Составление электронно-графических формул для атомов f-элементов (семейство лантаноидов) 6-го периода
Задача 59.
Напишите электронно-графическую формулу для f-элементов 6-го периода, 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 nlx, 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) Элемент № 58
Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для 58 элемента - церия (Ce – порядковый № 58) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f2
Поскольку при большой энергетической близости 4f- и 5d-состояний для лантаноидов 4f-состояние оказывается энергетически более выгодным. Поэтому у церия электрон с 5d1- состояния переходит в 4f-состояние. Согласно правилу Хунда у церия электрон с 5d-подуровня заполняет вторую ячейку на 4f-подуровне.
Валентными электронами церия, как и всех лантаноидов обычно являются 5d1 и 6s2, но иногда у церия валентными электронами являются электроны в 6s2 и 4f2- состоянии. На валентной орбитали атома Ce в норме находится 3 электрона. Поэтому элемент помещают в третью группу периодической системы Д.И.Менделеева. Церий является f-элементом семейства лантаноидов.
б) Элемент № 59
Для элемента № 59 - празеодима (Pr – порядковый № 59) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f3
Валентные электроны празеодима 6s2 и 4f3 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. Энергетически выгодным состоянием празеодима является 6s2 4f3-состояние валентного слоя его атома. На валентной орбитали атома Pr находятся 3 электрона. Празеодим является f-элементом семейства лантаноидов.
в) Элемент № 60
Для элемента № 60- неодима (Nd – порядковый № 60) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f4
Валентные электроны неодима 6s2 4f4 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Nd находится 6 электронов. Неодим является f-элементом семейства лантаноидов.
г) Элемент № 61
Для элемента № 61 - прометия (Pm – порядковый № 61) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f5
Валентные электроны прометия 6s2 и 4f5 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Hf находится 7 электронов. Прометий является f-элементом семейства лантаноидов.
д) Элемент № 62
Для элемента № 62- самария (Sm – порядковый № 62) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f6
Валентные электроны ниобия 6s2 4f5 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Sm находится 8 электронов. Самарий является f-элементом семейства лантаноидов.
е) Элемент № 63 - европия (Eu – порядковый № 63) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f7
Валентные электроны европия 6s2 4f7 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Eu находится 9 электронов. Европий является f-элементом семейства лантаноидов.
ж) Элемент № 64 - гадолиния (Gd – порядковый № 64) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f7 5d1
Валентные электроны гадолиния 6s2 4f7 5d1 - находятся на 6s-, 4f- и 5d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Gd находится 10 электронов. Поскольку у гадолиния 4f7-состояние стабильно и, следующий электрон располагается на 5d-подуровне. Поэтому конфигурация валентной оболочки атома гадолиния 6s2 4f7 5d1 энергетически более выгодна, чем 6s2 4f7. Гадолинием заканчивается первый ряд лантаноидов.
з) Элемент № 65 тербий (Tb – порядковый № 65) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Валентные электроны тербия 6s2 4f9 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Tb находится 11 электронов. У атома тербия валентное состояние 6s2 4f9 энергетически выгоднее, чем 6s2 4f7 5d2. Поэтому у тербия начинается заполнение 4f-орбиталей по второму электрону, срузу 2 электрона с 5d-подуровня переходят на 4f-подуровень. Тербием начинается второй ряд лантаноидов.
к) Элемент № 66 - диспрозий (Dy – порядковый № 66) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f10
Валентные электроны диспрозия 6s2 4f10 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Dy находится 12 электронов. Диспрозий является элементом второго ряда лантаноидов.
л) Элемент № 67 - гольмий (Ho – порядковый № 67) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f11
Валентные электроны гольмия 6s2 4f11 - находятся на 6s- и 4f-подуровне. На валентной орбитали атома Ho находится 13 электронов. Гольмий является элементом второго ряда лантаноидов.
м) Элемент № 68 - эрбий (Er – порядковый № 68) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f12
Валентные электроны эрбия 6s2 4f12 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Er находится 14 электронов. Эрбий является элементом второго ряда лантаноидов.
н) Элемент № 69 - тулий (Tm – порядковый № 69) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f13
Валентные электроны тулия 6s2 4f13 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Tm находится 15 электронов. Тулий является элементом второго ряда лантаноидов.
о) Элемент № 70 - иттербий (Yb – порядковый № 70) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14
Валентные электроны иттербия 6s2 4f14 - находятся на 6s- и 4f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Yb находится 16 электронов. У иттербия происходит полное заполнение электронами 4f-подуровня, т.е. образуется сверхустойчивое 6s2 4f14-состояние. Иттербий является элементом второго ряда лантаноидов.
п) Элемент № 71 - лютеций (Lu – порядковый № 71) электронная формула имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4р6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d1
Валентные электроны лютеция 6s2 4f14 5d1 - находятся на 6s-, 4f- и 5d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Lu находится 17 электронов. Дополнительный электрон (сверхустойчивой конфигурации s2 и f14) у лютеция, как и у лантана и кадмия, находится в 5d-состоянии. Поэтому лютецием заканчивается ряд лантаноидов.
Таким образом, у лантаноидов при незначительном возбуждении один из 4f-электронов (очень редко два) переходят в 5d-состояние. Остальные же 4f-электроны, экранированные от внешнего воздействия 5s2 5p6-электронами, на химические свойства некоторых лантаноидов существенного влияния не оказывают. Поэтому свойства лантаноидов в основном определяют 6s2 5d1. Такие элементы как Pr, Pm, Gd, Dy, Но, Er и Lu проявляют как и La степень окисления равную +3; Се Nd и Tb - проявляют степень окисления равную +3 и +4; Sm, Eu, Tm и Yb - степень окисления равную +2 и +3. Все лантаноиды проявляют большое сходство с элементами 3-й группы скандием и его аналогами. Наибольшее сходство лантаноиды проявляют с иттрием и лантаном, атомные и ионные радиусы и имеют близкое значение. Так как отличие в структуре атомов элементов семейства проявляется лишь в 4f-подуровне, очень мало влияющем на химические свойства элементов, лантаноиды сходны по свойствам друг с другом.
При исключительной близости некоторые свойства лантаноидов все же изменяются монотонно в ряду Се - Lu, другие - периодически. Постепенное уменьшение радиусов атомов и ионов в ряду Се - Lu называется "лантаноидным сжатием", объясняет монотонное изменение свойств элементов семейства.
Периодический характер заполнения 4f-орбиталей сначала по одному, а затем по два электрона предопределяет внутреннюю периодичность в изменении свойств лантаноидов и их соединений.
Элементы семейства лантаноидов встречаются в природе всегда вместе друг с другом, как с лантаном, так и с иттрием. Прометий - радиоактивный элемент, который практически в природе не встречается.
