Электронные формулы элементов

Запись, отражающая распределение электронов в атоме химического элемента по энергетическим уровням и подуровням, называется электронной конфигурацией этого атома.

Пример. Цезий Сs находится в 6-м периоде, его 55 электронов (порядковый номер 55) распределены по 6 энергетическим уровням и их подуровням, соблюдая последовательность заполнения электронами орбиталей получим: ₅₅Cs 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s¹.

В свою очередь электронная конфигурация лития – ₃Li 1s²2s¹; углерода – ₆C 1s²2s²2p², хлора – _{1 7} Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

Примеры решения задач

Пример 1. Последним электронную оболочку некоторого элемента заселяет электрон с набором квантовых чисел: n = 3, l = 2, m = –2,
ms = +1/2. Какой это элемент? Какова его полная электронная формула?

Решение. Данный электрон находится на 3-м уровне (n = 3), причем на d-подуровне (l = 2).
На рис. 2.2 изображены все пять d-орбиталей и расположены над ними значения магнитного кван-тового числа m от –2 до +2, нужная орбиталь m = –2.

Расположив на ней единственный электрон (стрелка вверх, так как s = +1/2) и зная, что он последний, мы приходим к выводу, что остальные d-орбитали пусты. Теперь мы уже можем записать сокращенную электронную формулу элемента …3d¹. Этот элемент легко найти в периодической таблице – это скандий ₂₁Sc. Всего на орбитальной диаграмме элемента поместится ровно 21 электрон, следовательно, в его ядре 21 протон и его порядковый номер в таблице Менделеева тоже 21 (Sc). Орбитальная диаграмма помогает записать и полную электронную формулу для скандия: .

 

Пример 2. Элемент имеет порядковый номер 18. Напишите полную электронную формулу, указав, на каких энергетических уровнях и подуровнях находятся электроны в атомах этого элемента.

Решение. Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней происходит в порядке возрастания энергии:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 4f ≈

≈ 5d < 6p < 7s ≈ 5f ≈ 6d < 7p.

Порядковый номер 18, т.е. атом содержит 18 электронов, так как находится в третьем периоде – у него 3 энергетических уровня и его электронная формула имеет вид:  – это аргон.

Пример 3. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде . Какой это элемент? Напишите его полную электронную формулу и определите, к какому электронному семейству относится данный элемент.

Решение. Судя по строению электронной оболочки, элемент находится в 4-м периоде, валентные электроны (3d³ + 4s²), т.е. общее число 5, следовательно, в V группе, d-орбиталь не завершенна я, это d-эле­мент, пятой группы, побочной подгруппы.

Электронная формула этого элемента , это  – ванадий.

 

Пример 4. Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22.

Решение. Число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева. Если элемент с порядковым номером 16 – это сера, а с номером 22 – титан. Сера находится в 3-м периоде, следовательно, у нее 3 энергетических уровня и на последнем уровне
6 электронов, так как находится в VI группе, титан – в 4-м периоде, и у него 4 уровня и 4 электрона на последнем уровне, так как группа IV. Электронные формулы имеют вид:

для серы – ;

для титана – .

Электронно-графические формулы этих атомов:

для ₁₆S:

 

n = 1

n = 2

n = 3

s

d

p

 

для ₂₂Ti:

 

n = 1

n = 2

n = 3

n = 4

s

d

f

p

 

2.3. Индивидуальные задания

31. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде: а)...6p³; б)…3s²3p²; в) … 4s²4р¹. Какой это элемент? Напишите полную электронную формулу и набор квантовых чисел для «последнего» электрона на внешнем электронном уровне*.

32. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде:...3d⁶. Какой это элемент? Напишите полную электронную формулу и набор квантовых чисел для 6-го электрона на d-подуровне*.

33.  Напишите полную электронную формулу элемента неодима ₆₀Nd. К какому электронному семейству относится данный элемент?

34. Напишите полную электронную формулу и графически изобразите распределение электронов по орбиталям для элемента 20Са. Запишите набор квантовых чисел для последнего (наиболее далекого от ядра) электрона этого элемента*.

35. В каком элементе при его образовании из субатомных частиц последним свое место в электронной оболочке займет электрон с таким набором квантовых чисел: n = 3, l = 2, m = 0, s = 1/2? Напишите полную электронную формулу для этого элемента*.

36. Для какого элемента «последним» в электронной оболочке будет электрон с таким набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, m = –1, s = 1/2? Напишите полную электронную формулу для этого элемента. Сколько у него неспаренных электронов?*

37. Для какого элемента «последним» в электронной оболочке будет электрон с таким набором квантовых чисел: n = 2, l = 1, m = 0, s = –1/2? Напишите полную электронную формулу*. Почему этот элемент не может быть благородным? Какой подуровень не заполнен по сравнению с ближайшим благородным элементом? Какой благородный элемент ближайший по электронному строению?

38. Назовите элементы и укажите число неспаренных электронов в атомах, имеющих следующие электронные конфигурации:

а) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²;

б) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶4s²;

в) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰4s² 4р³.

39. Объясните принципы и правила, определяющие последовательность заполнения атомных орбиталей электронами. Напишите электронную формулу элемента с порядковым номером: а) 13; б) 20; в) 51.

40. Что характеризуют квантовые числа? Каково соотношение между ними? Комбинация каких атомных орбиталей, и в каком количестве возможна для главного квантового числа равного: а) 4; б) 3; в) 2?

41. Что понимают под возбужденным состоянием атома? Напишите электронные формулы атома фосфора, находящегося в нормальном и возбужденном состояниях. Представьте графические электронные формулы для этих двух состояний.

42. Как зависит энергия электрона от орбитального квантового числа в многоэлектронном атоме при постоянном значении главного квантового числа? Какой из подуровней – 3d или 4s – будет заполняться электронами раньше?

43. Определите последовательность заполнения электронных подуровней, если l + n = 5. Что понимают под атомной орбиталью?

44. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером: а) 10, 15, 35; б) 6, 21, 36; в) 19, 22, 34. Какой смысл вкладывают в понятие s-, p-, d-электронных облаков? Как изобразить их графически?

45. Приведите графическую электронную формулу атома: а) железа; б) кобальта; в) никеля. Как располагаются d-электроны в атоме железа? Объясните порядок заполнения d-орбиталей.

46. Какую информацию дает электронная формула элемента? Запишите электронную формулу и представьте графическую формулу валентных электронов элементов: а) хрома; б) молибдена; в) азота. Определите основные химические свойства этих элементов.

47. Какие элементы называются электронными аналогами? Перечислите электронные аналоги в шестой группе периодической системы элементов. Какой общей электронной формулой можно описать конфигурацию внешнего электронного слоя халькогенов?

48. Объясните исходя из электронного строения атомов, каков физический смысл номера периода и номера группы. Напишите электронные формулы атомов следующих элементов: а) калия; б) ванадия;
в) мышьяка; г) марганца. Какими химическими свойствами обладают данные атомы?

49. Что понимают под атомным радиусом? Как изменяются атомные радиусы элементов в периодах и группах? Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером 19, 22, 34.

50. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p-, d-,
f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?

51. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4S или 3d? Ответ пояснить примерами.

52. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 5S или 4р? Ответ поясните примерами.

53. Напишите электронные формулы элементов с порядковыми номерами: а) 9, 38; б) 42, 20; в) 6, 29. Укажите валентные электроны.

54. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером 14 и 40. Сколько свободных 3d-орбиталей у атомов последнего элемента?

55. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами: а) 9 и 18; б) 16 и 26; в) 25 и 34. Покажите распределение элементов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

56. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4, l = 0, ml = 0, ms = ±½. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите, сколько свободных 3d-орбиталей содержит каждый из них*.

57. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р⁷- и d¹²-электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 33 и укажите его валентные электроны.

58. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером 6, 21, 36. Какой смысл вкладывают в понятие s-, p-,
d-электронных облаков? Как изобразить их графически?

59. Что такое энергия ионизации? В каких единицах измеряется и как меняется значение энергии ионизации по периодам и группам? Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером 11, 25, 54.

60. В чем состоит смысл правила Клечковского? Почему оно действует для многоэлектронных атомов? Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 26 и 35.

 

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Теоретические сведения

Исследуя изменение химических свойств элементов в зависимости от величины их относительной атомной массы (атомный вес), Д.И. Менделеев в 1869 г. открыл закон периодичности этих свойств: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов». Поскольку химические свойства обусловлены строением электронных оболочек атома, периодическая система
Д.И. Менделеева – это естественная классификация элементов по электронным структурам их атомов.

Современная формулировка периодического закона гласит: «Свойства элементов и соединений находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер».

Это обстоятельство отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.

Период – горизонтальный ряд, имеющий одинаковое число электронных уровней, номер периода совпадает со значением главного квантового числа nвнешнего уровня (слоя); таких периодов в периодической системе семь. Второй и последующие периоды начинаются щелочным элементом ns¹ и заканчивается благородным газом ns²np⁶.

По вертикали периодическая система подразделяется на восемь групп, которые делятся на главные – А-подгруппы, состоящие из s - и p - элементов, и побочные – B-подгруппы, содержащие d-элементы. Подгруппа III B, кроме d-элементов, содержит по 14 4f- и 5f-элементов (семейства 4f - лантаноидов и 5f-актиноидов).

Главные подгруппы содержат на внешнем электронном слое одинаковое число электронов, которое равно номеру группы. В главных подгруппах валентные электроны (электроны, способные образовывать химические связи) расположены на s - и p-орбиталях внешнего энергетического уровня, в побочных – на s-орбиталях внешнего и d-орбиталях предвнешнего слоя. Для f-элементов валентными являются (n – 2)f-,
(n – 1)d - и ns - электроны.

Сходство элементов внутри каждой группы – наиболее важная закономерность в периодической системе. кроме того, следует отметить такую закономерность, как диагональное сходство у пар элементов Li и Mg, Be и Al, B и Si и др. Эта закономерность обусловлена тенденцией смены свойств по вертикали (в группах) и их изменением по горизонтали (в периодах).

Структура электронной оболочки атомов элемента изменяется периодически с ростом порядкового номера элемента, с одной и другой стороны, свойства определяются строением электронной оболочки и, следовательно, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома [1, 2].