Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Пример 1. Определение характеристик электрона в атоме. Составление электронных и графических формул атомов и ионов химических элементов

Читайте также:
  1. E. Организм контактирует с внутренними объектами — например, воспоминаниями, эротическими фантазиями, мысленными представлениями — субъективными образами.
  2. Excel. Технология работы с формулами на примере обработки экзаменационной ведомости
  3. I ОФИЦИАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГРОЗ НАЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИИ
  4. I. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЦЕЛИ
  5. I. Примерный перечень вопросов рубежного контроля.
  6. I.2. Характеристика основных элементов корпоративной культуры.
  7. II. Определение для каждого процесса изменения внутренней энергии, температуры, энтальпии, энтропии, а также работы процесса и количества теплоты, участвующей в процессе.
Помощь в написании учебных работ
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь

1. Определите, какие значения могут принимать квантовые числа n, ℓ, m, ms, характеризующие состояние всех электронов в атоме магния.

Решение. Химический элемент магний расположен в III периоде, II группе, главной подгруппе A Периодической таблицы Д.И. Менделеева, его порядковый номер 12. Это означает, что в атоме магния содержится 12 электронов, и они располагаются по трем энергетическим уровням. Следовательно, главное квантовое число n принимает 3 значения: 1, 2 и 3.

Ёмкость каждого энергетического уровня определяется величинами орбитального ℓ и магнитного m квантовых чисел. Следовательно, при n = 1 ℓ = 0 (s- подуровень), и m = 0 (на s- подуровне имеется одна электронная орбиталь). При n = 2 ℓ = 0, m = 0 (s-подуровень с одной электронной орбиталью) и ℓ = 1, m = -1; 0; +1 (р-подуровень с 3-мя электронными орбиталями). При n = 3 ℓ = 0, m = 0 (1 s-подуровень, 1 орбиталь), ℓ = 1, m = -1; 0; +1 (1 p-подуровень, 3 электронные орбитали), ℓ = 2 , m = -2;-1;0;+1+2 (1 d-подуровень с 5 орбиталями).

Максимальное количество электронов, способных разместиться на одной орбитали, равно 2, что обозначается стрелками, указывающими направления спинов электронов ↑↓. Отсюда следует, что на первом энергетическом уровне размещаются 2 электрона, на втором – 8 (2 на s-подуровне и 6 на p-подуровне). На третьем уровне могло бы разместиться 18 электронов (2 на s-, 6 на р- и 10 на d-подуровне). Но при полном заселении 1 и 2 энергетических уровней 10-ью электронами на 3-й уровень переходят только 2 оставшихся электрона, и они заполняют подуровень s. Подуровни p и d 3-го уровня остаются свободными (вакантными) в атоме магния.

Ответ можно представить в виде таблицы:

Главн. кв. число n Орбит. кв. число ℓ Магн. кв. число m Спин. кв. число ms
1; I энергет. уровень 0; подуровень s 0; 1 АО ↑↓
2; II энергет. уровень 0; подуровень s; 1; подуровень р 0; 1 АО -1;0;+1 3 АО ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
3; III энергет.уровень 0; подуровень s; 1; подуровень р; 2; подуровень d 0; 1 АО -1;0;+1 3 АО -2;-1;0;+1;+2 5 АО ↑↓  

2.Определите, сколько свободных (вакантных) f-орбиталей содержится в атомах, соответствующих порядковым номерам химических элементов 60, 93 и 100.

Решение. Чтобы определить наличие f-орбиталей в атоме конкретного химического элемента, необходимо вспомнить, что, согласно решению уравнения Шредингера, значение орбитального квантового числа ℓ = 3 (f-подуровень) соответствует n = 4. Однако заполнение электронами этого подуровня, согласно правилам Клечковского, начинается лишь после заполнения s-электронами 6-го энергетического уровня.

