Обучающие задачи

1. Cоставить электронную конфигурацию атома Na (заряд ядра +11).

Решение. Находящиеся в атоме 11 электронов должны распределиться следующим образом: сначала завершается 1-й квантовый слой (одна s-орбиталь, 2 электрона); затем заполняется s-орбиталь 2-го квантового слоя (2 электрона); далее три р-орбитали 2-го слоя (6 электронов). Тем самым завершается 2-й слой, и последний электрон находится на s-орбитали 3-го слоя.

Электронная формула атома Na имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s¹ (3p⁰ 3d⁰).

2. Сформировать электронную конфигурацию атома К (заряд +19).

Решение. Атом калия имеет на 8 электронов больше, чем атом Na, и дополнительный, 4-й, квантовый слой в электронной оболочке. Выдерживая аналогию с рассуждениями, приведенными в задаче 1, получаем: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹(4s⁰4p⁰4d⁰4f⁰). Однако электронная конфигурация атома калия другая: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹(3d⁰4p⁰4d⁰4f⁰), так как 4s-орбиталь энергетически выгоднее 3d-орбитали (см. первое правило Клечковского), и новый, 4-й слой, начинает заполняться электронами при незавершенном предыдущем слое.

3. Составить электронную конфигурацию катиона Fe²⁺ (заряд +26).

Решение. Конфигурация незавершенных квантовых слоев атома Fe такова: 3s²3p⁶3d⁶4s². Какие 2 электрона следует “снять” при переходе от атома к иону: 3d или 4s? Поскольку нас интересует энергетически выгодное состояние иона, необходимо убрать 4s-электроны - 3s²3p⁶3d⁶(4s⁰).

4. Составить конфигурацию валентного слоя иона Br^.

Решение. Начинаем с электронной конфигурации нейтральной системы. Бром - элемент 4 периода (т.е. валентный слой - 4-й) и главной подгруппы VII группы (т.е. р⁵-элемент). Следовательно, конфигурации валентного слоя атома брома отвечает электронная формула 4s²4p⁵(4d⁰). В анионе Br^ на 1 электрон больше, чем в атоме брома. Соблюдая принцип минимума энергии, помещаем дополнительный электрон на 4р-орбиталь - ...4s²4p⁶(4d⁰).

5. Какому элементу отвечает электронная конфигурация ...3s²3p⁶3d⁷4s²?

Решение. Внешний квантовый слой - 4-й, значит, элемент находится в 4-м периоде. Это 3d-элемент, т.к. идет заполнение 3d-подуровня, к тому же d⁷-элемент. Находим элемент, пользуясь таблицей: кобальт.

6. Элементом какого периода и какой группы является элемент, атом которого имеет следующую электронную конфигурацию: ... 2s²2p³ ?

Решение. Элемент находится во 2 периоде, т.к. внешний квантовый слой - 2-й. Это p-элемент, значит, должен находиться в главной подгруппе, к тому же p³-элемент, следовательно, V группа. Иначе, это пятый (5 внешних электронов) по порядку элемент 2-го периода. Ответ - азот.

7. К какому семейству элементов (s-, p-, d- или f-) относится элемент, имеющий в периодической системе порядковый номер 20 ?

Решение. В атоме 20 электронов. Расселяем их по слоям и подуровням в соответствии с принципом минимума энергии. 1-й период завершается конфигурацией 1s²(2 электрона), 2-й - ...2s²2p⁶(еще 2+6 = 8 электронов). Конфигурация 3-его периода - ...3s²3p⁶ (еще 2+6 = 8). Остается 2 электрона, которыми нужно начать заполнение 4 квантового слоя: 4s². Ответ - s-элемент.

8. Какой элемент является более активным металлом: Na, K или Ca ?

Решение. Находим эти элементы в периодической системе (период - группа). Na - 3-й период, I группа (главная подгруппа); К - 4-й период, I группа (главная подгруппа); Ca - 4-й период, II группа (главная подгруппа). При наличии двух переменных (период, группа), характеризующих элемент, следует сравнивать элементы, для которых одна из переменных закреплена. Закрепляем номер периода, 4: сравниваем свойства К (I группа) и Ca (II группа). В пределах одного периода с увеличением заряда ядра атома (увеличением номера группы) металлические свойства ослабляются: следовательно, К должен быть более активным металлом, чем Ca. Теперь закрепляем номер группы, I: сравниваем Na (3 период) и К (4 период). В пределах одной группы (главной подгруппы) с увеличением заряда ядра атома металлические свойства усиливаются. Следовательно, К должен быть более активным металлом, чем Na. Итак, наиболее активен - К.