Строение электронных оболочек атомов.

Пример 1.Какой подуровень будет заполняться в атоме электронами после заполнения подуровня 4р?

Решение. Порядок заполнения электронами атомных орбиталей (АО) определяется правилами Клечковского. Согласно этим правилам, АО заполняются электронами в порядке последовательного увеличения суммы п + l (главного и орбитального квантовых чисел), а при одинаковых значениях этой суммы – в порядке последовательного возрастания главного квантового числа п. Подуровню 4р отвечает сумма п + l, равная 4 + 1 = 5. Такой же суммой п + l характеризуются подуровни 3d (3 + 2 = 5)и 5s (5 + 0 = 5). Однако состоянию 3d отвечает меньшее значение п (п = 3), чем состоянию 4р; поэтому подуровень 3d будет заполняться раньше, чем подуровень 4р. После заполнения подуровня 4р будет заполняться подуровень 5s, которому отвечает на единицу большее значение п (п = 5).

Пример 2.Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22.

Решение. Порядковым номерам 16 и 22 в Периодической системе Д. И. Менделеева соответствуют элементы сера ₁₆S и титан ₂₂Ti. Так как порядковый номер элемента равен числу электронов в атоме этого элемента, то для серы Z = 16, титана Z = 22. Электронные формулы этих элементов имеют вид:

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d²

Порядок заполнения атомных орбиталей определен в соответствии с правилами Клечковского, рассмотренными в примере 1.

Электронно-графические формулы этих атомов:

₁₆S

Валентными орбиталями в атоме являются орбитали внешнего электронного слоя и незаполненные d-орбитали предшествующего электронного слоя. Размещение электронов на них должно производиться в соответствии с правилом Хунда: минимальной энергии атома соответствует такое распределение электронов по АО данного подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.

Пример 3.Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение.Порядковый номер атомакремния в Периодической системе равен 14, следовательно число электронов в атоме равно 14, и электронная формула имеет вид:

₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p².

Электронно-графическая формула атома кремния 14Si

При затрате некоторой энергии один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3р-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так как возникающая электронная конфигурация (1s²2s²2p⁶3s¹3p³) соответствует возбужденному состоянию атома кремния ₁₄Si^*

Пример 4. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_l. ms, характеризующие состояние валентных электронов в атоме алюминия?

Решение. Порядковый номер атомаалюминия в Периодической системе равен 13, следовательно число электронов в атоме равно 13, и электронная формула имеет вид:

₁₃Аl 1s²2s²2p⁶3s²3p¹.

Валентные электроны атома размещаются на внешнем электронном уровне, следовательно, валентные электроны алюминия - 3s²3p¹. Определим значения квантовых чисел, для валентных электронов, расположенных на 3s-подуровне: значение главного квантового числа п, обозначающего номер уровня, где расположены валентные электроны, равно 3 (алюминий элемент третьего периода); для электронов, расположенных на s-подуровне, значение орбитального квантового числа l, определяющего форму электронной орбитали, всегда равно 0 (для орбиталей данного энергетического уровня число l принимает значения целых чисел от 0 до п-1); значение магнитного квантового числа m_l, характеризующее направление орбиталей в пространстве, также равно 0 (число значений m_l определяет число орбиталей на подуровне и принимает значения целых чисел от –l через 0 до +l); поскольку на 3s-подуровне находятся два электрона, то значений спинового квантового числа m_s тоже будет два: +1/2 и –1/2 (спиновое квантовое число характеризует собственный момент движения электрона и принимает всегда только два значения +1/2 и –1/2). Ответ оформим в виде таблицы, вторая строка соответствует значениям квантовых чисел для электронов, расположенных на 3р-подуровне.

Пример 5. Определите положение элемента в периодической системе (период, группа, подгруппа) по электронной формуле: 1s²2s²2p⁶3s².

Решение. Судя по электронной формуле, в атоме элемента три электронных слоя, значит элемент находится в III периоде. Последним в атоме заполняется s-подуровень, следовательно, это элемент главной подгруппы. На внешнем электронном слое атома находятся два электрона, поэтому это элемент II группы – магний Mg.

Пример 6. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит на 3d-подуровне один электрон. В каком периоде, группе и подгруппе он находится и как этот элемент называется?

Решение. Атомные орбитали в атоме заполняются в порядке последовательного возрастания их энергии в соответствии с правилами Клечковского (см. пример1). Исходя из этого, 3d-подуровень заполняется после заполнения подуровня 4s². Следовательно, электронная формула искомого элемента будет иметь вид:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹.

Общее число электронов в атоме, которое определяет порядковый номер элемента в периодической системе равно 21 (сумма всех верхних индексов в электронной формуле). Данному порядковому номеру соответствует элемент скандий. Из электронной формулы видно, что этот элемент находится в четвертом периоде (максимальное значение главного квантового числа равно 4 - 4s), третьей группе (три валентных электрона 4s²3d¹), побочной подгруппе (последний электрон размещается на 3d-подуровне, элемент d-семейства).

Пример 7. На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

Решение. Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора Z = 17, марганца Z = 25. Электронные формулы имеют вид:

₁₇Сl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵;

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁵

Валентными орбиталями в атоме являются орбитали внешнего электронного слоя и незаполненные d-орбитали предшествующего электронного слоя. Валентные электроны хлора - 3s²3p⁵, а марганца - 4s²3d⁵. Таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов - 7. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д. И. Менделеева.