Электронные формулы атомов. Ковалентность атомов

Электронная формула – это распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням в соответствии с принципом наименьшей энергии, принципом Паули, правилом Гунда.

Принцип наименьшей энергии. Последовательное заполнение энергетических подуровней электронами происходит таким образом, что каждый электрон в атоме занимает подуровень с наиболее низкой энергией, отвечающей его прочной связи с ядром. Изменение энергии подуровней может быть представлено в виде ряда Клечковского или шкалы энергии:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d<7p...

Согласно принципу Паули два электрона, находящиеся в одной атомной орбитали (n, l, m_l = const), различаются по спину (m_s = ± ½ или ¯­).

Зная, что на s-подуровне одна s-орбиталь, на р-подуровне три р-орбитали, на d-подуровне пять d-орбиталей, на f-подуровне семь f-орбиталей, можно найти максимальное количество электронов на каждом подуровне и уровне. Так,
на s-подуровне, начиная с первого энергетического уровня, 2 электрона;
на р-подуровне, начиная со второго энергетического уровня, 6 электронов;
на d-подуровне, начиная с третьего энергетического уровня, 10 электронов;
на f-подуровне, начиная с четвертого энергетического уровня, 14 электронов. Электроны на s-, p-, d-, f-подуровнях называются соответственно s-, р-, d-,
f-электронами.

Представим ряд Клечковского, в котором энергетические подуровни максимально заполнены электронами. При этом отделим вертикальной чертой каждый вновь появляющийся энергетический уровень с большей энергией, обозначенный цифрой. В результате получим следующий ряд (табл.1)

Таблица 1

Ряд Клечковского

n	1s^2	2s^22p^6	3s^23p^6	4s^23d^104p^6
	5s^24d^105p^6	6s^24f^145d^106p^6	7s^25f^146d^107p^6

В данном ряду n обозначает номер периода, соответствующий номеру энергетического уровня.

Используя данную схему, можно объяснить формирование электронных структур атомов элементов периодической системы, записанных в виде электронных формул. Общее число электронов в атоме определяется порядковым номером элемента.

Так, в атомах элементов первого периода (n = 1) будет заполняться электронами одна s-орбиталь первого энергетического уровня (табл. 1). Так как на этом уровне два электрона, то в первом периоде только два элемента (₁H и ₂He), электронные формулы которых следующие: ₁H 1s¹ и ₂Не 1s².

В атомах элементов второго периода (n = 2)первый энергетический уровень полностью заполнен электронами. Последовательно будут заполняться электронами s- и р-подуровни второго энергетического уровня (см. табл. 1). Сумма s- и р-электронов, заполнивших этот уровень, равна восьми, поэтому во втором периоде 8 элементов (₃Li…₁₀nе).

В атомах элементов третьего периода (n = 3) первый и второй энергетические уровни полностью заполнены электронами (см. табл. 1). Последовательно будут заполняться s- и р-подуровни третьего энергетического уровня. Сумма s- и р-электронов, заполнивших третий энергетический уровень, равна восьми (см. табл. 1). Поэтому в третьем периоде 8 элементов (₁₁Na…₁₈Аr).

В атомах элементов четвертого периода (n = 4) заполнены первый, второй и третий 3s²3р⁶ энергетические уровни (см. табл. 1). На третьем энергетическом уровне свободным остается d-подуровень (3d). Заполнение этого подуровня электронами от одного до десяти начинается после того, как заполнится максимально электронами 4s-подуровень. Далее размещение электронов происходит на р-подуровне четвертого энергетического уровня (см. табл. 1). Сумма s-, d-, р-электронов равна восемнадцати, что соответствует 18 элементам четвертого периода(₁₉К…₃₆Кr).

Аналогично происходит формирование электроных структур атомов элементов пятого периода (n = 5) с той лишь разницей, что s- и р-подуровни находятся на пятом, а d-подуровень на четвертом энергетическом уровнях (см. табл. 1). Так как сумма s-, d-, р-электронов равна восемнадцати, то в пятом периоде элементов 18 элементов (₃₇Rb…₅₄Xе).

В сверхбольшом шестом периоде (n = 6) 32 элемента (₅₅Cs…₈₆Rn). Это число соответствует сумме электронов на s-, f-, d- и р-подуровнях (см. табл. 1). Последовательность заполнения подуровней электронами такова. Сначала заполняется электронами 6s-подуровень. Затем, вопреки ряду Клечковского, заполнится одним электроном 5d-подуровень. После этого максимально заполнится 4f-подуровень. Далее будут заполняться 5d- и 6р-подуровни. Предыдущие энергетические уровни заполнены электронами (см. табл. 1).

