Составление электронно-графических формул для атомов f-элементов (семейство актиноидов) 7-го периода


Задача 60.
Напишите электронно-графическую формулу для f-элементов 7-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 № 90
Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для 90 элемента - тория (Th – порядковый № 90) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 6d

Валентные электроны тория 7s2 и 6d2 - находятся на 7s- и 6d-подуровнях. Энергетически выгодным состоянием празеодима является 7s2 6d2-состояние валентного слоя его атома. На валентной орбитали атома Th находятся 4 электрона. Торий является f-элементом семейства актиноидов.
 


б) Элемент № 91
Для элемента № 91 - протактиний (Pа – порядковый № 91) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f2 6d1 

Валентные электроны протактиния 7s2 5f2 6d1 - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. У протактиния начинается заполнение 5f-орбиталей, один новый электрон и электрон с 6d-подуровня. Энергетически выгодным состоянием протактиния является 7s2 5f2 6d1-состояние валентного слоя его атома. На валентной орбитали атома Pо находятся 5 электронов. Протактиний является f-элементом семейства актиноидов.
 


в) Элемент № 92
Для элемента № 92- урана (U – порядковый № 92) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f3 6d1 

Валентные электроны урана 7s2 5f3 6d1 - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. На валентных орбиталях атома U находится 6 электронов. У атома урана как и у протактиния и последующих актиноидов электронами заполняются 5f-орбитали. Уран является f-элементом семейства актиноидов.
 


г) Элемент № 93
Для элемента № 93 - нептуния (Np – порядковый № 93) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f4 6d1 

Валентные электроны нептуния 7s2 5f4 6d1 - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Np находится 7 электронов. Нептуний является f-элементом семейства актиноидов.
 


д) Элемент № 94
Для элемента № 94- плутонийя (Pu – порядковый № 94) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f5 6d1 

Валентные электроны плутония 7s2 5f5 6d1 - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Pu находится 8 электронов. Плутоний является f-элементом семейства актиноидов.
 


е) Элемент № 95 - америций (Am – порядковый № 95) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f7 

Валентные электроны америция 7s2 5f7 - находятся на 7s- и 5f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Am находится 9 электронов. У атома америция электрон с 6d-подуровня "проваливается" на 5f, потому что энергетически более выгодное состояние валентных электронов 7s2 5f7, чем 7s2 5f6 6d1.  Америций является f-элементом семейства актиноидов.
 


ж) Элемент № 96 - кюрий (Cm – порядковый № 96) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f7 6d1 

Валентные электроны гадолиния 7s2 5f7 6d1 - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Cm находится 10 электронов. Поскольку у кюрия 5f7-состояние стабильно и, следующий электрон располагается на 6d-подуровне. Поэтому конфигурация валентной оболочки атома кюрия 7s2 5f7 6d1 энергетически более выгодна, чем 7s2 5f8. Кюрием заканчивается первый ряд актиноидов. 
 


з) Элемент № 97 берклий (Bk – порядковый № 97) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f8 6d1 

Валентные электроны берклия 7s2 5f8 6d - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Bk находится 11 электронов. Берклием начинается второй ряд семейства актиноидов.
 


к) Элемент № 98 - калифорний (Cf – порядковый № 98) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f10

Валентные электроны калифорния 7s2 5f10 - находятся на 7s- и 5f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Cf находится 12 электронов. Для калифорния энергетически выгодное состояние валентных электронов 7s2 5f10, чем 7s2 5f9 6d1. Электрон с 6d-подуровня "проваливается" на 5f-подуровень. Калифорний является элементом второго ряда актиноидов.
 


л) Элемент № 99 - эйнштейний (Es – порядковый № 99) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f11

Валентные электроны эйнштейния 7s2 5f11 - находятся на 7s- и 5f-подуровне. На валентной орбитали атома Es находится 13 электронов. Эйнштейний является элементом второго ряда актиноидов.
 


м) Элемент № 100 - фермий (Fm – порядковый № 100) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f12

Валентные электроны фермия 7s2 5f12 - находятся на 7s- и 5f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Fm находится 14 электронов. Фермий является элементом второго ряда актиноидов.
 


н) Элемент № 101 - менделеевий (Md – порядковый № 101) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f13

Валентные электроны менделеевия 7s2 5f13 - находятся на 7s- и 5f-подуровнях. На валентных орбиталях атома Md находится 15 электронов. Менделеевий является элементом второго ряда актиноидов.


о) Элемент № 102 - нобелий (No – порядковый № 102) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14

Валентные электроны нобелия 7s2 5f14 - находятся на 7s- и 5f-подуровнях. На валентных орбиталях атома No находится 16 электронов. У нобелия происходит полное заполнение электронами 5f-подуровня, т.е. образуется сверхустойчивое 7s2 5f14-состояние. Нобелий является элементом второго ряда актиноидов.
 


п) Элемент № 103 - лоуренций (Lr – порядковый № 103) электронная формула имеет вид: 

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d1

Валентные электроны лоуренция 7s2 5f14 6d1 - находятся на 7s-, 5f- и 6d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Lr находится 17 электронов. Дополнительный электрон (сверхустойчивой конфигурации s2- и f14-состояния) у лоуренция, как и у актиния и кюрия, находится в 6d-состоянии. Поэтому лоуренцием заканчивается ряд актиноидов.
 


Внешняя электронная конфигурация атомов актиноидов 7s2 5fx 6dу , где (х) изменяется от 0 до 14, а (у) может применять значение 0 или 1. Для описания электронной конфигурация атомов актиноидов достаточно указать лишь 5f- и 6d-электронов, число же остальных электронов остается неизменным. Поэтому свойства лантаноидов в основном определяют 7s2 6d1. актиноиды в своих соединениях как и лантаноиды проявляют степень окисления равную +3. Кроме степения окисления +3 для актиноидов характерна поливалентность (некоторые актиноиды могут проявлять степении окисления +2, +4, +5, +6 и +7.. По мере заполнения 5f-орбиталей электронами электронные конфигурации атомов несколько стабилизируются и элементы подсемейства (Br - Lr) проявляют низкие степени окисления +2 и +3. Торий, протактиний и уран проявляют степени окисления +4, +5 и +6 соответственно, т.е. напоминают свойства гафния, тантала и вольфрама. U, Np, Pu и Am образуют группу уранидов, аналогично подгруппе церия в ряду лантаноидов, а элементы (Cm - Lr) образуют группу кюридов.