Докажем это расчетом суммы главного и орбитального квантовых чисел для 4-го, 5-го и 6-го энергетических уровней. При n = 4 и ℓ = 3 сумма n + ℓ = 4 + 3 = 7 больше сумм (n + ℓ) для вариантов с участием 5-го энергетического уровня при ℓ = 0; 1 (5 + 0 = 5; 5 + 1 = 6) и с участием 6-го энергетического уровня при ℓ = 0 (6 + 0 = 6). Следовательно, подуровни s- и p- на 5-м энергетическом уровне и подуровень s- на 6-м энергетическом уровне будут заполняться электронами раньше, чем подуровень 4f. Для случаев ℓ = 2 при n = 5 и ℓ = 1 при n = 6 сумма n + ℓ = 7, совпадает по энергии с подуровнем 4f, но величина главного квантового числа у варианта 4f меньше (n = 4). Следовательно, после подуровня 6s должен реализоваться вариант 4f. Аналогичные рассуждения подтвердят, что после 7s заполняется 5f, а уж затем 6d. Вернемся теперь к нашей задаче.

В атоме химического элемента № 60 Nd (неодим) содержатся три f-электрона, которые займут, согласно правилу Хунда, три атомных орбитали на подуровне 4f из 7 имеющихся (4f3):

       

Следовательно, в атоме неодима останутся 4 вакантные f-атомные орбитали.

В атоме химического элемента № 93 Np (нептуний) содержится 2 подуровня f-атомных орбиталей (в 6 и 7 –энергетических уровнях). Первый f-подуровень заполнен f-электронами полностью (4f14). На втором f-подуровне находятся 4f-электрона (5f4), которые займут 4 атомные f-орбитали. Значит, в атоме нептуния останутся вакантными 3 атомные f-орбитали на подуровне 5f.

     

Аналогично, в атоме химического элемента №100 Fm (фермий) содержатся 11f-электронов на подуровне 5f (5f11), они располагаются согласно схеме:

↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓

Следовательно, в атоме фермия вакантных f-орбиталей не содержится.

Ответ: в атоме химического элемента №60 Nd 4 свободные f-орбитали на подуровне 4f; в атоме химического элемента №93 Np 3 свободные f-орбитали на подуровне 5f; в атоме химического элемента №100 Fm нет вакантных f-орбиталей.

3.Проанализируйте электронную конфигурацию и составьте электронную и

графическую формулы атома брома. Определите, сколько электронных пар и сколько не спаренных электронов в атоме брома, и какие орбитали они занимают.

Решение. Анализ электронной конфигурации атома химического элемента следует начинать только после определения местоположения данного элемента в Периодической таблице Д.И. Менделеева. Химический элемент бром Br расположен в IV периоде, VII группе, главной подгруппе А, его порядковый номер 35. Значит, атом брома содержит 4 энергетических уровня, на которых размещены 35 электронов, причем, I, II и III энергетические уровни полностью заняты электронами, а на четвёртом, внешнем уровне, располагаются 7 электронов (35 – (2 + 8 + 18) = 7). На первом уровне всегда имеется только s-подуровень (1s2). Второй уровень расщепляется на два подуровня – s (2s2) и p (2p6). Третий уровень расщепляется на три подуровня – s (3s2), p (3р6) и d (3d10). Однако согласно правилу Клечковского подуровень 3d заполняется не после подуровня 3р, а после подуровня 4s четвертого энергетического уровня, уже заполненного двумя электронами (4s2). На подуровне р IV-го уровня размещаются оставшиеся 5 электронов атома брома (4р5). При этом мы помним, что четвёртый энергетический уровень расщепляется на 4 подуровня – s, p, d, f, и, следовательно, на внешнем уровне остаются вакантными 4d и 4f подуровни.

Составленной нами электронной конфигурации соответствует следующая электронная формула 1s22s22p63s264s23d104p5. Вакантные подуровни в формуле можно опустить.

