5.2. Примеры решения задач

 

Пример 1. Последним электронную оболочку некоего элемента заселяет электрон с набором квантовых чисел: n = 3, l = 2, m = –2, ms = +1/2. Какой это элемент? Какова его полная электронная формула?

Решение. Данный электрон находится на 3-м уровне (n = 3), причем на d-подуровне (l = 2). На рис. 6 изображены все пять d-орбиталей и расположенные над ними значения магнитного квантового числа m от -2 до +2, нужная орбиталь (m = –2).

   

 

Рис. 6. Графическое изображение орбиталей

 

Расположив на ней единственный электрон (стрелка вверх, так как s = +1/2) и зная, что он последний, мы приходим к выводу, что остальные d-орбитали пусты. Теперь мы уже можем записать сокращенную электронную формулу элемента: …3d1. Этот элемент легко найти в периодической таблице – это скандий 21Sc. Всего на орбитальной диаграмме элемента поместится ровно 21 электрон, следовательно, в его ядре 21 протон и его порядковый номер в таблице Менделеева тоже 21 (Sc). Орбитальная диаграмма помогает записать и полную электронную формулу для скандия: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1.

 

Пример 2. Элемент имеет порядковый номер 18. Напишите полную электронную формулу, указав, на каких энергетических уровнях и подуровнях находятся электроны в атомах этого элемента.

Решение. Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней происходит в порядке возрастания энергии

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s 4f ≈ 5d < 6p <
< 7s 5f ≈ 6d < 7p.

Порядковый номер 18, т. е. атом содержит 18 электронов и его электронная формула имеет вид:, это аргон.

 

Пример 3. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде: ...3d34s2. Какой это элемент? Напишите полную электронную.

Решение: Судя по строению электронной оболочки элемент, находится в 4-м периоде, валентные электроны (3d3 + 4s2), т. е. общее число 5, следовательно, в V группе, d-орбиталь не завершенная, это d-элемент V группы, побочной подгруппы.

Электронная формула этого элемента: , это  – ванадий.

 

5.3. Индивидуальные задания

        

Задание. Решите задачи своего варианта (табл. 26).

 

Таблица 26

Исходные данные

 

Вариант

Номера задач

Вариант

Номера задач

1

1 (а), 10(б)

16

14 (а), 22

2

2, 18 (б)

17

15 (а), 1 (в)

3

3, 27

18

16 (а), 12

4

4, 25 (а)

19

17, 25 (в)

5

5, 23

20

18 (а), 7

6

6, 25 (б)

21

19, 10 (в)

7

7, 18 (г)

22

20, 9 (в)

8

8(а), 19

23

21, 9(б)

9

9 (а), 20

24

22, 16(в)

10

10 (а), 24

25

8 (б), 18 (в)

11

11, 25

26

8 (в), 24.

12

12, 15 (б)

27

14 (б), 23

13

13, 16 (б)

28

14 (в), 6

14

8 (г),21

29

26, 10 (б)

15

15 (в), 19

30

8 (д), 27

 

1. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде: а) ...5p3 ; б) …4s24p2; в) …3s21. Какой это элемент? Напишите полную электронную формулу и набор квантовых чисел для последнего электрона на внешнем электронном уровне1).

2. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде: ...3d8. Какой это элемент? Напишите полную электронную формулу и набор квантовых чисел для 8-го электрона на d-подуровне1).

3. Напишите полную электронную формулу элемента церия 58Ce.

4. Напишите полную электронную формулу и нарисуйте орбитальную диаграмму для элемента 19K. Запишите набор квантовых чисел для последнего (наиболее далекого от ядра) электрона этого элемента1).

51). В каком элементе при его образовании из субатомных частиц последним свое место в электронной оболочке займет электрон с таким набором квантовых чисел: n = 3, l = 2, m =  1, s = 1/2? Напишите полную электронную формулу для этого элемента.

61). Для какого элемента последним в электронной оболочке будет электрон с таким набором квантовых чисел: n = 4, l = 1, m = 1, s = 1/2? Напишите полную электронную формулу для этого элемента. Сколько у него неспаренных электронов?

71). Для какого элемента последним в электронной оболочке будет электрон с таким набором квантовых чисел: n = 2, l = 1, m = 0, s = 1/2? Напишите полную электронную формулу. Почему этот элемент не может быть благородным? Какой подуровень не заполнен по сравнению с ближайшим благородным элементом? Какой благородный элемент ближайший по электронному строению?

8. Назовите элементы и укажите число неспаренных электронов в атомах, имеющих следующие электронные конфигурации:

а) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2;

б) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4;

в) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d64s2;

г) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d104s2 4р3

д) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d54s2.

9. Объясните принципы и правила, определяющие последовательность заполнения атомных орбиталей электронами. Напишите электронную формулу элемента с порядковым номером а) 23; б) 40; в) 29.

10. Что характеризуют квантовые числа? Каково соотношение между ними? Комбинация, каких атомных орбиталей и в каком количестве возможна для главного квантового числа, равного а) 4; б) 3; в) 2?

11. Что понимают под возбужденным состоянием атома? Напишите электронные формулы атома фосфора, находящегося в нормальном и возбужденном состояниях. Представьте графические электронные формулы для этих двух состояний.

