2. Строение атомов

Пример 1. Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, электронная формула которого имеет следующее окончание: 1) …4р⁶5s¹; 2) …4s²4p³; 3) …5d³6s². К какому семейству элементов он относится, какую максимальную степень окисления он может проявлять?

Решение.

1. Элемент, у атома которого электронная формула имеет окончание …4р⁶5s¹, относится к числу s-элементов 5-го периода (поскольку в атоме этого элемента 5 электронных уровней) главной подгруппы I группы (т.к. на s-подуровне внешнего уровня содержится только один электрон, а на …4р⁶ – это окончание электронной формулы благородного газа криптона Kr, на котором заканчивается 4-й период). Максимальная степень окисления этого элемента +1 (она совпадает с номером группы, в которой находится данный s-элемент).

2. Элемент, у атома которого электронная формула имеет окончание …4s²4p³, относится к числу р-элементов 4-го периода (поскольку в атоме этого элемента 4 электронных уровня) главной подгруппы V группы (т.к. для р-элементов суммарное число s- и р-электронов внешнего уровня равно номеру группы, в которой находится данный р-элемент). Максимальная степень окисления этого элемента равна +5 (она совпадает с номером группы).

3. Элемент, у атома которого электронная формула имеет окончание …5d³6s², относится к числу d-элементов 6-го периода (поскольку в атоме этого элемента 6 электронных уровня) побочной подгруппы V группы (т.к. для d-элементов суммарное число s-электронов внешнего уровня и d-электронов предвнешнего уровня равно номеру группы, в которой находится данный d-элемент). Максимальная степень окисления этого элемента равна +5 (она совпадает с номером группы).

Пример 2. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

Решение.

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m_l). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m_l) атомной обитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму.

Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называют электронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами(n, l, m_l, m_S). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) – момент количества движения (энергетический подуровень), число m_l (магнитное) – магнитный момент, m_S – спин. Спин электрона возникает за счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АО могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m_S = ±1/2). В табл. 9 (приложение) приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Пример 3. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение.

Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов nl^x , где n - главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f), x - число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n+l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → (5d¹) → 4f → 5d → 6p → 7s → (6d¹-2) → 5f → 6d → 7p

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (титан) электронные формулы имеют вид

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴;

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую ячейку обычно обозначают в виде прямоугольника, а электроны в этих ячейках обозначают стрелками. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположными спинами. Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами(правило Хунда):

16^S

22^Ti

Пример 4. Определите сумму значений главного и орбитального квантовых чисел последнего электрона внешнего уровня атома брома.

Решение.

Бром Br является р-элементом VII группы 4-го периода, следовательно, конфигурация внешнего электронного уровня атома атома брома такова: …4s²4p⁵. Поскольку номер периода определяет значение главного квантового числа n, а для р-подуровня орбитальное орбитальное квантовое число l=1, то для последнего электрона внешнего уровня сумма n + l = 4 + 1 = 5.

Пример 5. Изотоп 101-го элемента – менделевия (256) был получен бомбардировкой α-частицами ядер атомов эйнштейния (253). Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение.

Превращение атомных ядер обусловливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других.

Превращения атомных ядер как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением

Часто применяют сокращенную форму записи. Для приведенной реакции она имеет вид:²⁵³Es(α, n)²⁵⁶Md. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую, - частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы ,,,обозначают соответственноα, p, d, n.