Електронні сімейства елементів

 

Електронне сімейство	Положення в періодичній таблиці	Коротка електронна формула
s- сімейство   р- сімейство   d- сімейство f – сімейство	головні підгрупи I - II груп і елемент He головні підгрупи III - VIII груп (виключаючи He) побічні підгрупи I-VIII груп лантаноїди та актиноїди	ns1-2   ns2np1-6 ns2(n – 1)d1-10 ns2(n – 1)d1(n-2)f1-14

 

Щоб скласти скорочену електронну формулу елемента, виходячи з узагальненої формули сімейства, необхідно:

- визначити, до якого сімейства відноситься елемент і взяти відповідну узагальнену формулу;

- підставити в цю формулу значення n, що дорівнює номеру періоду, у якому розташований елемент;

- визначити кількість електронів на заповнюваному підрівні, відрахувавши від першого елемента сімейства у даному періоді і підставити цю кількість у формулу.

Для наочності розподіл електронів на підрівнях показують за допомогою графічних схем валентних орбіталей. Вони використовуються наряду з короткими електронними формулами.

Приклад 4. Напишіть короткі електронні формули і побудуйте графічні схеми валентних орбіталей зазначених атомів: Са, Ni, Se, Sm.

Розв’язання. Са – другий від початку IV періоду елемент s-сімейства:

Ni – восьмий, відраховуючи від Sc, d-элемент IV періоду:

Se – четвертий, відраховуючи від Ga, p-элемент IV періоду:

Sm – п¢ятий від Ce у ряду лантаноїдів – f-элементів VI періоду:

На електронну структуру деяких атомів впливає симетрія електронного розподілу. Наприклад, електронну формулу атома хрому – четвертого, відраховуючи від скандію Sc, у сімействі d-елементів IV періоду – за викладеними правилами варто записати так: 4s²3d⁴. Однак, реалізується конфігурація з заповненими по одному електрону п'ятьма d- орбіталями, що має більш симетричний розподіл електронного заряду (і тому – меншу енергію): 4s¹3d⁵. З цієї ж причини електронна конфігурація міді в основному стані не 4s²3d⁹, а 4s¹3d¹⁰. Така ситуація одержала назву "провал електрона" (з n на (n-1) рівень). Найбільшій симетрії відповідають цілком або наполовину заповнені підрівні (p³ і p⁶, d⁵ і d¹⁰, f⁷ і f¹⁴). У атома паладія Pd з 5s-підрівня "провалюються" обидва електрони: 4s²4p⁶5s²4d⁸ ® 4s²4p⁶4d¹⁰. Тому паладій – єдиний елемент періодичної системи, у якого головне квантове число електронів зовнішньої оболонки не збігається з номером періоду.

Будьте уважні при роботі з елементами d- і f- сімейств. Якщо вам потрібна точна електронна формула, звіряйтеся зі спеціальними таблицями електронних конфігурацій.

Варто пам'ятати, що всі розглянуті електронні формули відносяться до атомів, що знаходяться в стаціонарному (незбудженому) стані. Однак за певних умов може відбуватися розпаровування електронних пар при переході атомів у збуджений стан, внаслідок чого кількість неспарених електронів зростає. При цьому електрони переходять (промотуються) на вільну орбіталь розташованого вище по енергії підрівня в межах того ж енергетичного рівня.

Приклад 5. Складіть короткі електронні формули і графічні схеми атома хлору в основному (стаціонарному) і збудженому станах.

Розв’язання. Складаємо електронну формулу і схему електронної структури атома хлору в основному стані:

Cl – 3s²3p⁵

 

 

У збудженому стані (позначається символом ^* ) спарені 3s і 3p електрони можуть роз'єднуватися, переходячи на вільні орбіталі підрівня 3d:

 

Cl^* – 3s²3p⁴3d¹

 

Cl^** – 3s²3p³3d²

 

 

Cl^*** – 3s¹3p³3d³

 

 

Зверніть увагу, що атом хлору може існувати у трьох збуджених станах. Чи можлива наявність збудженого стану у атома фтору? Поясність вашу відповідь.

