Электронные формулы атомов элементов кальция, неона, хрома, мышьяка, германия, молибдена, титана

 

 

 

 

Задание 36 
Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента неверны: а) 1s²2s²2p⁵3s¹; б) 1s²2s²2p⁶; в) 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d⁴; г) 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s²;
д) 1s²2s²2p⁶3s²3d²? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?     
Решение:
Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в атомной орбитали (АО) могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами ms =  1/2. Максимальное число электронов в подуровне определяется по формуле 2(2l + 1), где l-орбитальное квантовое число. На s-подуровне располагается одна квантовая ячейка на р-подуровне – три атомные орбитали (ячейки), на d-подуровне – пять АО, на f-подуровне – семь АО. Исходя из этого, на s-подуровне максимальное число электронов может быть равно двум [2 (2 ^. 0 + 1) = 2], на р-подуровне – трём    [2 (2 ^. 1 + 1) = 6], на d-подуровне - [2 (2 ^. 2 + 1) = 10], на f-подуровне - [2 (2 ^. 3 + 1) = 14]. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов  nlx, где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующие буквенные обозначения – s, p, d, f), х – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:                                                           

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→
→6s→(5d1)→4f→5d→→6p→7s→(6d1-2)→5f→6d→7p. 

Исходя из этого неверными электронными формулами будут: а) 1s²2s²2p⁵3s¹, потому что прежде, чем начнётся заполнение 3s-подуровня, сначала должен быть полностью заполнен 2р-подуровеь, т.е. запись 2р⁵ неверна (должно быть 2р6);  в) 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d⁴ - после 3р-подуровня должно идти заполнение 4s-подуровня; д) 1s²2s²2p⁶3s²3d², потому что после заполнения 3s-подуровня должно идти заполнение 3р-подуровня.
Формула б) 1s²2s²2p⁶ отвечает электронному строению атома неона (₊₁₀Ne), а формула г) 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s² – отвечает строению атома кальция (₊₂₀Са).

---

Задание 37.
Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного 4s—электрона на 3d—подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атомов первого и р-электронов у атомов второго элемента?
Решение:
Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в атомной орбитали (АО) могут находиться не более двух электронов, различающихся своими спинами m_s =  1/2. Максимальное число электронов в подуровне определяется по формуле 2(2l + 1), где l-орбитальное квантовое число. На s-подуровне располагается одна квантовая ячейка на р-подуровне – три атомные орбитали (ячейки), на d-подуровне – пять АО, на f-подуровне – семь АО. Исходя из этого, на s-подуровне максимальное число электронов может быть равно двум [2 (2 ^. 0 + 1) = 2], на р-подуровне – трём    [2 (2 ^. 1 + 1) = 6], на d-подуровне - [2 (2 ^. 2 + 1) = 10], на f-подуровне - [2 (2 . 3 + 1) = 14]. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов  nlx, где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующие буквенные обозначения – s, p, d, f), х – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→
→6s→(5d1)→4f→5d→6p→7s→(6d1-2)→5f→6d→7p. 

Так как число электронов в атоме элемента равна его порядковому номеру в периодической системе химических элементов таблицы Д. И. Менделеева, то для элементов 24 (хром) и 33 (мышьяк) электронные формулы будут иметь вид:

а) ₊₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹. 

У атома хрома один 4s-электрон  перешёл на 3d-подуровень, потому что энергетически выгоднее состояние когда все пять АО 3d-подуровня заполнены по одному электрону:

чем состояние  3d-подуровня с одной незанятой АО: 

б) ₊₃₃Аs 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³. 

 У атома хрома на 3d-подуровне содержится пять неспаренных электронов каждый со спинами m_s  = +1/2, поэтому максимальный спин d-электронов атома хрома равен сумме всех спинов пяти электронов  (макс.) m_s = +2,5. У атома мышьяка 4р-подуровне расположены три неспаренных электрона со спинами ms  = +1/2 каждый, поэтому максимальный спин 4р-электронов атома мышьяка равен сумме спинов всех трёх электронов, получим:  (макс.) ms  = +1,5.
 

---

Задание 39.
В чем заключается принцип Паули? Может ли быть в каком-нибудь подуровне атома р⁷ - или d¹²- электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома эле-мента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны
Решение:
В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырёх квантовых чисел. Этот принцип сформулирован в 1925 году швейцарским физиком В. Паули.
Принцип Паули определяет прежде всего максимальную ёмкость по электронам одной орбитали N_m. Так как орбиталь определяется тремя первыми квантовыми числами (n, l, m_s), электроны данной орбитали могут различаться только спином квантовым числом m_s. Оно может приобретать только два значения: -1/2 и +1/2, поэтому максимальная ёмкость любой орбитали Nm = 2, т. е. на ней могут находиться два электрона, один электрон или же она может быть вакантной, пустой.

Это же принцип определяет электронную ёмкость подуровней, уровней. Подуровень l имеет (2l + 1)-орбиталь, на каждой из которых может быть не больше двух электронов, поэтому предельная, максимальная ёмкость подуровня Nl равна:

Nl  = 2(2l + 1).

Максимальная ёмкость уровня по электронам (Nn) равна:

Nn = 2n².

Так как p-подуровень содержит три АО, то на нём максимально может находиться 6 электронов согласно уравнению Nl  = 2(2l + 1) = 2(2 ^. 1 +1) =6, то запись р⁷ неверна. На d-подуровне согласно уравнению Nl  = 2(2l + 1) может находиться максимально 10 электронов Nl  = 2(2l + 1) = 2(2 ^. 2 +1) =10, поэтому запись d¹² неверна. 

Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов  nlx, где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующие буквенные обозначения – s, p, d, f), х – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→
→6s→(5d1)→4f→5d→6p→7s→(6d1-2)→5f→6d→7p. 

Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице химических элементов Д. И. Менделеева, то для элементов №22 (титан электронная формула имеют вид:

₊₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4²

На внешнем энергетическом уровне атома титана содержится два валентных 4s-электрона:

 

---

Задание 40.
Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s-электрона на 4d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из элементов?
Решение:
Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов  nl^x, где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующие буквенные обозначения – s, p, d, f), х – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→
→6s→(5d1)→4f→5d→6p→7s→(6d1-2)→5f→6d→7p. 

Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице химических элементов Д. И. Менделеева, то для элементов №32 (германий) и №42 (молибден) электронные формулы имеют вид:

₊₃₂Ge 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p²;  
⁺⁴²Mo1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s¹.

У атома элемента №42 (молибден) электрон с 5s-подуровня «провалился» на 4d-подуровень. Этим самым все пять АО на 4d-подуровне содержат по одному электрону,  потому что энергетически выгоднее состояние когда все пять АО 4d-подуровня заполнены по одному электрону:

чем состояние  4d-подуровня с одной незанятой АО: 

Германий на внешнем энергетическом уровне содержит два 4s-электрона и два 4р-электрона, поэтому относится к семейству р-элементов. Атом молибдена на внешнем энергетическом уровне содержит один валентный электрон на 5s-подуровне и, в качестве валентных электронов могут выступать электроны предшествующего 4d-подуровня, по-этому относится к семейству d-элементов.

---