В графической формуле атомные орбитали изображаются в виде «лесенки»:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5
↑↓ ↓↑
    ↓↑ ↑↓ ↓↑ ↑↓ ↓↑  
  ↑↓    
↓↑ ↑↓ ↓↑  
↑↓  
↑↓ ↑↓ ↑↓  
↑↓  
↑↓  
                                         

Ответ: в атоме брома имеются 17 электронных пар, занимающих подуровни 1s, 2s, 2p, 3s, 3p; 4s, 3d, 4p и один не спаренный электрон, занимающий подуровень 4р, а также 5 вакантных атомных орбиталей на подуровне 4d и 7 вакантных орбиталей на подуровне 4f.

4.В электронной сфере атома содержится 33 р-электрона. Напишите полную электронную формулу атома и определите химический элемент, которому он принадлежит.

Решение. Максимальная ёмкость р-подуровня (ℓ = 1) с учетом принципа Паули соответствует 2(2ℓ+1) = 2(2∙1 + 1) = 6. Поскольку по условию задачи в атоме содержится 33 р-электрона, то количество р-подуровней не превышает 6 (33:6 = 5,5). При этом 5 р –подуровней будут заполнены 30-ю электронами (5∙6 = 30), а на последнем 6-ом р-подуровне разместятся 3 электрона (33 - 30 = 3). Поскольку на первом энергетическом уровне нет р-подуровня, то в искомой электронной оболочке семь энергетических уровней. Пользуясь энергетической диаграммой (3) и правилами Клечковского и Хунда, построим электронную формулу атома:

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p3.

Общее число электронов на всех подуровнях равно 115, следовательно, и заряд ядра атома, указывающий его порядковый номер в Периодической таблице, также равен 115. Этот элемент названия пока не имеет. Он относится к р-элементам, а поэтому расположен в главной подгруппе. Номер группы равен сумме электронов s и p, следовательно 2+3=5.

Ответ: элемент № 115, расположен в VII периоде, V группе, главной подгруппе.

5.Дайте название химическим элементам, ионы которых имеют следующие электронные конфигурации: а) 1s22s22p63s23p64s03d0+4); б) [Ar]4s23d104p6-3).

Решение. Положительно заряженный ион Э+4 содержит на 4 электрона меньше, чем нейтральный атом того же химического элемента. Следовательно, формулу а) необходимо дополнить 4-мя электронами, расположив их согласно правилам Клечковского, т.е. 2 электрона на 4s-подуровне и 2 электрона на 3d-подуровне. Формула искомого элемента будет иметь вид 1s22s22p63s23p64s23d2. Сумма электронов на всех подуровнях равна 22, следовательно, порядковый номер элемента также равен 22, этот элемент – титан Ti.

Отрицательный ион Э-3 содержит на 3 электрона больше, чем нейтральный атом того же химического элемента. Следовательно, из формулы б) необходимо удалить 3 электрона. Согласно правилам Клечковского, удаляются электроны самых верхних подуровней, расположенные дальше от ядра атома. Такие электроны расположены на 4р-подуровне. Формула искомого элемента будет иметь вид [Ar]4s23d104p3. Сумма электронов на всех подуровнях равна 33 (18 + 15). Этот элемент – мышьяк As.

Ответ: а) Ti - титан; б) As - мышьяк.

6.Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 34, учитывая, что у атома первого элемента происходит «провал» одного 4s-электрона на 3d-подуровень. Объясните причину «провала» электрона и определите максимальный спин d-электронов у атомов первого и p-электронов у атомов второго элемента.

Решение. Для написания электронных формул определим положение химических элементов с порядковыми номерами 24 и 34 в Периодической таблице Д.И. Менделеева.

Элемент № 24 хром Cr расположен в IV периоде, VI группе, побочной подгруппе В семейства d-элементов. Это означает, что в атоме хрома имеется 4 энергетических уровня, из которых полностью завершенными являются 1-й и 2-й, на 3-ем уровне полностью завершены подуровни 3s и 3p, внешними незавершенными являются подуровни 4-го уровня и пред внешний 3d-подуровень. Правильной, соответствующей правилам Клечковского, должна быть такая формула атома хрома 1s22s22p63s23p64s23d4. Однако на самом деле формула атома хрома имеет вид 1s22s22p63s23p64s13d5. Наблюдается явление «провала» 4s электрона на подуровень 3d.