Навчившись писати короткі електронні формули атомів елементів, неважко складати електронні формули іонів, що відповідають існуванню елементів у різних ступенях окиснення. Для цього спочатку складають короткі електронні формули нейтральних атомів, а потім добавляють до неї (при утворенні аніонів) або видаляють (при утворенні катіонів) відповідну кількість електронів.

Приклад 6. Складіть електронні формули іонів і елементів у різних ступенях окиснення: S^2- , S⁺² , S⁺⁴ , S⁺⁶.

Розв’язання. Спочатку складаємо коротку електронну формулу і графічну схему атома S:

S⁰ 3s²3p⁴

 

Для одержання іона S^2- до S⁰ необхідно додати два електрона:

S^2- 3s²3p⁶

 

Щоб перейти від S⁰ до станів S⁺², S⁺⁴, S⁺⁶ необхідно видалити з нейтрального атома сірки два, чотири або шість електронів відповідно.

S⁺² 3s²3p²

 

 

S⁺⁴ 3s² 3p⁰

 

 

S⁺⁶ 2s²2p⁶3s⁰3p⁰

 

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Який елемент має в атомі п'ять електронів, для кожного з яких n =3 і l =2? Чому дорівнюють для них значення m_l? Чи повинні вони мати антипаралельні спіни?

2. Який елемент має чотири електрони, для кожного з яких

n = 4 і l = 1? Чому дорівнюють для них значення m_l? Скільки електронів мають антипаралельні спіни?

3. Укажіть значення квантових чисел n, l і m_l для валентних електронів в атомах елементів з порядковими номерами 19, 23, 27, 30, 33 і 36. Для визначення значень m_l виходьте з припущення, що орбіталі кожного підрівня заповнюються в порядку збільшення m_l, починаючи з його найбільш негативного значення.

4. Скільки електронних шарів і яке число електронів містить атом з валентною оболонкою: а) 4s²4p⁵; б) 4s²3d⁵; в) 5s²5p³ ?

5. В атомі деякого елемента є п'ять електронних шарів і 6 валентних електронів. Якими квантовими числами вони характеризуються?

6. Які з приведених електронних конфігурацій неможливі і чому: 3s²3p⁵, 3s²2d⁶, 4s²4p⁷, 2s³2p³, 5s²4d⁸, 4s²3d¹², 3s²3p², 5s²3f¹⁵, 6s²4f⁵, 2s¹2p³, 4s¹3d¹⁰, 4s²3d⁵4p¹?

7. Яку з вільних атомних орбіталей (АО) заповнить черговий електрон відповідно до правил Клечковського: а) 4d- чи 5s-; б) 5p- чи 4d-; в) 5f- чи 4d-; г) 5p- чи 6s-; д) 5f- чи 6s- ?

8. Для скількох АО сума (n + l) = 8? Чи заповнені такі орбіталі в незбуджених атомах елементів періодичної системи? Атоми яких елементів мають найбільше значення суми (n + l)?

9. Скільки електронних шарів мають атоми елементів з порядковими номерами 8, 10, 18, 35, 39, 56, 80, 86? Скільки з них заповнені цілком і скільки частково? Спробуйте вирішити цю задачу без допомоги таблиці Менделєєва.

10. Визначте сумарний спін валентних електронів в атомах елементів з порядковими номерами 19, 20, 22, 25, 27, 30, 33, 36. Спробуйте вирішити цю задачу без допомоги таблиці Менделєєва.

У задачах 11-20 напишіть скорочені електронні формули і побудуйте графічні схеми валентних орбіталей зазначених елементів у різних ступенях окиснення.

11. Ca, Cr, Se, Se^-2, Se⁺⁶

12. Ge, Zr, Rb, Rb⁺, Br^-

13. Sr, Nb, Sb, Al⁺³, F^-

14. Cs, Ta, B, B⁺³ , Br⁺⁵

15. C, Ti, He, Ti⁺³, Ti⁺⁴

16. W, Sb, Ra, Cl^-, Cl⁺⁵

17. Na, Zn, As, Mn⁺², Mn⁺⁴

18. Au, Mg, Pb, Pb⁺², Pb⁺⁴

19. K, Cu, P, Cu⁺, Cu⁺²

20. Br, V, Be, Be⁺², H^-