12. Как зависит энергия электрона от орбитального квантового числа в многоэлектронном атоме при постоянном значении главного квантового числа? Какой из подуровней 3d или 4s будет заполняться электронами раньше?

13. Определите последовательность заполнения электронных подуровней, если l + n = 5. Что понимают под атомной орбиталью?

14. Напишите электронные формулы атомов элементов с зарядом ядра а)10, 15, 35; б) 6, 21, 36; в) 19, 22, 34. Какой смысл вкладывают в понятие s-, p-, d-электронных облаков. Как изобразить их графически?

15. Приведите графическую электронную формулу атома а) железа; б) кобальта; в) никеля. Как располагаются d-электроны в атоме железа? Объясните порядок заполнения  d-орбиталей.

16. Какую информацию дает электронная формула элемента? Запишите электронную формулу и представьте графическую формулу валентных электронов элементов: а) хрома; б) молибдена; в) азота. Определите основные химические свойства этих элементов.

17. Какие элементы называются электронными аналогами? Перечислите электронные аналоги в шестой группе периодической системы элементов. Какой общей электронной формулой можно описать конфигурацию внешнего электронного слоя халькогенов?

18. Объясните, исходя из электронного строения атомов, каков физический смысл номера периода и номера группы. Напишите электронные формулы атомов следующих элементов: а) калия, б) ванадия,
в) мышьяка, г) марганца. Какими химическими свойствами обладают данные атомы.

19. Что понимают под атомным радиусом? Как изменяются атомные радиусы элементов в периодах и группах?

20. Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p-, d-, f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?

21. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4S или 3d? Почему?

22. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 5S или 4р? Почему?

23. Напишите электронные формулы элементов с порядковыми номерами: а) 9, 38; б) 42, 20; в) 6, 29. Указать валентные электроны.

24. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковым номером 14 и 40. Сколько свободных 3d-орбиталей у атомов последнего элемента?

25. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами а) 9 и 18; б) 16 и 26; в) 25 и 34. Покажите распределение элементов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

261). Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4, l = 0, ml = 0, ms = ±½. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите, сколько свободных 3d-орбиталей содержит каждый из них.

27. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р7- и d12-электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

 

1. Примечание к задачам на квантовые числа. В таких задачах существует опре­деленная условность – мы полагаем, что самый первый электрон, начинающий заселять электронное облако в любом атоме, имеет спин s = +1/2. На самом деле для электронов со спином +1/2 и –1/2 это равновероятно. Так, при образовании атомов водорода в недрах звезд все они имеют электронную оболочку 1s1, но 50 % атомов водорода имеют электроны с s = +1/2, и 50 % – электроны с s = –1/2. Приведенные здесь задачи предлагается решить в рамках введенной нами условности.

5.4. Тестовые задания

 

1. Магнитное квантовое число характеризует:

а) энергетическое стояние электрона в подуровне и форму электронного облака.

б) удаленность электрона от ядра, номер энергетического уровня, энергию электрона на орбитали.

в) ориентацию орбитали в пространстве.

г) момент количества движения электрона вокруг собственной оси.

 

2. Из принципа Паули следует:

а) распределение электронов по уровням обусловлено требованием минимума энергии;

б) на одной орбитали могут находиться только два электрона с противоположными спинами;

в) на атомных орбиталях электроны стремятся расположиться так, чтобы их суммарный спин был максимальным;

г) максимальное число электронов на подуровне строго лимитировано.

 

3. Последовательность заселения электронных оболочек выражается правилом:

а) правилом Паули

б) правилом Гунда

в) правилом Клечковского

г) принципом наименьшей энергии

 

4. В состав атомного ядра входят:

а) протоны и электроны

б) нейтроны и электроны

в) протоны и нейтроны

г) нейтроны и позитроны

 

5. Спиновое квантовое число характеризует:

а) энергетическое стояние электрона в подуровне и форму электронного облака;

б) удаленность электрона от ядра, номер энергетического уровня, энергию электрона на орбитали;

в) ориентацию орбитали в пространстве;

г) момент количества движения электрона вокруг собственной оси.

6. Из правила Гунда следует:

а) распределение электронов по уровням обусловлено требованием минимума энергии.

б) на одной орбитали могут находиться только два электрона с противоположными спинами.

в) на атомных орбиталях электроны стремятся расположиться так, чтобы их суммарный спин был максимальным.

г) максимальное число электронов на подуровне строго лимитировано.

 

7. Правильно составленная электронная формула хлора:

а)

б)

в)

г)

 

8. Название элемента с электронной формулой атома [Ar]3d34s2 – это

а) селен

б) алюминий

в) цинк

г) титан

 

9. Электронная формула валентных подуровней 3d34s2 отвечает атому элемента

а) As

б) V

в) Br

г) Mn

 

10.  Электронная формула аниона Э2– [Ne]3s23p6 отвечает элементу

а) аргону

б) хлору

в) сере

г) фосфору

 

11.  Укажите общее число электронов в частицах Be2+, Cl

а) 12

б) 18

в) 20

г) 28