Дело в том, что в многоэлектронных атомах электроны внешних энергетических уровней отталкиваются от электронов, находящихся ближе к ядру и экранирующих ядро от электронов дальнего порядка. Вот почему последовательность возрастания энергий орбиталей усложняется. Так, s – орбитали более высокого уровня являются сильно проникающими в орбитали предыдущих уровней (“провал или проскок” электрона наблюдается в положениях s2d4, s2d8, s2d1f1). Те же s - орбитали экранируют положительный заряд ядра от электронов последующих уровней и подуровней. Наименее проникающими и наименее экранирующими являются d- и f- орбитали.

С другой стороны, «провал» электрона увеличивает количество неспаренных электронов в атоме хрома, поднимая до максимального значения его суммарный спин, что способствует наибольшей устойчивости атома (правило Хунда). Докажем это, построив графическую формулу 4s- и 3d- подуровней атома хрома. Она выглядит следующим образом: 4s13d5 или

 

 

Как видим, в атоме хрома 6 не спаренных электронов и его суммарный спин равен ∑|ms| = 6∙½ = 3. Для сравнения, в случае конфигурации внешних подуровней 4s23d4 суммарный спин был бы равен ∑|ms| = 4∙½ = 2.

Элемент № 34 селен Se тоже расположен в IV периоде, VI группе, но главной подгруппе А семейства p-элементов. Следовательно, в атоме селена имеется 4 энергетических уровня с заполненными 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s – подуровнями и незавершенным 4р-подуровнем, на котором размещены 4 электрона. Электронная формула атома селена 1s22s22p63s23p64s23d104p4. Графическая формула внешнего валентного 4р-подуровня

↑↓

В атоме селена только два не спаренных электрона и его суммарный спин равен ∑|ms| = 2∙½ = 1.

Ответ: Элемент № 24 хром Cr, 1s22s22p63s23p64s13d5, ∑|ms| = 3. Элемент № 34 селен Se, 1s22s22p63s23p64s23d104p4, ∑|ms| = 1.

7.Определите, каким элементам и каким состояниям их атомов отвечают следующие электронные формулы: а) 1s22s12p1; б) 1s22s22p63s13p2;

в) 1s22s22p63s33p63d104s14p3.

Решение. В нормальном состоянии атомов заполнение p-подуровня при незавершенном s-подуровне невозможно, т.к. p-подуровень выше по энергии. Однако в состоянии возбуждения (при сообщении атому дополнительной энергии, т.н. «энергии активации») электрон способен перейти на следующий энергетический подуровень, увеличивая число не спаренных электронов в атоме и повышая его химическую активность.

Из сказанного следует, что состояние а) является состоянием возбуждения атома, который при обычных условиях отвечает строению 1s22s2, и это атом бериллия Ве. Состояние б) является состоянием возбуждения атома, который при обычных условиях отвечает строению 1s22s22p63s23p1, и это атом алюминия Al. Состояние в) является состоянием возбуждения атома германия Ge, который при обычных условиях отвечает строению 1s22s22p63s33p63d104s24p2.

Ответ: а) бериллий Ве, 1s22s2; б) алюминий Al, 1s22s22p63s23p1; в) германий Ge, 1s22s22p63s33p63d104s24p2.

 


Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 712 | Нарушение авторских прав


 

 

Читайте в этой же книге: Пример 3. Составление уравнений ядерных реакций | Пример 4. Определение периода полураспада и энергии ядерных превращений | Радиоактивные превращения». |
<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Раздел 1. Методические указания по теме «Квантовая модель строения атома. Периодический закон Д. И. Менделеева. Строение ядра.| Положению в Периодической системе Д. И. Менделеева

mybiblioteka.su - 2015-2022 год. (0.057 сек.)