Занятие 13. Строение электронных оболочек атомов

 Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Что называют атомной орбиталью и электронным облаком?

2. Квантовые числа: главное, побочное (орбитальное), магнитное, спиновое. Что они характеризуют и какие принимают значения?

3. Что такое энергетический уровень, подуровень?

4. Принципы заполнения электронами уровней и подуровней: принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Гунда.

5. Электронные и электронографические формулы атомов элементов.

6. Деление элементов на s-, р-, d-семейства.

Типовые задачи с решениями

Задача № 1

Напишите электронные формулы Fe, Fe²⁺, Fe³⁺.

Решение:

Элемент железо – Fe:

1. порядковый номер – 26, заряд ядра +26, общее число электронов в атоме 26;

2. период – четвертый, атом имеет четыре энергетических уровня с подуровнями 1s,2s,2p,3s,3p,3d,4s;

3. побочная подгруппа VШ группы, d-элемент;

4. на внешнем (четвертом) уровне имеется два электрона на 4s-подуровне, на предвнешнем (третьем) уровне на 3d-подуровне имеется 6 электронов;

5. полная электронная формула атома железа: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶;

6. иона железа Fe²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s⁰;

7. иона железа Fe³⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s⁰. Положительно заряженные ионы образуются вследствие отрыва электронов с внешнего s-подуровня, а затем предвнешнего d-подуровня.

Задача № 2

Определите емкость подуровня, для которого магнитное квантовое число принимает пять значений.

Решение:

Пять значений принимает магнитное квантовое число для d-подуровня. Емкость подуровня – это максимальное число электронов на подуровне. Число электронов на подуровне определяется по формуле: (2l + 1). Для d-подуровня l = 2, поэтому емкость

d-подуровня равна 2(2∙2 + 1)=10, следовательно, d-подуровень максимально вмещает 10 электронов.

Ответ: 10 электронов

Задача № 3

Охарактеризуйте квантовыми числами электроны, которые находятся на 3p-подуровне.

Решение:

На третьем уровне р-подуровне находится шесть 3p⁶ электронов

, которые можно охарактеризовать следующими квантовыми числами:n = 3; l = 1; m = –1,0,+1; s =+1/2, –1/2.

Задача № 4

Установите соответствие между химическим символом элемента и электронной формулой атома в основном состоянии.

Символы элементов Электронные формулы

1) S А) …3d ⁵4s¹

2) Zn Б) …3d ⁴4s²

3) Cr В) …3d ¹⁰4s²4р²

4) Ge Г) …3s²3р⁴

Д) …3d ¹⁰4s²

Е) …3d ⁶

Решение:

1. Порядковый номер серы в ПСЭ – 16, поэтому в атоме S – 16 электронов. Сера является элементом 3-го периода VI-А группы ПСЭ, следовательно, в ее атоме происходит заполнение 3-го электронного слоя, на котором находится 6 электронов (соответственно номеру группы). Электронная конфигурация внешнего слоя атома серы 3s²3p⁴ (ответ Г).

2. В атоме Zn всего 30 электронов. Цинк – элемент IV периода II-В группы, следовательно, в его атоме происходит заполнение 4-го электронного слоя. Заполненными в атоме являются 1, 2 и 3-й электронные слои, содержащие соответственно 2, 8, 8 электронов – в сумме 18. В 4-ом электронном слое атома находится 2(соответствует номеру группы). Следовательно, 10, оставшихся из суммарных 30(30 – 18 – 2 = 10), расположены на 3d-подуровне, и его конфигурация 3d¹⁰4s² (ответ Д).

3. В атоме хрома всего 24 электрона. Хром расположен в 4-м периоде VI-В группе ПСЭ. Так как Cr – элемент побочной подгруппы, в его атоме происходит заполнение 3d- и 4s-орбиталей. Всего валентных электронов в атоме хрома 6 (соответственно номеру группы). Можно было бы ожидать для атома Cr распределение электронов 3d⁴4s², но следует знать, что в атоме Cr происходит проскок электронов с 4s- на 3d-подуровень и электронная конфигурация имеет вид: …3d⁵4s¹ (ответ А).

4. Атом Ge располагается в IV периоде IV-А группы ПСЭ и имеет 32 электрона. Это р-элемент, на внешнем четвертом энергетическом слое которого содержится 4 электрона: два из них на 4s-орбитали и два – на 4р-орбитали. Следовательно, электронная формула внешнего уровня атома Ge – …4s²4p².

Ответ

1	2	3	4
Г	Д	А	В

Упражнения и задачи для самостоятельного решения.

1. Назовите элемент, в атоме которого содержится 25 электронов. Напишите его электронную и электронографическую формулы.

2. Для атома элемента, находящегося в III периоде и II группе ПСЭ, укажите общее число электронов и их распределение по энергетическим уровням и подуровням.

3. Сколько полностью заполненных энергетических уровней имеют атомы бериллия, магния, кальция, стронция и бария?

4. Атом элемента имеет следующую электронную конфигурацию: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³. Укажите: а) заряд ядра; б) число завершенных энергетических уровней в электронной оболочке этого атома; в) максимально возможную степень окисления; г) валентность атома в соединении с водородом.

5. Напишите электронные формулы ионов Br^–, S^2–, Ca²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺.

6. Какую атомную орбиталь выберет очередной электрон согласно принципу наименьшей энергии: 4d или 5s; 4d или 5р; 5f или 4d?

7. Атомы каких трех элементов имеют структуру внешнего электронного слоя 4s¹? Напишите их электронные формулы.

Дополнительные задания

1. С точки зрения электронного строения объясните, какой из двух ионов: Fe²⁺ или Fe³⁺ более устойчив и почему?

2. Атом какого элемента содержит столько же электронов, как и молекула аммиака?

3. Сколько электронов и протонов содержит молекула воды Н₂О?

4. Изобразите, как располагаются 6 электронов на внешнем третьем уровне. Сколько орбиталей окажется вакантными на этом уровне?

Занятие 14. Периодический закон и периодическая система

элементов Д.И. Менделеева.