3. Cтроение атома. Методика решения типовых задач

Пример 1. Составление электронных формул атомов элементов с учетом значений квантовых чисел электронов наружного слоя. Напишите электронную формулу атома элемента и назовите его, если значения квантовых чисел (n, l, m_l m_s) электронов наружного электронного слоя следующие: 4, 1, -1, + 1/2; 4, 1, 0, +1/2; 4, 1, +1, +1/2.

Решение. Состояние каждого электрона наружного энергетического уровня определяется следующим набором квантовых чисел:

1-й электрон: n = 4, l =1, m_l = -1, m_s = + 1/2;

2-й электрон: n = 4, l =1, m_l = 0, m_s = + 1/2;

3-й электрон: n = 4, l =1, m_l = +1, m_s = + 1/2;

Главное квантовое число равно четырем, следовательно, электроны находятся на 4-м энергетическом уровне. Орбитальное квантовое число определяет форму орбитали. Если l=1, то орбиталь называется р-орбиталью, следовательно, три электрона находятся на р-подуровне 4-го энергетического уровня. Магнитное квантовое число m_l (-1, 0, +1) определяет ориентацию орбитали в пространстве. На всех трех р-орбиталях (р_х, р_у, р_г) находится по одному электрону (m_s = + l/2). Наружный энергетический уровень атома этого элемента содержит пять электронов: ...4s²4p³. Такую электронную конфигурацию наружного энергетического уровня имеет атом мышьяка As, электронная формула которого следующая: Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³.

Пример 2. Изображение электронной структуры атомов элементов с помощью энергетических ячеек. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по энергетическим ячейкам для атома элемента с порядковым номером 40.

Решение. Элемент с порядковым номером 40 - цирконий Zr, находится он в пятом периоде, IVВ подгруппе. Цирконий - это d-элемент. Электронная формула атома циркония - Zr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s².

Принимая во внимание правило Гунда, заполним энергетические ячейки следующим образом:

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

3d10

4s2

4p6

4d2

5s2

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

↑↓

Пример 3. Определение значений квантовых чисел для эле­ктронов атома элемента. Для атома с электронной структурой 1s²2s²p¹ найдите значения четырех квантовых чисел n, l, m_l, m_s, определяющие каждый из электронов в нормальном состоянии.

Решение. Электронную структуру 1s²2s²p¹ имеет атом бора. Значения квантовых чисел для электронов атома бора надо определять с учетом принципа Паули, согласно которому в атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми. 1-й энергетический уровень атома бора содержит два электрона в s-состоянии. Эти электроны характеризуются следующим набором квантовых чисел: 1,0, 0, ±1/2. Электроны в s-состоянии второго энергетического уровня имеют значения квантовых чисел: 2, 0, 0, ±1/2.

Квантовые числа 2, 1, -1, +1/2 описывают р-электрон второго энергетического уровня бора в р-состоянии. Значения квантовых чисел пяти электронов атома бора следующие:

Квантовое число	Электрон
	1	2	3	4	5
n	1	1	2	2	2
l	0	0	0	0	1
ml	0	0	0	0	-1
s	+1/2	-1/2	+1/2	-1/2	+1/2

41. Приведите по два примера, относящихся к s-, p- и d-электронным семействам. Ответ мотивируйте строением внешних и предвнешних (для d-элементов) энергетических уровней атомов.

42. Внешние энергетические уровни атомов имеют вид 3s¹; 5s²5p²; 4s²4p⁶; 2s²2p⁵. В каких периодах и в каких подгруппах находятся эти элементы? К каким электронным семействам они принадлежат?

43. Сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне и подуровне у атомов элементов с зарядом ядра +42; +28; +19? Составьте электронные формулы для атомов этих элементов.

44. Какие из электронных конфигураций соответствуют основному, возбужденному или запрещенному (невозможному) состоянию:

а) 1s²2s²2p⁵3s³; б) 1s²2s²2p⁶3s¹3p⁵3d¹; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p⁶4d⁴5s¹; г) 1s²2s¹2p⁷.

45. Напишите электронные формулы атомов фосфора, цезия и ванадия. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

46. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, р-, d- и f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?

47. Какие значения имеют квантовые числа n, l, m и s для следующих атомных орбиталей: а)4s; б)2р; в)3d; г)4f?

48. Составьте электронную формулу атомов элементов с зарядом ядра +25 и +33. Покажите распределение валентных электронов в нормальном и возбужденном состояниях. Какие степени окисления возможны у этих элементов?

49. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m при орбитальном квантовом числе l=0; 1; 2 и З? Какие элементы в Периодической системе носят названия s, p, d и f-элементов? Приведите примеры.

50. Какие значения могут принимать квантовые числа п, l, т₁ и т_s, характеризующие состояние электронов в атоме. Какие значения они принимают для внешних электронов атома фосфора?

51. Приведите по два примера, относящихся к p-, d- и f-электронным семействам. Ответ мотивируйте строением внешних и предвнешних (для d-элементов) энергетических уровней атомов.

52. Внешние энергетические уровни атомов имеют вид 4s¹; 6s²6p^2; 5s²5p⁶; 2s²2p⁵. В каких периодах и в каких подгруппах находятся эти элементы? К каким электронным семействам они принадлежат?

53. Сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне и подуровне у атомов элементов с зарядом ядра +24; +46; +55? Составьте электронные формулы для атомов этих элементов.

54. Какие из электронных конфигураций соответствуют основному, возбужденному или запрещенному (невозможному) состояниям:

a) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s³; б) 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d¹;

в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p⁶; г) 1s²2s²2p⁷.

55. Пользуясь правилом Гунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим высшему энергетическому состоянию атомов фосфора, алюминия, кремния и никеля. Сколько неспаренных электронов в атомах этих элементов в основном и возбужденном состояниях?

56. Определите значения всех квантовых чисел для электронов атомов:

а) лития; б) бора; в) азота; г) фтора.

57. Напишите электронные формулы атомов элементов с зарядом ядра:

а) +46; б) +105; в) +114 и в) еще не открытого элемента с зарядом ядра +120. К каким электронным семействам относятся эти элементы?

58. В электронных оболочках атомов трех элементов содержатся: а) 21 р-электрон; б)15 d-электронов; в) 20 f-электронов. Напишите полные электронные формулы этих элементов и назовите их. Какие степени окисления они могут проявлятъ в химических соединениях?

59. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: а) 4s или 3d;

б) 5s или 4р; в)5p или 4d? Почему? Составьте электронные формулы атомов эле-ментов с зарядом ядра +53 и +80.

60. Энергетическое состояние внешнего электрона атома описывается следующими значениями квантовых чисел: n = 3, l = 0, m = 0. Атомы каких эле-ментов имеют такой электрон? Составьте электронные формулы атомов этих элементов.