Примеры решения задач
Пример 1.1. Написать электронную формулу атома ванадия 23V и:
а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида ванадия и соответствующего ему гидроксида.
Решение. а) Порядковый номер ванадия (V) в периодической системе 23. Следовательно, положительный заряд ядра равен +23 и столько же электронов в атоме ванадия вращается вокруг ядра. Поскольку ванадий находится в 4 периоде, электроны располагаются на 4-х энергетических уровнях следующим образом: 23V 2е, 8е, 11е, 2е. Запись электронной конфигурации атома по уровням и подуровням имеет вид 1s22s22p63s23p63d34s2. Валентные электроны ванадия 3d34s2.
б) Ванадий относится к d-электронному семейству и расположен в 4 периоде, VВ группе (побочная подгруппа). Валентные энергетические уровни ванадия 3d и 4s и валентные электроны располагаются на них следующим образом:
в)
г) Каждый электрон в атоме характеризуется набором четырех квантовых чисел: n, l, ml, ms. Главное квантовое число n обозначается арабской цифрой и равно номеру уровня, на котором находится электрон. Для 3d электронов главное квантовое число n равно 3, для 4s электронов – n = 4.
В электронных формулах орбитальное квантовое число обозначается буквой l. Напоминаем:
Значения l 0 1 2 3
Буквенные обозначения s p d f.
Для электронов, находящихся на d-подуровне, l = 2; для электронов
s-подуровня l = 0.
Электроны находятся на разных орбиталях, которые ориентированы по разным направлениям. Ориентацию АО в пространстве определяет магнитное квантовое число ml, значение которого зависит от орбитального квантового числа l. Если l=2, ml принимает значение –2, –1, 0, +1, +2; при l = 0 ml = 0.
Спиновое квантовое число ms принимает значения +½ и –½. Таким образом, электроны состояния 3d3 и 4s2 характеризуются следующими квантовыми числами:
N |
n |
l |
ml |
ms |
1 |
3 |
2 |
-2 |
+1/2 |
2 |
3 |
2 |
-1 |
+1/2 |
3 |
3 |
2 |
0 |
+1/2 |
4 |
4 |
0 |
0 |
+1/2 |
5 |
4 |
0 |
0 |
-1/2 |
д) Формула высшего оксида ванадия V2O5. Это кислотный оксид и в качестве гидроксида ему соответствует кислота НVO3.
Пример 1.2. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше 5d или 6s; 4f или 6p?
Решение. Последовательность заполнения орбиталей осуществляется в соответствии с правилом Клечковского и определяется суммой (n+l). Для подуровня 5d сумма (n+l) равна (5+2) = 7, для подуровня 6s (6+0) = 6. В первую очередь заполняются орбитали с меньшей энергией, следовательно, вначале заполняется 6s, потом 5d. Для подуровней 4f и 6р сумма (n+l) одинакова (4+3) = 7 и (6+1) = 7. При одинаковом значении суммы (n+l) раньше заполняется подуровень с меньшим n, следовательно, 4f.
Пример 1.3. Записать электронную конфигурацию ионов Fe3+ и S2–.
Решение. Электронная конфигурация атома железа
26Fe0 1s22s22p63s23p63d64s2. Если атом железа отдаст три электрона, он превратится в ион: Fe0 – 3e → Fe3+. В первую очередь атом отдает электроны с более высокого энергетического уровня и подуровня. Электронная конфигурация ионов Fe3+ имеет вид 1s22s22p63s23p63d54s0. Электронная конфигурация атома серы 16S0 1s22s22p63s2 3p4. Приняв два электрона S0 + 2e → S2–, атом серы превращается в ион S2–, электронная конфигурация которого 1s22s22p63s23p6.
Пример 1.4. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют фосфор, сера, хлор? Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.
Решение. Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA-группах и имеют электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня 3s23p3; 3s23p4; 3s23p5.
Для большинства элементов главных подгрупп высшая степень окисления равна номеру группы, в которой находится элемент, а низшая степень окисления равна разности N–8, (N – номер группы). Ответ на вопрос задачи см. в табл.