Электронные семейства элементов

Принадлежность элемента к электронному семейству определяется характером заполнения энергетических подуровней:

s- элементы – заполнение внешнего s - подуровня при наличии на предвнешнем уровне двух или восьми электронов, например:

Li 1s² 2s²

s-элементы являются активными металлами, характерные степени окисления которых численно равны количеству электронов на последнем уровне:

+1 для щелочных металлов и +2 для элементов второй группы

р- элементы – заполнение внешнего p- подуровня, например:

F 1s² 2s² 2p⁵

Элементы от В до Ne включительно образуют первую серию p-элементов (элементы главных подгрупп), в атомах которых наиболее удаленные от ядра электроны располагаются на втором подуровне внешнего энергетического уровня.

d- элементы – заполнение предвнешнего d- подуровня, например:

V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d³

d- элементы относятся к металлам.

f- элементы – заполнение f- подуровня второго снаружи уровня, например:

Nd 1s² 2s² 2p² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁴

f- элементы – это элементы семейств актиноидов и лантаноидов.

Квантовая механика, сравнивая электронные конфигурации атомов приходит к следующим теоретическим выводам:

1. Строение внешней оболочки атома является периодической функцией зарядового числа атома Z.

2. Поскольку химические свойства атома определяются строением внешней оболочки, из предыдущего пункта следует: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра.

Контрольные вопросы

1. Ядерная модель строения атома. Изотопы (радионуклиды).

2. Квантово - механическая модель строения атома.

3. Квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное, спиновое).

4. Строение электронных оболочек атомов. Принцип Паули. Принцип наименьшей энергии. Правило Гунда.

5. Электронно-структурные формулы атомов. Гибридизация атомных орбиталей.

6. Характеристики атома. Атомный радиус. Электроотрицательность. Сродство к электрону. Энергия ионизации. S, p, d, f – электронные семейтсва атомов.

Типовые задачи

Задача № 1. Радиусы ионов Na⁺ и Cu⁺ одинаковы (0,098 нм). Объяснить различие температур плавления хлорида натрия (801°С) и хлорида меди(I) (430°С).

Решение:

При одинаковых зарядах и размерах ионов Na⁺ и Cu⁺ ,ион Cu⁺ имеет 18 – электронную внешнюю оболочку и более сильно поляризует анион Cl^- , чем ион Na⁺, обладающий электронной структурой благородного газа. Поэтому в хлориде меди(I) в результате поляризации с аниона на катион переносится более значительная часть электронного заряда, чем в хлориде натрия. Эффективные заряды ионов в кристалле CuCl становятся меньше, чем NaCl, а электростатическое взаимодействие между ними – более слабое. Этим объясняется более низкая температура плавления CuCl в сравнении с NaCl, кристаллическая решётка которого близка к чисто ионному типу.

Задача №2. Как обозначается состояние электрона а) с n=4,L=2; б) с n=5,L=3.

Решение: При записи энергетического состояния цифрой указывают номер уровня (n), а буквой - характер подуровня (s, p, d, f). При n=4 и L=2 записываем 4d; при n=5 и L=3 записываем 5f.

Задача № 3. Сколько всего орбиталей соответствует третьему энергетическому уровню? Сколько электронов на этом уровне? На сколько подуровней расщепляется этот уровень?

Решение: Для третьего энергетического уровня n=3, количество атомных орбиталей 9(3²), что

является суммой 1(s) +3(p) +5(d)=9. По принципу Паули количество электронов на этом уровне 18. Третий энергетический уровень расщепляется на три подуровня: s,p,d (количество подуровней совпадает с числом значений главного квантового числа).

Задача №4. На какие электронные семейства классифицируются химические элементы?

Решение: Все химические элементы можно классифицировать в зависимости от характера заполняемых подуровней на 4 типа:

s-элементы-заполняют электронами ns подуровень;

p-элементы -заполняют электронами np подуровень;

d-элементы-заполняют электронами (n-1)d подуровень;

f-элементы –заполняют электронами (n-2)f подуровень;

Задача № 5. Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня: а) 4р; б)4s

Решение: А) подуровню 4р отвечает сумма (n+1), равная 4+1=5. Такой же суммой характеризуются подуровни 3d (3+2=5) и 5s (5+0=5). Однако состоянию 3d отвечает меньшее значение n (n=3), чем состоянию 4р, поэтому подуровень 3d будет заполняться раньше, чем подуровень 4р. Следовательно, после заполнения подуровня 4р будет заполняться подуровень 5s, которому отвечает на единицу большее значение n(n=5).

Б) подуровню 4s соответствует сумма n+1=4+0=4. Такой же суммой n+1 характеризуется подуровень 3р, но заполнение этого подуровня предшествует заполнению подуровня 4s, т.к. последнему отвечает большее значение главного квантового числа. Следовательно, после подуровня 4s будет заполняться подуровень с суммой (n+1)=5,причем из всех возможных комбинаций n+l, соответствующих этой сумме(n=3, l=2; n=4; l=1; n=5; l=0), первой будет реализоваться комбинация с наименьшим значением главного квантового числа, то есть вслед за подуровнем 4s будет заполняться подуровень 3d.

Вывод: таким образом, заполнение подуровня d отстает на один квантовый уровень, заполнение подуровня f отстает на два квантовых уровня.

Для написания электронной формулы элемента необходимо: арабской цифрой указать номер энергетического уровня, написать буквенное значение подуровня, количество электронов записать в виде показателя степени.

Например: ₂₆Fe⁴ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶

Электронная формула составлена с учетом конкуренции подуровней, т.е. правила минимума энергии. Без учета последнего электронная формула будет записываться : ₂₆Fe⁴1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

Задача № 6. Электронная структура атома описывается формулой 1s22s22p63s23d74s2. Какой это элемент?

Решение: Этот элемент принадлежит к электронному типу d-элементов 4 периода , т.к. происходит застройка электронами 3d подуровня; число электронов 3d 7 свидетельствует о том, что это седьмой элемент по порядку. Общее число электронов 27,значит порядковый номер 27. Этот элемент кобальт.