Химический элемент № 30

4.Электронное строение атома.

4.2. Дайте объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента в системе Д.И. Менделеева (порядковый номер, номер периода, номер группы, принадлежность к группе «А» или «Б»). Определите возможность «Эффекта провала электрона».

Решение.

Порядковый номер химического элемента в периодический системе – 30. молярная масса элемента равна 65.39 г/моль.

. Это значит, что в нейтральном атоме цинка содержится 30 электронов, заряд ядра атома цинка также равен 30. Цинк расположен в четвертом периоде системы. Это значит, что в атоме цинка есть четыре электронных слоя, на которых расположены электроны. Цинк расположен во второй группе периодической системы. В атоме цинка полностью заполняется 3d-подуровень на котором теперь находится 10 электронов. Цинк принадлежит к побочной подгруппе, или группе «Б».

Провал или проскок электрона для цинка невозможен, поскольку у него полностью заполнен 3d-подуровень. Провал электрона характерен для меди, серебра, у них количество d-электронов также равно 10, но s-электрон только один. Это можно объяснить повышенной энергетической стойкостью электронных структур, отвечающих полностью заполненным энергетическим подуровням. Переход электрона в атоме меди с 4s на 3d-подуровень приводит к образованию полностью заполненного 3d-подуровня и это энергетически выгодно. У цинка 3d – под уровень заполнен и электрону некуда переходить.

4.3. Выделите валентные подуровни в электронной формуле атома химического элемента, определите принадлежность химического элемента к типу s-, p-, d-, f-элементов.

Решение.

Покажем расположение валентных электронов в атоме цинка. Как видно из электронной формулы цинк относится к d-элементам, поскольку у него заполняется 3d-подуровень.

На приведенном рисунке эллипсом выделено расположение валентных электронов.

4.4. Напишите наборы квантовых чисел для всех валентных электронов.

Решение.

У атома цинка будет два валентных электрона. Запишем наборы квантовых чисел для этих электронов. Главное квантовое число равно 4 и химический элемент находится в 4 периоде периодической системы химических элементов. Поскольку в цинка валентные электроны расположены только на s-подуровне то его орбитальное квантовое число имеет значение равное 0. Поскольку этих электронов будет 2 то они имеют противоположные спины ms = ±1/2. Поскольку ml = 0 то у элемента не будет других подуровней кроме s-подуровня.

Наборы квантовых чисел будут иметь вид:

n = 5; l = 0; ml = 0; ms = +1/2.

n = 5; l = 0; ml = 0; ms = -1/2.

4.5. Определите принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам, спрогнозируйте величины степени окисления.

Решение.

Поскольку цинк расположен во второй группе периодической системы, то он относится к металлам. В химических реакциях он будет проявлять металлические свойства. для металлов более приемлема отдача электронов. Поэтому цинк может отдавать два электрона с - подуровня. Поэтому цинк будет проявлять степень окисления +2. В связи с экранированием 3d – подуровня и его заполненостью, электроны с него не будут брать участие в химических процессах и поэтому цинк будет проявлять только степень окисления равную +2.

4.6. Распределите валентные электроны атома химического элемента по энергетическим ячейкам в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Гунда.

Решение.

В соответствии с принципом наименьшей энергии два валентных электрона атома цинка расположатся на 4s-подуровне, поскольку он располагает меньшей энергией чем любой другой подуровень. Правило Хунда гласит, что устойчивому состоянию атома отвечает такое расположение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально. Поэтому мы моглы бы считать. Что в одной ячейке будут электроны с одинаково направлеными спинами. Но это противоречит принципу Паули. И поэтому расположение электронов для цинка будет таково как на приведенном нами рисунке:

4.7. Прогнозируйте тип гибридизация валентных атомных орбиталей при образовании бинарных соединений (фторидов, хлоридов и др.).

Решение.

Рассмотрим получение :

Каждый атом фтора, входящий в состав данной молекулы, обладает одним неспаренным электроном, который и берет участие в создании ковалентной связи. Атом цинка в не возбужденном состоянии неспаренных электронов не имеет вообще:

Поэтому для участия в химическом соединении атом цинка должен перейти в возбужденное состояние: .

Образовавшийся возбужденный атом цинка владеет двумя не спаренными электронами, электронное облако одного электрона соответствует состоянию 4s, а другого состоянию 4p. При затрате некоторой энергии вместо исходных орбита лей могут образовываться две равноценные гибридные орбитали (sp – орбитали). У атома цинка в бинарных соединениях будет наблюдаться sp –гибридизация. Гибридные sp –орбитали будут вытянуты в противоположных направлениях, как это показано на рисунке.

Рис. 1. Строение молекулы ZnF2.

5. Соединение данного химического элемента с неметаллами.

5.2. С галогенами.

Решение.

Газообразные фтор, бром, хлор, иод не реагируют с цинком на холоду. Но в присутствии паров воды реакция может проходить с воспламенение металла и выделением большого количества теплоты (для фтора 172 ккал, для хлора 95,6 ккал на моль цинка)

В реакции с галогенами получаем галоген производные цинка: фториды, хлориды, броматы.

5.4. С азотом.

Решение.

С азотом, даже в парах цинк не реагирует, но довольно легко реагирует при температуре красного каления с аммиаком с выделением нитрида цинка .

5.5. С углеродом.

Решение.

Цинк непосредственно не реагирует с углеродом и карбид цинка мы можем получить только через промежуточные реакции. Карбид цинка мы можем получить при нагревании цинка в токе ацетилена при температурах около 200 – 300 С.