Особенность электронного строения атомов d-элементов, расположение их в периодической системе Д.И. Менделеева

Задача 37.
В чем особенность электронного строения d-элементов? Где они расположены в периодической системе? Приведите пример электронной формулы для d-элемента.
Решение:
В зависимости от строения электронных оболочек атомов все элементы периодической системы Д.И. Менделеева делят на четыре семейства: s-, p-, d- и f-элементы.
D-элементы — группа атомов в периодической таблице элементов (d-блок), в электронной оболочке которых валентные электроны с наивысшей энергией занимают d-орбиталь.

Данный блок представляет собой часть периодической таблицы; в него входят элементы от 3 до 12 группы. Элементы данного блока заполняют d-оболочку d-электронами, которая у элементов начинается s²d¹ (третья группа) и заканчивается s²d¹⁰ (двенадцатая группа). Однако существуют некоторые нарушения в этой последовательности, например, у хрома s¹d⁵ (но не s²d⁴) вся одиннадцатая группа имеет конфигурацию s¹d¹⁰ (но не s²d⁹). Двенадцатая группа имеет заполненные s- и d-электроны. 

В короткопериодном варианте периодической системы группы подразделяются на подгруппы — главные (или подгруппы A), начинающиеся с элементов первого и второго периодов, и побочные (подгруппы В), содержащие d-элементы. В этом варианте периодической системы к d-элементам относят те элементы, атомы которых содержат валентные электроны на (n – 1)d ns-уровнях и составляют побочные (IIIВ–VIIВ, IВ, IIВ) подгруппы, занимая промежуточное положение между типичными s-металлами (IА, IIА) и p-элементами. Из 118 элементов периодической системы 38 относятся к d-элементам; из них последние 8 радиоактивны и входят в незавершенный седьмой период. Электронное строение атомов d-элементов определяет их химические свойства. 3d-Элементы по химическим свойствам существенно отличаются от 4d- и 5d-элементов. При этом элементы IVВ–VIIВ подгрупп очень схожи по многим химическим свойствам. Это сходство обусловлено лантаноидным сжатием, которое из-за монотонного уменьшения радиусов при заполнении 4f-орбиталей приводит к практическому совпадению радиусов циркония и гафния, ниобия и тантала, молибдена и вольфрама, технеция и рения. Элементы этих пар очень близки по физическим и особенно по химическим свойствам; первые шесть элементов встречаются в одних рудных месторождениях, трудно разделяются; их иногда называют элементами-близнецами.

Атомы d-элементов характеризуются общей электронной формулой (n – 1)d^1–10ns^0–2. Некоторые из тяжелых d-элементов не являются полными электронными аналогами.
Увеличение числа электронов иногда сопровождается немонотонностью заселения d-орбиталей. Это обусловлено сближением энергий (n – 1)d- и ns-орбиталей и усилением межэлектронного взаимодействия к концу периода.

По мере увеличения числа d-электронов в периоде они могут переходить с одного уровня на другой для достижения требуемой правилами Гунда одной из наиболее устойчивых конфигураций (d⁵, d¹⁰). Такие переходы реализуются, например, в случае Cr(3d⁵4s¹), Cu(3d¹⁰4s¹), Mo(4d⁵5s¹), Ag(4d¹⁰5s¹). Обращает на себя внимание тот факт, что в одной подгруппе существуют элементы с разными электронными конфигурациями, например: V(3d³4s²), Nb(4d⁴5s¹) и Ta(5d³6s²); Ni(3d⁸4s²), Pd(4d¹⁰5s⁰) и Pt(5d⁹6s¹). Палладий является единственным d-элементом с незаполненным s-уровнем.

Электронные формулы d-элементов:

₊₂₆Fе 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ - железо
₊₂₉Сu 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰ - медь
 

Электронно-графические формулы скандия и коперниция

Задача 38.
Напишите электронно-графическую формулу для 21-го и 112 элементов, определите их валентные электроны и охарактеризуйте их с помощью квантовых чисел.
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 соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f), x – 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+1 (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s►2s►2р►3s►3р►4s►3d►4р►5s►4d►5р►6s►(5d1)►4f►5d►6р►7s►(6d1-2)►5f►6d►7р

а) Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для 21 элемента  - скандия (Sc –  порядковый № 21) электронная формула имеют вид: 

₊₂₁Sc 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Валентные электроны скандия 4s² 3d¹ - находятся на 4s и 3d-подуровнях На валентных орбиталях атома  Sc находится  3 электрона. Поэтому элемент помещают в  третью группу классической и современной периодической системы Д.И.Менделеева.

б) Для 112-го элемента Сn (коперниций) число электронов в атоме равно числу его порядкового номера - 112 и он стоит в 12 группе современной периодической системе химических элементов, что соответствует второму периоду главной подгруппе классической таблицы Д.И. Менделеева, то его электронная формула, согласно правилу Клечковского, будет иметь вид: 

₊₁₁₂Сn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s² 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7р⁰

На внешнем электронном уровне атома Сn находится 2 s-электрона, которые являются валентными (расположены на 7s-подуровне), 7р-подуровень незаполнен электронами, т.е. электронная конфигурация коперниция 6¹⁰ 7s², как у цинка, кадмия и ртути.