Примеры решения задач. Пример 3.1. Запишите электронную конфигурацию атома титана

Пример 3.1. Запишите электронную конфигурацию атома титана. Сколько свободных d -орбиталей содержится на предвнешнем энергетическом уровне Тi?

Решение. Порядковый номер титана (Ti) в периодической системе 22. Следовательно, положительный заряд ядра равен +22 и столько же электронов в атоме титана. Поскольку титан находится в 4 периоде, электроны располагаются на 4-х энергетических уровнях следующим образом: ₂₂Ti 2е, 8е, 10е, 2е. Запись электронной конфигурации атома титана по уровням и подуровням имеет вид 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ²4 s ².

В соответствии с правилом Хунда электроны на d -подуровне у атома титана располагаются следующим образом: .

Очевидно, что на предвнешнем энергетическом уровне атома титана содержится три свободные d -орбитали.

Пример 3.2. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с одинаковыми значениями трех квантовых чисел: l, ml, ms? Приведите примеры.

Решение. Да, возможно, это не противоречит принципу Паули. Два электрона, характеризующиеся одинаковыми значениями трех квантовых чисел l, ml, ms, должны отличаться главным квантовым числом n. Например, в атоме фтора, электронная конфигурация которого 1 s ²2 s ²2 p ⁵, для электронов 1 s ¹ и 2 s ¹ квантовые числа будут иметь следующие значения:

для 1 s ¹ n = 1, l = 0, ml = 0, ms = ½;

для 2 s ¹ n = 2, l = 0, ml = 0, ms = ½.

Пример 3.3. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше 5 d или 6 s; 4 f или 6 p?

Решение. Последовательность заполнения орбиталей осуществляется в соответствии с правилом Клечковского и определяется суммой (n + l). Для подуровня 5 d сумма (n + l) равна (5+2) = 7, для подуровня 6 s (6+0) = 6. В первую очередь заполняются орбитали с меньшей энергией, следовательно, вначале заполняется 6 s, потом 5 d. Для подуровней 4 f и 6 р сумма (n + l) одинакова (4+3) = 7 и (6+1) = 7. При одинаковом значении суммы (n + l) раньше заполняется подуровень с меньшим n, следовательно, 4 f.

Пример 3.4. Запишите электронную конфигурацию ионов Fe³⁺ и S^2–.

Решение. Электронная конфигурация атома железа ₂₆Fe 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁶4 s ². Если атом железа отдаст три электрона, он превратится в ион: Fe⁰ – 3e → Fe³⁺. В первую очередь атом отдает электроны с более высокого энергетического уровня и подуровня. Электронная конфигурация ионов Fe³⁺ имеет вид 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁵4 s ⁰. Электронная конфигурация атома серы ₁₆S 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ² 3 p ⁴. Приняв два электрона S⁰ + 2e → S^2–, атом серы превращается в ион S^2–, электронная конфигурация которого 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶.

Пример 3.5. Охарактеризуйте квантовыми числами электроны состояния 3 р ³.

Решение. Изобразим графически распределение электронов состояния 3 р ³: . Каждый электрон в атоме характеризуется набором четырех квантовых чисел: n, l, ml, ms. Главное квантовое число n обозначается арабской цифрой. Для указанных электронов главное квантовое число n равно 3. Электроны находятся на р -подуровне, следовательно, для всех трех электронов l =1. Три электрона находятся на разных орбиталях, которые ориентированы по трем разным направлениям. Ориентацию АО в пространстве определяет магнитное квантовое число ml, значение которого зависит от орбитального квантового числа l. Если l =1, ml принимает значение –1, 0, 1 (значение ml указано под каждой орбиталью). Спиновое квантовое число ms принимает значения +½ и –½. Таким образом, электроны состояния 3 р ³ характеризуются следующими квантовыми числами:

n = 3, l = 1, ml = –1, ms = ½ (или –½);

n = 3, l = 1, ml = 0, ms = ½ (или –½);

n = 3, l = 1, ml = 1, ms = ½ (или –½).

 

Задачи

41. Запишите электронные конфигурации атомов элементов с порядковыми номерами 17 и 28. Покажите распределение валентных электронов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

42. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 3 d или 4 s; 5р или 4 d? Почему? Запишите электронную конфигурацию атома элемента с порядковым номером 39.

43. Напишите электронные конфигурации атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных d -орбиталей содержится на предвнешнем уровне последнего элемента?

44. Напишите электронные конфигурации атомов элементов с порядковыми номерами 27 и 33. Чему равен максимальный спин d -электронов у атомов первого и р -электронов у атомов второго элемента?

45. Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, ml и ms, характеризующие состояние электрона в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома бария?

46. На основании электронных конфигураций атомов хлора и марганца охарактеризуйте их валентные возможности в основном и возбужденном состояниях.

47. В чем заключается принцип Паули? Может ли на подуровне р находиться 8, а на подуровне d 13 электронов? Почему? Напишите электронную конфигурацию атома элемента с порядковым номером 51 и укажите его валентные электроны.

48. Запишите электронные конфигурации атомов и ионов: а) Na⁰, Na⁺; б) Se⁰, Se^2–; в) Mn⁰, Mn²⁺.

49. В какой последовательности заполняются подуровни, для которых сумма (n + l) равна: а) 5; б) 6; в) 7?

50. 30. Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме ₄₉In? Покажите их расположение в квантовых ячейках и охарактеризуйте квантовыми числами.

51. Покажите графически распределение электронов в атомах с конфигурацией d ⁴ в основном состоянии. Определите суммарное значение ms четырех электронов.

52. Возможно ли наличие в атоме двух электронов с одинаковыми значениями трех квантовых чисел: n, ml и ms? Приведите примеры.

53. Среди приведенных ниже электронных конфигураций укажите невозможные и объясните причину невозможности их реализации: а) 1 р ³; б) 3 р ⁶; в) 3 s²; г) 2 s ²; д) 2 d ⁵; е) 5 d ²; ж) 3 f ¹²; з) 2 р ⁴; и) 3 р ⁷.

54. Запишите электронные конфигурации нейтральных атомов по заданным электронным конфигурациям ионов: а) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 p ⁶ (Э^–); б) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁶4 s ⁰ (Э³⁺); в) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 p ⁶4 d ¹⁰5 s ²5 p ⁶ (Э^2–); г) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ⁰ (Э²⁺). Укажите символы и названия элементов, для которых приведены электронные конфигурации.

55. Сколько электронов содержит атом, если следующий электрон должен сделать выбор между 5 р и 4 d АО? Какую из них и почему он предпочтет? Атом какого элемента при этом образуется? Напишите его электронную конфигурацию в основном и возбужденном состояниях.

56. Охарактеризуйте квантовыми числами электроны состояния 3 d ⁵.

57. Покажите графически распределение электронов в атомах на f -подуровне с конфигурацией f ⁷ в основном состоянии. Каково максимальное число ориентаций f -орбиталей в пространстве?

58. Внешний энергетический уровень атома выражается конфигурацией 5 s ²5 p ². Напишите его полную электронную конфигурацию. Какой это элемент? Сколько свободных р -орбиталей содержится на внешнем энергетическом уровне этого элемента?

59. Какие из электронных конфигураций, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента, неверны: а) 1 s ²2 s ²2 p ⁵3 s ¹; б) 1 s ²2 s ²2 p ⁶; в) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁴; г) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²; д) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 d ²? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные конфигурации?

60. Назовите элементы, внешний энергетический уровень атомов которых выражается электронной конфигурацией np ⁴. Напишите полную электронную конфигурацию атома одного из этих элементов и укажите электронное семейство.