Примеры решения задач

Пример 1. По символу изотопа элемента укажите название элемента, число протонов и нейтронов в его ядре, а также запишите его электронную формулу.

Р е ш е н и е

Заряд ядра атома элемента Z = 39, значит, его порядковый номер в ПС и количество электронов также равны 39. Следовательно, искомым элементом является иттрий . Число протонов Z = 39, массовое число А = 89, тогда число нейтронов определяем по формуле (14):

N = 89 – 39 = 50.

Электронная формула : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹ .

Ответ: Y; Z = 39; N = 50.

Пример 2. Квантовые числа валентных электронов иона Э^2- равны:

Номер электрона n l m_l m_s

1 4 0 0 + 1/2

2 4 0 0 - 1/2

3 4 1 -1 + 1/2

4 4 1 0 + 1/2

Определите порядковый номер элемента и назовите его.

Р е ш е н и е

Валентная электронная формула иона Э^2–: …4s²4p². После удаления двух лишних электронов электронная конфигурация атома примет вид Э…4s². Добавим недостающие электроны

Э: 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s². Общее количество электронов равно (2 + + 2 + 6 + 2 + 6 + 2) = 20, значит, это элемент № 20 – кальций (Сa).

Пример 3. Запишите полную электронную формулу элемента с порядковым номером 23. Отметьте его валентные электроны и укажите для них значения всех квантовых чисел. К какому электронному семейству относится данный атом? Составьте электронно-графическую схему его валентных подуровней. Сколько непарных и свободных АО будет иметь ион данного атома с зарядом +2?

Р е ш е н и е

Элемент с № 23 – ванадий V. Составляем его электронную формулу

₂₃V: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d ³

Валентными электронами являются электроны 4s и 3d подуровней. Значения квантовых чисел для каждого из пяти валентных электронов равны:

Номер электрона n l m_l m_s

1 4 0 0 + 1/2

2 4 0 0 - 1/2

3 3 2 -2 + 1/2

4 3 2 -1 + 1/2

5 3 2 0 + 1/2

Поскольку заполняются d-АО, то ванадий следует отнести к семейству d-элементов.

Составим электронно-графическую схему валентных подуровней V:

4s 3d

При отрыве от атома ванадия двух электронов образуется ион V²⁺. Электроны покинут внешний 4s-подуровень, поэтому электронная формула V²⁺ примет вид:

₂₃V²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s⁰3d³

После удаления электронов с 4s-АО в ионе V²⁺ станут свободными 3 энергетические ячейки (АО) и три АО 3d-подуровня будут заняты непарными электронами.

Пример 4. Запишите электронные формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях и определите его валентные возможности.

Р е ш е н и е

Атом кремния имеет 14-й порядковый номер в ПС. Тогда его электронная формула в нормальном состоянии имеет вид

₁₄Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p².

Электронно-графическая схема валентного М-слоя:

3 s 3p 3d

В таком состоянии валентность Si равна В = 2, если считать, что данный атом будет образовывать ковалентные связи только по обменному механизму за счет двух непарных АО 3р-подуровня.

При возбуждении один из парных электронов 3s-орбитали переместится на подуровень 3p и электронная формула примет вид:

Si + E  Si^*: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ 3p³.

Электронно-графическая схема возбужденного валентного М-слоя:

3s 3p 3d

В возбужденном состоянии валентность Si равна В = 4, поскольку атом имеет 4 непарных электрона. Дальнейшее возбуждение атома кремния невозможно, так как все валентные электроны атома являются непарными.

Пример 5. Укажите, как изменяются первая энергия ионизации, сродство к электрону и орбитальный радиус в ряду элементов K – Cu – Rb. Какой из перечисленных элементов является более сильным окислителем?

Р е ш е н и е

Калий и медь стоят в одном периоде, поэтому при переходе от K к Cu энергия ионизации и сродство к электрону возрастают, а орбитальный радиус уменьшается.

Калий и рубидий находятся в разных периодах, но в одной подгруппе, следовательно, при переходе от K к Rb энергия ионизации и сродство к электрону уменьшаются, а орбитальный радиус возрастает.

Наиболее сильным окислителем является тот элемент, у которого больше значение сродства к электрону. По возрастанию F элементы следует расположить в ряд: Rb  K  Cu. Таким образом, более сильным окислителем является медь.

Пример 6. Сравните энергии ионизации у следующих пар атомов: а) …2s² 2p³ и …2s² 2p⁴; б) …3s² и …2s² 2p². Ответ мотивируйте.

Р е ш е н и е

а) Элементы …2s² 2p³ и …2s² 2p⁴ располагаются в ПС в одном периоде, так как их валентные электроны имеют одинаковые значения главного квантового числа (n = 2). Кроме того, они стоят в периоде друг за другом (их электронные конфигурации отличаются на один электрон). В периоде с ростом порядкового номера энергия ионизации увеличивается. Однако I (2s² 2p³) > I (2s² 2p⁴), поскольку у электронной конфигурации …2s²2p³ имеется наполовину заполненный p-подуровень, то есть здесь наблюдается локальный максимум энергии ионизации.

б) Элементы …3s² и …2s²2p² расположены в разных периодах и группах, поэтому их нельзя сравнивать без привлечения вспомогательной конфигурации. Такой конфигурацией может служить …2s², так как с первым элементом она стоит в одной группе (число валентных электронов одинаково и равно 2), а со вторым – в одном периоде.

I(…2s²) > I(…3s²), потому что с увеличением порядкового номера в группе происходит уменьшение энергии ионизации, а I(…2s²2p²) > I(…2s²), поскольку в периоде энергия ионизации увеличивается. Таким образом, I(…2s²2p²) > I(…2s²) > I(…3s²) или иначе I(…2s²2p²) >  I(…3s²).

Пример 7. Дайте общую характеристику элемента с порядковым номером 33. Какую высшую и низшую с.о. он проявляет в соединениях? Приведите примеры.

Р е ш е н и е

Это элемент As – мышьяк. Его полная электронная формула

₃₃As: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p³

Он располагается в четвертом периоде (n = 4, застраивается N-слой), в V(А) группе (имеет 5 валентных электронов …4s²4p³, которые располагаются на внешнем слое). As относится к семейству p-элементов.

Высшая с.о. = +5, так как мышьяк имеет пять валентных электронов. Низшая с.о. = –3, так как до устойчивого электронного октета (4s²4p⁶) ему недостает трех электронов. Примеры: , .

Пример 8. Почему селен и хром, находясь в одном и том же периоде и в одной группе, обладают столь разными химическими свойствами?

Р е ш е н и е

Селен и хром – это элементы шестого периода VI группы. Селен относится к семейству p-элементов и находится в главной подгруппе, тогда как хром – d-элемент, стоящий в побочной подгруппе.

Атом селена имеет на внешнем слое шесть электронов (…4s²4p⁴), а атом хрома - только один электрон (….3d ⁵4s¹). Следовательно, у селена сильнее выражены неметаллические свойства, а у хрома – металлические.