14

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Уральский Государственный Университет Путей Сообщения

Челябинский институт путей сообщения

Кафедра естественно-научных дисциплин

«Строение атома. Химическая связь»

Руководство к лабораторной работе

для студентов дневной и заочной форм обучения всех специальностей.

Под редакцией доцента Е.А. Коновалова

Составление электронной формулы атома.

Электронную формулу атома, которая характеризует его основные свойства, определяет положение элемента в периодической системе

Д.И. Менделеева.

При составлении электронной формулы атома следует учитывать следующее:

1. Порядковый номер элемента соответствует числу электронов в атоме.

2. Номер периода, в котором находится элемент, соответствует числу энергетических уровней в атоме.

В реально существующем атоме их может быть от 1 до 7. Такие же значения может принимать главное квантовое число n, которое определяет состояние электрона на энергетическом уровне. Состояние электронов в атоме определяется четырьмя квантовыми числами: n – главное; l – побочное или орбитальное; m – магнитное и sm – спиновое.

По формуле 2n², где n – номер энергетического уровня, можно определить число электронов на любом энергетическом уровне. Например, на втором энергетическом уровне 2x2²=8 электронов. Максимальное число электронов на энергетическом уровне – 32, на предпоследнем энергетическом уровне 18, на последнем энергетическом уровне – 8.

3. Номер энергетического уровня n определяет число возможных энергетических подуровней.

Состояние электронов на энергетическом подуровне определяется побочным квантовым числом l, числовое значение которого на единицу меньше главного квантового числа.

Для первого энергетического уровня n = l; l = n – 1 = 0. Число электронов на подуровне определяется по формуле 2(21+1). Например, 1s², (цифра 1 показывает номер энергетического уровня; s – название подуровня; показатель степени – электронов на подуровне).

Число орбиталей на любом энергетическом подуровне можно определить по формуле 24+1.

Орбиталь – это часть пространства, в котором вероятность нахождения электрона наиболее высока. Для 1=0 орбиталь, которая по названию подуровня называется s – орбиталью, имеет форму шара (см. табл. 1). Число орбиталей на энергетическом подуровне можно установить и с помощью магнитного квантового числа m, количество значений которого зависит от побочного числа и равно – 1, 0, +1. При n = 1, 1 = 0, т.е. на первом энергетическом уровне только одна орбиталь s, на которой могут располагаться два электрона.

Графически орбиталь изображают в виде клетки и называют энергетической ячейкой. Электроны изображаются , направление которой определяется спиновым квантовым числом – sm, у которого только два значения и ( ).

Н а каждой орбитали могут находиться, согласно запрету Паули, только два электрона с антипараллельными спинами .

s – подуровень повторяется на всех энергетических уровнях, всегда имеет максимальное число электронов s ² и ему соответствует значение 1 = 0.

Второй энергетический уровень 2s²2р⁶. На нем находятся два подуровня s и р. Так как два подуровня s 1 всегда = 0. То при n = 2, значение 1 = 1, будет соответствовать р – подуровню и количество электронов на этом подуровне будет равно 2(21+1) = 6, а число орбиталей 21+1 = 3. Графически это будет выглядеть таким образом:

р – орбиталь имеет гантелевидную форму, согласно значениям магнитного квантового числа при n = 2, 1 = 1 и m = – 1; 0; + 1 имеет три положения в пространстве (рис. 1).

Третий энергетический уровень 3s²3р⁶3d¹⁰. На нем три подуровня: подуровни предыдущего уровня s² и р⁶, и новый d – подуровень со значением n = 3; 1 = 2. На d – подуровне 10 электронов и 5 орбиталей, имеющих четырехлепестковую форму и пять положений в пространстве (см. рис. 1).

рис. 1

Графическое изображение d – подуровня:

На четвертом энергетическом уровне 4s²4р⁶4d¹⁰4f¹⁴, кроме подуровней s –, p, d –, появляется f – подуровень, которому соответствуют квантовые числа n = 1, l = 3, m = – 3, –2, –1, 0, +2, +3.

Количество электронов на f – подуровне 14, количество орбиталей 7. Графическое изображение f – подуровня:

4. Заполнение 3d – подуровня начинается с 21 элемента скандия, 4d – подуровня с39 элемента иттрия, 5d – подуровня с 57 элемента лантана, 6d – подуровня с 89 элемента актиния, 4f – подуровня с 58 элемента церия, и 5f – подуровня с 90 элемента тория.

5. У элементов главных подгрупп валентные электроны показывают высшую валентность атома и располагаются на последнем энергетическом уровне на s – и р – подуровнях и их сумма равна номеру группы. Главная подгруппа включает элементы больших и малых периодов.

6. У элементов побочных подгрупп валентные электроны располагаются на последнем энергетическом уровне на s – подуровне и на предпоследнем энергетическом уровне на d – подуровне и в сумме составляют номер группы.

Побочная подгруппа включает элементы только больших периодов. Для примера рассмотрим составление электронных формул некоторых элементов.

1. Электронная формула атома магния.

Число электронов соответствует номеру элемента 12 и записывается слева от химического символа элемента. Количество энергетических уровней, согласно номеру периода, 3. Суммарное количество валентных электронов, согласно номеру группы, 2. принадлежности к главной подгруппе указывает, что валентные электроны располагаются на последнем энергетическом уровне на s – подуровне.

12Mg 1s²|2s²2p⁶|3s².

Магний относится к s – семейству, так как его валентные электроны находятся только на s – подуровне.