3.2 Строение атома.

3.2.1 Строение атома. Периодическая система элементов

При ответе на задания, связанные со строением атома. необходимо опираться на современные квантово-механические представления. Состояние электрона в атоме можно описать с помощью четырех квантовых чисел. Главное квантовое число n (n = 1,2,3, …∞) определяет энергию уровня и расстояние его от ядра. В рамках одного уровня электроны могут находиться на подуровнях (орбиталях). Вид подуровня определяется орбитальным квантовым числом ℓ (ℓ = 0, 1, 2, 3, 4, … n-1). На первом энергетическом уровне имеется s – орбиталь (ℓ = 0), втором - s и p (ℓ = 1), третьем – s, p и d (ℓ = 2), четвертом s, p, d и f (ℓ =3).

Магнитное квантовое число m_ℓ определяет ориентацию орбитали в пространстве. m_ℓ принимает целочисленные значения в диапазоне от –ℓ до +ℓ. Поэтому на уровне может существовать одна s, три p, пять d и семь f – орбиталей. Направление вращения электрона вокруг собственной оси характеризуется спиновым квантовым числом s (s = ± 1/2).

Cогласно принципу запрета Паули, в атоме не может быть двух электронов, у которых все 4 квантовых числа одинаковы. Отсюда вытекает максимальная наполняемость орбиталей (2, 6, 10 и 14 для s-, p-, d- и f- подуровней, соответственно). Правило Хунда определяет порядок заполнения орбиталей: подуровни заполняются таким образом, чтобы суммарный спин был максимален. В соответствии с принципом наименьшей энергии заполнение орбиталей происходит в следующем порядке:

1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 4s – 3d – 4p – 5s – 4d – 5p – 6s(5d) – 4f – 5d – 6p –

7s(6d) – 5f – 6d – 7p

Отвечая на вопросы, связанные с изменением свойств элементов по группам и периодам, следует опираться на такие параметры, как энергия ионизации, сродство к электрону, заряд ядра, размеры атома, «эффект экранирования».

Примеры решения задач

Пример 1 Рассмотрим написание электронной и электронно-графической формул для марганца.

Решение:

₂₅Mn

s

n=1

⇅

p

n=2

⇅

⇅

⇅

⇅

d

n=3

⇅

⇅

⇅

⇅

↑

↑

↑

↑

↑

f

n=4

⇅

Пример 2 Напишите электронные и электронно-графические формулы для атома серы S и иона S^2-.

Решение:

₁₆S

s

n=1

⇅

p

n=2

⇅

⇅

⇅

⇅

d

n=3

⇅

⇅

↑

↑

Возможные валентные состояния атома серы:

s p d

n=3

⇅

↑

↑

↑

↑

в(s)=IV

s p d

n=3

↑

↑

↑

↑

↑

↑

Атом серы на последнем энергетическом уровне имеет шесть электронов и до его завершения

Контрольные задания:

11. Приведите электронные и электронно-графические формулы элементов с порядковыми номерами 14 и 23. К каким электронным семействам относятся эти элементы?

12. Приведите электронные и электронно-графические формулы элементов с порядковыми номерами 12 и 26. К каким электронным семействам относятся эти элементы?

13. Приведите электронные и электронно-графические формулы элементов с порядковыми номерами 15 и 29. К каким электронным семействам относятся эти элементы?

14. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит на 4 d – подуровне 2 электрона. В каком периоде, группе и подгруппе он находится? К какому электронному семейству относится?

15. Приведите электронные формулы элементов № 12 и № 35. Какой из них обладает более выраженными металлическими свойствами? Почему?

16. Приведите электронные формулы элементов № 13 и № 49. Какой из них обладает более выраженными металлическими свойствами? Почему?

17. Приведите электронные формулы элементов № 31 и № 33. Какой из них обладает более выраженными металлическими свойствами? Почему?

18. Приведите электронные формулы элементов Al, S и Fe, а также ионов Al³⁺, S^2-, Fe²⁺, Fe³⁺. Какой из ионов - Fe²⁺ или Fe³⁺ более устойчив? Почему?

19. Электронная формула элемента имеет окончание …3d³4s². Приведите полную электронную формулу. К какому электронному семейству относится элемент?

20. Электронная формула элемента имеет окончание … 3d⁷4s². Какова электронная формула двухзарядного катиона этого элемента?