Будова атома

Приклад 1. Що таке квантові числа? Які значення вони можуть приймати?

Рішення. Рух електрона в атомі носить імовірний характер. Біляядерний простір, у якому з найбільшою імовірністю (90–95%) може знаходитися електрон, називається атомною орбіталлю (АО). Атомна орбіталь, як будь–яка геометрична фігура, характеризується трьома параметрами (координатами), що одержали назву квантових чисел (n, l, m_l) . Квантові числа приймають не будь-які, а визначені, дискретні значення. Сусідні значення квантових чисел відрізняються на одиницю.

Квантові числа визначають розмір (n), форму(l) і орієнтацію (m_l) атомної орбіталі в просторі. Займаючи ту, або іншу атомну орбіталь, електрон утворює електронну хмару, яка у електронів того самого атома може мати різну форму. Форми електронних хмар аналогічні АО. Їх також називають електронними або атомними орбіталями. Електронна хмара характеризується чотирма квантовими числами(n, l, ml і ms). Ці квантові числа зв’язані з фізичними властивостями електрона, число n (головне квантове число) характеризує енергетичний (квантовий) рівень електрона, число l (орбітальне) – момент кількості руху (енергетичний підрівень), число m_l (магнітне) – магнітний момент, m_s – спін. Спін електрона виникає за рахунок обертання його навколо власної осі. Електрони в атомі повинні відрізнятися хоча б одним квантовим числом (принцип Паули), тому на АО можуть знаходитися не більш двох електронів, що відрізняються своїми спінами (ms = ± 1/2).

Приклад 2. Складіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 16 і 22. Покажіть розподіл електронів цих атомів по квантовим (енергетичним) коміркам.

Рішення. Електронні формули відображають розподіл електронів в атомі по енергетичним рівням, підрівням (атомним орбіталям). Електронна конфігурація позначається групами символів nlx де n – головне квантове число, l – орбітальне квантове число (замість нього указують відповідне літерне позначення – s, p, d, f), x – число електронів на даному підрівні (орбіталі). При цьому варто враховувати, що електрон займає той енергетичний підрівень, на якому він має найменшу енергію – менша сума n + l (правило Клечковского). Послідовність заповнення енергетичних рівнів і підрівнів наступна:

1s → 2s → 2р → 3s → 3р → 4s→3d →4р →5s → 4d → 5р → 6s→ (5d1) →4f→ 5d →6p→7s→ (6d^1–2)→5f→6d→7p

Число електронів в атомі того або іншого елемента дорівнює його порядковому номеру в таблиці Д.И.Менделєєва, тобто для елементів № 16 (сірка) і № 22 (титан) електронні формули мають вигляд:

₁₆ S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₂₂ Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²

Електронна структура атома може бути зображена також у виді схем розміщення електронів у квантових (енергетичних) комірках, що є схематичним зображенням атомних орбіталей. Квантову комірку позначають у виді прямокутника, кола або лінійки, а електрони в цих комірках позначають стрільцями. У кожній квантовій комірці може бути не більш двох електронів із протилежними спінами (розходження в спінах позначають різним напрямком стрілок).

Орбіталі даного підрівня заповнюються спочатку по одному електрону з однаковими спінами, а потім по другому електрону з протилежними спінами (правило Хунда):

₂₂ Ti

s

n=1 ↑↓ p

n=2 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ d

n=3 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ f

n=4 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

Контрольні питання.

21. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 9 і 28. Покажіть розподіл електронів цих атомів по квантових комірках. До якого електронного сімейства відноситься кожний з цих елементів?

22. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 16 і 26. Розподілите електрони цих атомів по квантових комірках. До якого електронного сімейства відноситься кожний з цих елементів?

23. Яке максимальне число електронів може знаходитись на s-, p-, d- і f- орбіталях даного енергетичного рівня? Чому? Напишіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 31.

24. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 25 і 34. До якого електронного сімейства відноситься кожний з цих елементів?

25. Які орбіталі атома заповнюються електронами раніш: 4s або 3d ; 5s або 4p? Чому? Напишіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 21.

26.Напишіть електронні формули іонів Zn²⁺, Cl^¯ і Al ³⁺ . До якого електронного сімейства відноситься кожний з цих елементів?

27.Які орбіталі атома заповнюються електронами раніш: 4d або 5s; 6s або 5p? Чому? Напишіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 43.

28. Що таке ізотопи? Чим можна пояснити, що в більшості елементів періодичної системи атомні маси виражаються дробовим числом? Чи можуть атоми різних елементів мати однакову масу? Як називаються подібні атоми?

29. Чому дорівнює кількість підрівнів у рівні? По якій формулі можна визначити максимальне число електронів на підрівні? Обчислить максимальне число електронів на 3d- і 4p- підрівнях.

30. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 14 і 40. Скільки вільних d-орбіталей у атома останнього елемента?

31. У чому сутність правила Хунда? Розмістить шість електронів по атомних орбіталях 3d- підрівня. Чому дорівнює їх сумарне спінове число?

32. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 15 і 28. Чому дорівнює максимальний спін p-електронів в атомів першого і d-електронів в атомів другого елемента?

33. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 21 і 23. Скільки вільних d-орбіталей в атомах цих елементів?

34. Скільки і які значення може приймати магнітне квантове число m_l при орбітальному числі l = 0; 1; 2 і 3? Які елементи в періодичній системі називають s-, p-, d- і f - елементами? Наведіть приклади.

35. Які значення можуть приймати квантові числа n, l, m_l і m_s, що характеризують стан електронів в атомі? Які значення вони приймають для зовнішніх електронів атома магнію?

36. Які з електронних формул, що відображують будову незбудженого атома деякого елемента невірні: а) 1s² 2s² 2p⁵ 3s¹; б) 1s² 2s² 2p⁶; в) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴; г) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²; д) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3d²? Чому? Атомам яких елементів відповідають правильно складені електронні формули?

37. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 24 і 33, з огляду на те, що в першого відбувається „провал” одного з 4s-електронів на 3d-підрівень. Чому дорівнює максимальний спін d-електронів в атомі першого і p-електронів в атомі другого елемента?

38. Квантові числа для електронів зовнішнього енергетичного рівня атомів деякого елемента мають наступні значення: n = 4; l = 0; m_l = 0; m_s = 1/2. Напишіть електронну формулу атома цього елемента і визначте, скільки вільних 3d-орбиталей він містить.

39. У чому полягає принцип Паули? Чи може бути на якому-небудь підрівні атома p⁷, або d¹² електронів? Чому? Складіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 22 і вкажіть його валентні електрони.

40. Складіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 32 і 42, з огляду на те, що в останнього відбувається „провал” одного з 5s-електронів на 4d-підрівень. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?