные – вещества, встречающиеся в неживой природе (песок, сера, минералы, графит).
Неорганическая химия связана с другими разделами химии – аналитической, коллоидной, кристаллохимией, физической, термодинамикой, электрохимией, радиохимией, химической физикой; на стыке неорганической и органической химии лежит химия металло-органических соединений и элементооргани-ческих соединений. Неорганическая химия соприкасается с геолого-минералогическими науками: геохимией и минералогией, а также с техническими науками – химической технологией (ее неорганической частью), металлургией и агрохимией.
3. Закон сохранения массы. Основное содержание атомно-молекулярного учения
Атомно-молекулярное учение разработал М.В. Ломоносов в 1741 г. Основные положения закона:
3) частицы – молекулы и атомы – находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц;
4) молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ – из различных атомов. Атомно-молекулярное учение окончательно утвердилось в 1860 г.
Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее атомным составом и их химическим строением. Атом – это наименьшая электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов и входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Закон сохранения массы веществ, позже (в 1748 г.) сформулированный М.В. Ломоносовым, подчинен закону атомно-молекулярно-го учения и объяснен с точки зрения последнего: общее число атомов остается постоянным до и после реакций. Например:
То есть из двух молекул бромида калия и одной молекулы хлора (т. е. в общем из трех молекул) образовалось 2 молекулы хлорида калия и одна молекула брома (т. е. образовалось три молекулы), 3 = 3. Из одной молекулы водорода и одной молекулы хлора – 2 молекулы хлороводорода. А масса веществ до и после реакции не претерпевает изменений, т. к. атомы имеют постоянную массу. Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. В 1789 г. независимо от Ломоносова этот же закон изложил французский ученый и химик Лавуазье. Он также экспериментальным путем получил неопровержимое доказательство закона, проведя опыты с многими реакциями. Закон сохранения массы веществ Ломоносов связывал с сохранением энергии. Он рассматривал эти законы с точки зрения всеобщего закона природы. Закон сохранения массы веществ и закон сохранения энергии – единые законы природы – законы вечной материи и ее движения. Взаимосвязь массы и энергии выражается уравнением Энштейна: Е = mc 2 , где Е – энергия, m – масса, и с – скорость света в вакууме. Значение закона сохранения массы веществ. Закон сохранения массы веществ позволяет правильно составить уравнение химических реакций, является опорой для осуществления расчетов по химическим уравнениям, позволяет сформулировать представление о всеобщем равновесии материи.
Читайте также: