Per tab. Лайфстал портал о самом интересном в мире

Натрий. Строение атома натрия


Атом и молекула натрия. Формула натрия. Строение натрия:

Натрий (лат. Natrium, от лат. слова natrium, которое было заимствовано из среднеегипетского языка (nṯr), где оно означало среди прочего – «сода», «едкий натр») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Na и атомным номером 11. Расположен в 1-й группе (по старой классификации – главной подгруппе первой группы), третьем периоде периодической системы.

Натрий, свойства атома, химические и физические свойства

Натрий – металл. Относится к группе щелочных металлов.

Натрий обозначается символом Na.

Как простое вещество натрий при нормальных условиях представляет собой мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета в тонких слоях с фиолетовым оттенком.

Молекула натрия одноатомна.

Химическая формула натрия Na.

Электронная конфигурация атома натрия 1s2 2s2p3s1. Потенциал ионизации (первый электрон) атома натрия равен 495,85 кДж/моль (5,1390769(3) эВ).

Строение атома натрия. Атом натрия состоит из положительно заряженного ядра (+11), вокруг которого по трем оболочкам движутся 11 электронов. При этом 10 электронов находятся на внутреннем уровне, а 1 электрон – на внешнем. Поскольку натрий расположен в третьем периоде, оболочек всего три. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома натрия – на 3s-орбитали находится один неспаренный электрон. В свою очередь ядро атома натрия состоит из 11 протонов и 12 нейтронов. Натрий относится к элементам s-семейства.

Радиус атома натрия (вычисленный) составляет 190 пм.

Атомная масса атома натрия составляет 22,98976928(2) а. е. м.

Натрий – шестой по распространённости элемент в земной коре. Содержание его в земной коре составляет 2,3 %, в океанах и морях – 1,1 %.

Натрий очень легко вступает в химические реакции.

Видео

Ионы натрия

На внешнем энергетическом уровне атома натрия имеется один электрон, который является валентным:

1s22s22p63s1.

В результате химического взаимодействия натрий отдает свой единственный валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Na-1e → Na+.

Физические свойства

Металлический натрий, сохраняемый в керосине

Качественное определение натрия с помощью пламени — ярко-жёлтый цвет эмиссионного спектра «D-линии натрия», дублет 588,9950 и 589,5924 нм.

Натрий — серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96842 г/см³ (при 19,7° С), температура плавления 97,86° С, температура кипения 883,15° С.

Электронное строение атома натрия

Полная формула, показывающая распределение электронов по энергетическим уровням в атоме, имеет следующий вид: 1s22s22p63s1.

Последний неспаренный электрон, при вращении образующий облако в виде сферы, находится на значительном удалении от собственного ядра. Он участвует в возникновении такого типа связи, как ионное взаимодействие, и называется валентным.

Радиус самого атома составляет около 0,189 нм, а энергия его ионизации равна 5,14 эВ. Благодаря такому строению атома элемента натрия, его простое вещество проявляет хорошо выраженные восстановительные свойства, то есть в реакциях с атомами других элементов всегда отдает свой единственный электрон, расположенный на последнем энергетическом уровне (третий).

При этом электронейтральная частица натрия превращается в положительно заряженный ион – катион. Ярко выраженные восстановительные свойства металла и его химическая активность предъявляют особые требования к условиям его хранения. Чтобы металл не окислялся кислородом воздуха, его сберегают под слоем технического масла или керосина. Электронная схема атома натрия имеет следующий вид (см. фото ниже).

Валентность Na

Атомы натрия в соединениях проявляют валентность I.

Валентность натрия характеризует способность атома Na к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Применение

Металлический натрий широко используется в препаративной химии и промышленности как сильный восстановитель, в том числе в металлургии. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах грузовиков как теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру плавления −78 °C и был предложен в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для атомных энергоустановок.

Натрий также используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12-24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).

Металлический натрий применяется в качественном анализе органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна)

— Хлорид натрия (поваренная соль) — древнейшее применяемое вкусовое и консервирующее средство. — Азид натрия (Na3N) применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при получении азида свинца. — Цианид натрия (NaCN) применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение). — Хлорат натрия (NaClO3) применяется для уничтожения нежелательной растительности на железнодорожном полотне.

Сплавы натрия

Важнейшие области применения натрия – это атомная энергетика, металлургия, промышленность органического синтеза. В атомной энергетике натрий и его сплав с калием применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей. Сплав натрия с калием, содержащий 77,2% (масс.) кадия, находится в жидком состоянии в широком интервале температур, имеет высокий коэффициент теплоотдачи и не взаимодействует с большинством конструкционных материалов ни при обычных, ни при повышенных температурах.

Натрий используется как добавка, упрочняющая свинцовые сплавы.

Со ртутью натрий образует твердый сплав – амальгаму натрия, которая иногда используется как более мягкий восстановитель вместо чистого металла.

Нахождение в природе

Кларк натрия в земной коре 25 кг/т. Содержание в морской воде в виде соединений — 10,5 г/л. Металлический натрий встречается как примесь, окрашивающая каменную соль в синий цвет. Данную окраску соль приобретает под действием радиации.

Электронные формулы элементов первых четырех периодов

Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:

+1H 1s1      1s 

У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:

+2He 1s2      1s  

Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:

+3Li 1s22s1      1s     2s 

У бериллия 2s-подуровень заполнен:

+4Be 1s22s2      1s    2s 

Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:

+5B 1s22s22p1      1s    2s     2p 

У следующего элемента, углерода, очередной электрон, согласно правилу Хунда, заполняет вакантную орбиталь, а не заполняет частично занятую:

+6C 1s22s22p2      1s    2s     2p 

Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя  по ответам конце статьи:

5. Азот

6. Кислород

7. Фтор

У неона завершено заполнение второго энергетического уровня: 

+10Ne 1s22s22p6      1s    2s     2p 

У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:

+11Na 1s22s22p63s1      1s    2s     2p      3s 

От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.

8. Магний

9. Алюминий

10. Кремний

11. Фосфор

12. Сера

13. Хлор

14. Аргон

А вот начиная с 19-го элемента, калия, иногда начинается путаница — заполняется не 3d-орбиталь, а 4s. Ранее мы упоминали в этой статье, что заполнение энергетических уровней и подуровней электронами происходит по энергетическому ряду орбиталей, а не по порядку. Рекомендую повторить его еще раз. Таким образом, формула калия:

+19K 1s22s22p63s23p64s11s 2s 2p3s 3p4s

Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:

 +19K   [Ar]4s1    [Ar] 4s 

У кальция 4s-подуровень заполнен:

+20Ca   [Ar]4s2    [Ar] 4s

У элемента 21, скандия, согласно энергетическому ряду орбиталей, начинается заполнение 3d-подуровня:

+21Sc   [Ar]3d14s2    [Ar] 4s    3d 

Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия:

+22Ti   [Ar]3d24s2    [Ar] 4s    3d

+23V   [Ar]3d34s2      [Ar] 4s    3d 

Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:

+24Cr   [Ar]3d54s1      [Ar] 4s  3d 

В чём же дело? А дело в том, что при «традиционном» порядке заполнения орбиталей (соответственно, неверном в данном случае — 3d44s2) ровно одна ячейка в d-подуровне оставалась бы незаполненной. Оказалось, что такое заполнение энергетически менее выгодно. А более выгодно, когда d-орбиталь заполнена полностью, хотя бы единичными электронами. Этот лишний электрон переходит с 4s-подуровня. И небольшие затраты энергии на перескок электрона с 4s-подуровня с лихвой покрывает энергетический эффект от заполнения всех 3d-орбиталей. Этот эффект так и называется — «провал» или «проскок» электрона. И наблюдается он, когда d-орбиталь недозаполнена на 1 электрон (по одному электрону в ячейке или по два).

У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца:

+25Mn   [Ar]3d54s2

 

Аналогично у кобальта и никеля. А вот у меди мы снова наблюдаем провал (проскок) электрона — электрон опять проскакивает с 4s-подуровня на 3d-подуровень:

+29Cu   [Ar]3d104s1

На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:

+30Zn   [Ar]3d104s2

У следующих элементов, от галлия до криптона, происходит заполнение 4p-подуровня по квантовым правилам. Например, электронная формула галлия:

+31Ga   [Ar]3d104s24p1

Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно.

Некоторые важные понятия:

Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны.

Например, у меди   ([Ar]3d104s1) внешний энергетический уровень — четвёртый.

Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвовать в образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr   [Ar]3d54s1) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s1), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.