Аналогичное наблюдается при формировании электронных структур атомов элементов седьмого периода (n = 7).

В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами, различают s-, р-, d- и f-семейства (элементы). Если в атоме элементов заполняется электронами s-подуровень последнего энергетического уровня (ns) – это s-элементы. Если ns-подуровень заполнен электронами, а заполняется nр-подуровень – это р-элементы. При размещении электронов на (n–1)d-подуровне при заполненном ns-подуровне – это будут d-элементы. Элементы, в атомах которых заполняется (n–2)f-подуровень, называются f-элементами.

К s-элементам относятся элементы главных подгрупп первой и второй групп (две группы); к р-элементам – главные подгруппы, начиная с третьей и кончая восьмой группой (шесть групп); d-элементы образуют десять побочных подгрупп, начиная с третьей группы четвертого периода; f-элементы – это лантаноиды и актиноиды.

В атомах:

– s-элементов число электронов на последнем ns-подуровне соответствует номеру группы, в которой расположен элемент;

– р-элементов сумма электронов на последнем уровне ns-, nр-подуровнях соответствует номеру группы, в которой находится элемент;

– d-элементов сумма электронов на (n–1)d, ns-подуровнях равна номеру группы, в которой расположен элемент. Исключение составляют атомы элементов подгруппы кобальта, никеля, меди и цинка.

Пример 1. Какова электронная формула атома элемента, порядковый номер которого равен 4? К какому семейству относится данный элемент?

 

Решение. Элемент с порядковым номером 4 – бериллий. Следовательно, в атоме бериллия 4 электрона. Бериллий находится во втором периоде, во второй группе главной подгруппы. Номер периода соответствует числу энергетических уровней, т.е. двум. На этих энергетических уровнях должны размещаться четыре электрона. На первом энергетическом уровне два электрона (1s²) и на втором тоже два электрона (2s²) (см. табл 1). Таким образом, электронная формула имеет следующий вид: ₄Ве 1s²2s². Число электронов на последнем энергетическом уровне соответствует номеру группы, в которой он находится. Так как заполняется s-подуровень последнего энергетического уровня, то это s-элемент.

Пример 2. Какова электронная формула атома элемента с порядковым номером 13? К какому семейству относится данный элемент?

 

Решение. В периодической системе порядковому номеру 13 соответствует элемент алюминий. Алюминий находится в третьем периоде, в третьей группе, вглавной подгруппе. Следовательно, на последнем энергетическом уровне (n = 3) должны находиться три электрона, которые разместятся таким образом: 3s³3р¹ (сумма s- и р-электронов равна номеру группы). Десять электронов находятся на первом и втором энергетических уровнях: 1s²2s²2p⁶ (см. табл. 1). В целом электронная формула алюминия следующая: ₁₃Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Алюми-
ний – р-элемент, так как в его атоме заполняется электронами р-подуровень последнего энергетического уровня.

Пример 3. Какова электронная формула атома элемента с порядковым номером 22? К какому семейству относится данный элемент?

 

Решение. В периодической системе элемент с порядковым номером 22 – титан. В атоме титана двадцать два электрона. Размещаются они на четырех энергетических уровнях, так как элемент находится в четвертом периоде (n = 4). При размещении электронов по подуровням необходимо учесть, что это – элемент четвертой группы побочной подгруппы. Поэтому на последнем энергетическом уровне (n = 4), s-подуровне находятся два электрона: 4s². Первый, второй, третий уровни s- и р-подуровни полностью заполнены электронами 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶
(см. табл. 1). Оставшиеся два электрона разместятся на d-подуровне третьего энергетического уровня: 3d². В целом электронная формула титана такая: ₂₂Тi 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s². Титан относится к d-элементам, так как электронами заполняется d-подуровень предпоследнего энергетического уровня.

Пример 4. Напишите электронную формулу элемента с порядковым номером 51. К какому семейству относится этот элемент?

 

Решение. Элемент с порядковым номером 51 – сурьма. Сурьма находится в пятом периоде (n = 5), в пятой группе главной подгруппы.

Следовательно, пятьдесят один электрон должен находиться на пяти энергетических уровнях. Сурьма – элемент главной подгруппы пятой группы, поэтому в атоме этого элемента на s- и р-подуровнях пятого энергетического уровня находятся пять электронов: 5s²5p³ (сумма s- и р-электронов соответствует номеру группы). Предыдущие энергетические уровни заполнены электронами
(см. табл. 1). Электронная формула сурьмы выглядит следующим образом:
₅₁Sb 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p³. Сурьма относится к р-элементам ввиду того, что заполняется электронами р-подуровень последнего энергетического уровня.

При написании электронных формул следует учитывать «проскок» электронов у таких элементов, как хром, молибден, родий, платина и др. Так, электронная формула хрома должна быть такой: ₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s². Однако в атоме этого элемента наблюдается «проскок» одного s-электрона с четвертого энергетического уровня на третий уровень, d-подуровень. Поэтому расположение электронов в атоме хрома такое: ₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹.

Таким образом, чтобы написать электронную формулу атома элемента необходимо знать следующее.

1. Порядковый номер элемента, соответствующий общему числу электронов в атоме.

2. Номер периода, который определяет общее число энергетических уровней в атоме. При этом номер последнего энергетического уровня в атоме соответствует номеру периода, в котором находится элемент. В атомах элементов второго и третьего периодов заполнение электронами последнего энергетического уровня происходит в такой последовательности: ns^1–2…nр^1–6. В атомах элементов третьего и четвертого периодов подуровни последнего и предпоследнего энергетических уровней заполняются электронами так: ns^1–2…(n–1)d^1–10…nр^1–6. В атомах элементов шестого и седьмого периодов последовательность заполнения электронами подуровней такая: ns^1–2…(n–1)d¹…(n-2)f^1–14…(n–1)d^2–10…nр^1–6.

3. В атомах элементов главных подгрупп сумма s- и р-электронов на последнем энергетическом уровне равна номеру группы.

4. В атомах элементов побочных подгрупп сумма d-электронов на предпоследнем и s-электронов на последнем энергетических уровнях равна номеру группы, кроме атомов элементов подгрупп кобальта, никеля, меди и цинка.

Размещение электронов в атомных орбиталях одного и того же энергетического подуровня происходит в соответствии с правилом Гунда:суммарное значение спина электронов, находящихся на одном и том же подуровне, должно быть максимальным, т.е. данный подуровень на каждую орбиталь вначале принимает по одному электрону с параллельными спинами, а затем – второй электрон с противоположным спином.

 

Пример 5. Разместите семь электронов на d-подуровне.

 

Решение. На d-подуровне – пять атомных орбиталей. Орбитали можно изобразить в виде квадрата, называемого квантовой ячейкой. Энергия орбиталей, находящихся на одном и том же подуровне, одинаковая. Тогда d-подуровень можно представить так: d . Согласно правилу Гунда сначала каждая квантовая ячейка (орбиталь) заполнится одиночным электроном с одинаковым спином, а затем – вторым электроном с противоположным спином. После заполнения электронами атомных орбиталей d-подуровень будет иметь вид

.

При рассмотрении химической связи необходимо знать ковалентность атома элемента. Она определяется числом одиночных валентных электронов. Валентные электроны – электроны последнего и предпоследнего энергетических уровней, менее прочно связанные с ядром. Так, для s-элементов – валентные электроны ns-уровня, для р-элементов это будут электроны ns np-уровня, для d-элементов – электроны (n–1)d ns-ypовня. Ковалентность атома можно изменить (повысить) за счёт возбуждения, если на данном энергетическом уровне есть свободные орбитали.

 

Пример 6. Определите валентные электроны для атома элемента ванадия и его возможную ковалентность.

 

Решение. Электронная формула ванадия: ₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s². Ванадий –d-элемент. Валентные электроны 3d³4s². Распределим их по орбиталям (квантовым ячейкам) согласно правилу Гунда:

нормальное состояние (К = 3) возбужденное состояние (К* = 5)

В нормальном состоянии, соответствующем наименьшей энергии, ковалентность атома равна трем. Однако на четвертом энергетическом уровне есть свободные р-орбитали. За счёт дополнительной энергии, атом из нормального состояния переходит в возбуждённое. При этом один s-электрон переходит на свободную р-орбиталь четвертого энергетического уровня. Ковалентность в возбужденном состоянии равна пяти (см. схему).

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

 

61. Руководствуясь Периодической системой, определите название химического элемента. В каком периоде, группе и подгруппе находится этот элемент, если его нейтральному атому отвечает следующая электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹? К какому семейству относится данный элемент? Какова ковалентность атома в нормальном и возбужденном состояниях? Покажите это, используя квантовые ячейки.

 

62.Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 25. К какому семейству относится данный элемент? Какие электроны являются валентными? Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность в возбужденном состоянии.

 

63. Найдите ошибки, допущенные при распределении электронов по подуровням в электронной формуле ₁₅Р 1s¹2s¹2p⁶3s¹3p⁶. Напишите правильно электронную формулу. Определите, к какому семейству относится данный элемент и какова его ковалентность в нормальном и возбужденном состояниях, используя квантовые ячейки.

 

64. Некоторый элемент имеет валентные электроны 4s²4p². Определите, какой это элемент. Напишите электронную формулу этого элемента. Какова ковалентность атома в нормальном и возбужденном состояниях? Покажите это, используя квантовые ячейки.

 

65. Для атома некоторого элемента возможны три состояния, записанные в виде электронных формул: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴; 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d¹; 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d². Какой это элемент? Как называются эти состояния? Как перейти от первого состояния ко второму и третьему состояниям? Определите ковалентность атома для каждого состояния.

 

66. В атоме некоторого элемента заполнены электронами последний и предпоследний энергетические уровни следующим образом: 4s²4p⁶4d²5s². Какой это элемент, и к какому семейству он относится? Напишите электронную формулу атома этого элемента и определите ковалентность в возбужденном состоянии, используя квантовые ячейки.

 

67. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 33. Какой это элемент? Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам. Какова ковалентность атома в нормальном и в возбужденном состояниях?

 

68. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 8. Какой это элемент? Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам. Какова ковалентность атома в нормальном состоянии? Объясните, можно ли изменить ковалентность атома путем перевода его из нормального состояния в возбужденное.

69.Для атома некоторого элемента возможны четыре состояния, записанные в виде электронных формул: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴3d¹; 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d²; 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d³. Какой это элемент? Как называются эти состояния? Как перейти от первого состояния ко второму, третьему и четвертому состояниям? Определите ковалентность атома для каждого состояния.

 

70. В атоме некоторого элемента заполнен предпоследний энергетический уровень следующим образом: 3s²3p⁶3d⁸. Какой это элемент, и к какому семейству он относится? Напишите электронную формулу атома этого элемента. Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в возбужденном состоянии.

 

71. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 34. К какому семейству относится данный элемент? Какие электроны являются валентными? Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность во всех возможных возбужденных состояниях.

 

72. Напишите электронные формулы атомов ₂₄Cr⁰ и ₂₉Cu⁰ (учесть «проскок» электрона). Распределите валентные электроны по атомным орбиталям (магнитно-квантовым ячейкам). Объясните, почему в данном случае происходит «проскок» электрона.

 

73.Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, если электронная конфигурация подуровней, на которых располагаются валентные электроны в его атоме, следующая 4d²4s². Назовите этот элемент. Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и возбужденном состояниях.

 

74. Даны следующие элементы: ₂₀Са, ₂₇Со, ₃₄Se. Исходя из положения элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева, определите для каждого из них: а) сколько энергетических уровней занято электронами; б) к какому семейству относится элемент; в) на каких уровнях и подуровнях находятся валентные электроны, запишите их электронную конфигурацию.

 

75. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 35. К какому семейству относится данный элемент? Определите, какие электроны являются валентными. Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

 

76. Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, если его атом имеет следующую конфигурация внешнего и предвнешнего энергетических уровней: 4s²4р⁶4d¹⁰5s²5р⁴. Назовите этот элемент, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

 

77. Для следующих элементов: ₃₈Sr, ₄₃Tc, ₅₁Sb, исходя из положения элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева, определите для каждого из них: а) сколько энергетических уровней занято электронами; б) к какому семейству относится элемент; в) на каких уровнях и подуровнях находятся валентные электроны, запишите их электронную конфигурацию.

 

78. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 42. К какому семейству относится данный элемент? Определите, какие электроны являются валентными. Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

 

79. Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, если электронная формула атома включает электронную конфигурацию 5d⁶. Назовите этот элемент. Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

 

80. Для следующих элементов: ₅₆Ba, ₇₄W, ₈₄Po, исходя из положения элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева, определите для каждого из них: а) сколько энергетических уровней занято электронами; б) к какому семейству относится элемент; в) на каких уровнях и подуровнях находятся валентные электроны, запишите их электронную конфигурацию.