Пример 4.

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d ; 6s или 5p и почему?

Решение.

Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней подчиняется принципу «минимума энергии», т. е. вначале заполняются орбитали с меньшей энергией. Энергетическое состояние электрона характеризуется главным и орбитальным квантовыми числами и заполнение орбиталей происходит в последовательности увеличения их суммы (n + l). Для 5s-орбитали эта сумма равна 5 + 0 = 5, а для 4d-орбитали 4 + 2 = 6. Поэтому 5s- орбиталь заполняется электронами раньше.

Если сумма главного и орбитального квантовых чисел для двух орбиталей одинакова, то раньше заполняется та, у которой меньше значение главного квантового числа. Так, для 6s- и 5d-орбиталей эти суммы одинаковы (6 + 0 = 6 и 5 + 1 = 6), поэтому вначале заполняется 5p-орбиталь, а потом 6s.

Задания

21. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 9 и 28. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

22. Напишите электронные формулы атомов фосфора и ванадия. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

23. Какое максимальное число электронов может занимать s-, p-, d- и f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?

24. Напишите электронные формулы атомов марганца и селена. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

25. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4р? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

26. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 17 и 29. У последнего происходит провал одного 4s-электрона на 3d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

27. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5р? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

28. Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

29. В чем сущность -, ^–- и ⁺-радиоактивного распада? Изотоп какого элемента получится в результате последовательного излучения 4- и 2-частиц с атомным ядром ²³⁸U?

30. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Какие электроны этих атомов являются валентными?

51. Какую радиоактивность называют искусственной? Изотоп какого элемента образуется в результате ядерной реакции, происходящей при бомбардировке ядер атомов ²⁷Аl протонами, если при этом поглощается один протон и выделяется одна -частица? Составьте уравнение этой ядерной реакции.

32. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 28. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

33. Изотоп какого элемента образуется в результате ядерной реакции, происходящей при бомбардировке ядер атомов ⁵⁴Fe -частицами, если при этом поглощается одна -частица и выделяется один нейтрон. Составьте уравнение этой ядерной реакции.

34. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m_l при орбитальном квантовом числе l=0; 1; 2 и 3? Какие элементы в периодической системе носят название s-, р-, d- и f-элементов? Приведите примеры.

35. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l,m_l и m_s, характеризующие состояние электронов в атоме. Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

36. Чем отличается последовательность в заполнении атомных орбиталей у атомов d-элементов от последовательности заполнения их у атомов s- и р-элементов? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 46, учитывая, что, находясь в пятом периоде, атомы этого элемента на пятом энергетическом уровне не содержат ни одного электрона.

37. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит провал одного 4s-электрона на 3d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

38. Значения какого квантового числа определяют число s-, p-, d- и f-орбиталей на энергетическом уровне? Сколько всего s-, p- и d-электронов в атоме кобальта?

39. В чем заключается принцип несовместимости Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома p⁷ или d¹²-электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

40. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит провал одного 5s-электрона на 4d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева

Пример 1.

Составьте электронные формулы атомов элементов № 20 и № 53. На каких энергетических уровнях и подуровнях находятся валентные электроны?

Решение.

Порядковый номер элемента, равный заряду ядра атома, указывает число электронов в структуре атома. Согласно принципу «минимума энергии» (см. пример 2.4) заполнение электронами энергетических уровней и подуровней идет в следующем порядке:

1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s², 3d¹⁰, 4p⁶, 5s², 4d¹⁰, 5p⁶, 6s², (5d¹), 4f¹⁴, 5d^{2  10}, 6p⁶, 7s², (6d^{1  2}), 5f¹⁴, 6d^{3  10}, 7p.

Цифрой указывается значение главного квантового числа n – энергетический уровень, буквой  значение орбитального квантового числа l  энергетический подуровень. Индекс справа вверху показывает число электронов на данном подуровне. Суммарное число индексов должно совпадать с числом электронов в атоме, т. е. с его порядковым номером. При записи электронной формулы используют только главное и орбитальное квантовые числа.

Электронные формулы атомов элементов № 20 и № 53 имеют вид:

№ 20 (Ca)  1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s² ,

№ 53 (I)  1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s², 3d¹⁰, 4p⁶, 5s², 4d¹⁰, 5p⁵.

Валентные электроны в атоме расположены на последнем энергетическом уровне и на заполняющемся подуровне. У Ca это 4s², у I  5s² 5p⁵. Поскольку последним заполняется у Ca электронами s-подуровень, то он относится к семейству s-элементов, а I  к семейству p-элементов.