Электронные формулы ионов

Атомы могут отдавать и принимать электроны. Отдавая или принимая электроны, они превращаются в ионы.

Ионы — это заряженные частицы. Избыточный заряд обозначается индексом в правом верхнем углу.

Если атом отдаёт электроны, то общий заряд образовавшейся частицы будет положительный (вспомним, что число протонов в атоме равно числу электронов, а при отдаче электронов число протонов будет больше числа электронов). Положительно заряженные ионы — это катионы. Например: катион натрия образуется так:

+11Na 1s22s22p63s1      -1е = +11Na+ 1s22s22p63s

Если атом принимает электроны, то приобретает отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы — это анионыНапример, анион хлора образуется так:

+17Cl 1s22s22p63s23p5   +1e = +17Cl 1s22s22p63s23p6

Таким образом, электронные формулы ионов можно получить добавив или отняв электроны у атома. Обратите внимание, при образовании катионов электроны уходят с внешнего энергетического уровня. При образовании анионов электроны приходят на внешний энергетический уровень.

Попробуйте составить самостоятельно электронный формулы ионов. Не забывайте проверять себя по ключам!

18. Ион Са2+

19. Ион S2-

20. Ион Ni2+

В некоторых случаях совершенно разные атомы образуют ионы с одинаковой электронной конфигурацией. Частицы с одинаковой электронной конфигурацией и одинаковым числом электронов называют изоэлектронными частицами.

Например, ионы Na+ и F.

Электронная формула катиона натрия: Na+   1s22s22p6, всего 10 электронов.

Электронная формула аниона фтора: F   1s22s22p6, всего 10 электронов.

Таким образом, ионы Na+ и F — изоэлектронные. Также они изоэлектронны атому неона.

Ответы на вопросы:

1. У изотопов одного химического элемента массовое число всегда разное, т.к. массовое число складывается из числа протонов и нейтронов. А у изотопов различается число нейтронов.

2. У изотопов одного элемента число протонов всегда одинаковое, т.к. число протонов характеризует химический элемент.

3. Массовое число изотопа брома-81 равно 81. Атомный номер = заряд ядра брома = число протонов в ядре = 35. Вычитаем из массового числа число протонов, получаем 81-35=46 нейтронов.

4. Массовое число изотопа хлора равно 37. Атомный номер, заряд ядра и число протонов в ядре равно 17. Получаем число нейтронов = 37-17 =20.

5. Электронная формула азота:

+7N 1s22s22p3      1s    2s     2p 

6. Электронная формула кислорода:

+8О 1s22s22p1s  2s  2p 

7. Электронная формула фтора:

8. Электронная формула магния:

+12Mg 1s22s22p63s2      1s    2s     2p      3s

9. Электронная формула алюминия:

+13Al 1s22s22p63s23p1     1s    2s   2p    3s   3p 

10. Электронная формула кремния:

+14Si 1s22s22p63s23p2     1s    2s   2p    3s   3p

11. Электронная формула фосфора:

+15P 1s22s22p63s23p3     1s    2s   2p    3s   3p

12. Электронная формула серы:

+16S 1s22s22p63s23p4     1s    2s   2p    3s   3p

13. Электронная формула хлора:

14. Электронная формула аргона:

+18Ar 1s22s22p63s23p6     1s    2s   2p    3s   3p

15. Электронная формула углерода в возбуждённом состоянии:

+6C* 1s22s12p3   1s    2s     2p

16. Электронная формула бериллия в возбуждённом состоянии:

+4Be 1s22s12p1      1s    2s    2p 

17. Электронная формула кислорода в возбуждённом энергетическом состоянии соответствует формуле кислорода в основном энергетическом состоянии, т.к. нет условий для перехода электрона — отсутствуют вакантные энергетические орбитали.

18. Электронная формула иона кальция Са2++20Ca2+   1s22s22p63s23p6 

19. Электронная формула аниона серы S2-+16S2- 1s22s22p63s23p6

20. Электронная формула катиона никеля Ni2++28Ni2+  1s22s22p63s23p63d84s. Обратите внимание! Атомы отдают электроны всегда сначала с внешнего энергетического уровня. Поэтому никель отдаёт электроны сначала с внешнего 4s-подуровня.

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Строение атома» (задание 1 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Теги

Adblock
detector