Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов элементов


Задание 34.
Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число   при орбитальном числе l = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодической системе называют s-, р-, d- и f-элементами? Приведите примеры.
Решение:
Квантовое число l определяет форму, а магнитное квантовое число  ms- ориентацию атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. При орбитальном числе l = 0 магнитное квантовое число   может иметь только одно значение ms  = 0, при l = 1 - магнитное квантовое число   может иметь три значения: +1, 0, -1. При l = 2 - магнитное квантовое число   может иметь пять значений: +2, +1, 0, -1, +2.  При l = 3 - магнитное квантовое число   может иметь семь значений: +3, +2, +1, 0, -1, +2, +3.

s-элементами в периодической системе называют элементы, содержащие на внешнем энергетическом уровне только валентные s-электроны, например натрий содержит один s-электрон (1s22s22p63s10), кальций – два s-электрона (1s22s22p63s264s24p0), а алюминий (1s22s22p63s30) – три s-электрона.

р-элементами в периодической системе называют элементы, содержащие на внешнем энергетическом уровне кроме s-электронов содержат и р-электроны, например, атом серы содержит три s-электрона и четыре р-электрона (1s22s22p63s24), которые являются валентными.

d-элементами в периодической системе называют элементы, атомы которых на внешнем уровне содержат s-электроны (валентные электроны) и дополнительно в валентности данного элемента принимают участие d-электроны предпоследнего энергетического уровня. Например, у ниобия (+41Nb) валентными электронами, кроме двух s-электронов, могут быть и четыре 4d-электрона (1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s2).

f-элементами в периодической системе называют элементы, атомы которых на внешнем уровне содержат s-электроны (валентные электроны) и дополнительно в валентности данного элемента принимают участие f-электроны, например, у менделевия (+101Md) валентными электронами, кроме двух 7s-электронов, могут 5f-электроны.


Задание 35.
Какие значения могут принимать квантовые числа n, l,  mi и  ms, характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?
Решение:
Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9 – 0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l,  mi и  ms). Квантовые числа принимают определённые дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовое число (n) определяет размер, квантовое число (l) – определяет форму и квантовое число mi - определяет ориентацию орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электрона одного и того же атома может иметь различную форму, которая аналогична АО. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l,  mi и  ms). Эти числа связаны с физическими свойствами электронов, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона. Число n принимает целочисленные значения от 1 до 7. Число l (орбитальное квантовое число) определяет момент количества движения (энергетический подуровень), оно принимает значения 0, 1, 2, 3  и обозначается соответствующими буквенными знаками – s, p, d, f. Число   (магнитное квантовое число) – магнитный момент принимает значения 0,  1,  2,  3. Так как n, l определяет ориентацию АО в пространстве, то на s-подуровне оно имеет единственное значение 0, на р-подуровне оно будет иметь значения -1, 0. +1, на d-подуровне – будет иметь значения -2, -1, 0, +1, +2, на f-подуровне – соответственно -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Число  ms - спин электрона. Он возникает за счёт вращения электрона вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, различающиеся своими спинами   ( 1/2). 

Магний – элемент с порядковым номером 12, расположен в таблице Д. И. Менделеева в третьем периоде во II группе и в главной подгруппе, имеет на внешнем электронном слое два электрона, квантовые числа которых имеют следующие значения: 

1)n = 3,  l = 0,   mi= 0, ms  = +1/2;
2)n = 3,  l = 0,  mi = 0,  ms = -1/2.

Таким образом, внешние электроны атома магния различаются между собой лишь квантовым числом

 ms[ms (1)  = -1/2 ms(2) = +1/2].


Задание 38.
Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4;  l = 0;  mi = 0;  ms =  1/2. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите, сколько свободных орбиталей содержит каждый из них.
Решение:
Значение квантовых чисел на внешнем электроном уровне: n = 4;  l = 0;  m = 0;  ms =  1/2 соответствуют атомам калия и кальция. Электронные формулы этих элементов имеют вид:  

а) +19К 1s22s22p63s23p63d04s1; б) +20Са 1s22s22p63s23p63d04s2.

У атома калия на внешнем электронном слое на 4s-подуровне находится один неспаренный электрон со спином +1/2, а у кальция – два спаренных электрона со спинами ms  = +1/2 и ms  = -1/2 (согласно принципу Паули). У атомов обоих элементов 3d-подуровень не будет заполнен электронами, потому что, согласно правилу Клечковского, сначала будет заполняться электронами 4s-подуровень и, только после его заполнения начнётся заполнение 4р-подуровня, так как сумма n +l меньше у 4s-подуровня, чем у 4р-подуровня (первое правило Клечковского), а 4р-подуровень будет заполняться лишь после того как заполнится 3d-подуровень (второе правило Клечковского).

Таким образом, у атомов калия и кальция на внешнем энергетическом уровне будут свободны все три АО 4р-подуровня.