Графическое заполнение валентных энергетических слоев | Электронные конфигурации атомов

Задача 183. 

Среди приведенных ниже электронных конфигураций указать невозможные и объяснить причину невозможности их реализации: а) 1р³ б) 3p⁶ в) 3s²; г) 2s²; д) 2d⁵; е) 5d²; ж) 3f¹²; з) 2р⁴ и) 3p⁷.

Решение:
а) Электронная конфигурация 1p³ не реализуется, потому что первый энергетический уровень (n = 1 ) содержит только s-подуровень. Максимальное число электронов на каждом энергетическом уровне равно  2n², где n  — главное квантовое число. Так на первом энергетическом уровне (n = 1) может находиться максимальное число электронов 2(2 ^.1² = 2). Следовательно, не только неправильно указан подуровень, но общее число электронов.

б) 3p⁶ – электронная конфигурация возможна, потому что на третьем энергетическом уровне содержатся s-, p- и d-подуровни. На p-подуровне содержится три атомные орбитали, а в каждой орбитали, согласно правилу Хунда, может находиться максимальное число электронов равное двум. Поэтому на 3p-подуровне может максимально находиться шесть электронов (3 ^. 2 = 6).

в) Электронная конфигурация 3s² верна, потому что на третьем энергетическом уровне (n = 3) находятся s-, p- и d-подуровни. Согласно правилу Хунда, на s-подуровне, состоящем из одной атомной орбитали, может находиться максимальное число электронов равное двум. 

г) Электронная конфигурация 2s² реализуется, потому что на втором энергетическом уровне (n = 2) содержатся s- и  p-подуровни, и на s-подуровне, в его единственной атомной орбитали, может содержаться максимальное число электронов равное двум. 

д) Электронная конфигурация 2d5 не реализуется, потому что во втором энергетическом уровне (n = 2) d-подуровень не содержится, в этом слое расположены только s- и p-подуровни.

е) Электронная конфигурация 5d² реализуется, потому что на пятом энергетическом уровне (n = 5) содержатся s-, p- d- и f-подуровни. Подуровень d содержит пять атомных орбиталей, в которых может находиться максимальное число электронов равное десяти (5 ^. 2 = 10). Запись 5d² означает, что на 5d-подуровне содержится два неспаренных электрона.

ж) Электронная конфигурация 3f¹² не реализуется, потому что на третьем энергетическом уровне (n = 3) могут находиться только s-, p- и d-подуровни.

з) Электронная конфигурация 2p4 реализуется, потому что на втором энергетическом уровне (n = 2) могут находиться только s- и  p-подуровни. Подуровень p состоит из трёх атомных орбиталей, на которых, согласно правилу Хунда, может находиться до шести электронов.

и) Электронная конфигурация 3p7 не реализуется, потому что на p-подуровне, состоящем из трёх атомных орбиталей, согласно правилу Хунда, максимальное число электронов равно 6.

Задача 184. 
Сколько вакантных Зd-орбиталей имеют возбужденные атомы: а) С1; б) V; в) Мn?
Решение:
а) электронная конфигурация атома хлора имеет вид: …3s²3p⁵3d⁰. Графическое заполнение валентного энергетического слоя атома хлора можно представить следующей схемой:

Таким образом, внешний энергетический уровень атома хлора имеет свободные орбитали на 3d-подуровне, что позволяет электронам переходить в возбуждённое состояние (перемещаться на более высокие свободные орбитали). У атома хлора возможно три состояния перемещения электронов на более высокие свободные орбитали, электроны с s- и p-подуровней переходят на 3d-подуровень:

1) При затрате некоторой энергии один из 3p-электронов атома хлора может быть переведён на вакантную 3d-орбиталь, при этом энергия атома возрастает, так что возникающая электронная конфигурация (1s²2s22p⁶3s²3p⁴3d¹) соответствует одному из возбуждённых состояний атома хлора. Графически это можно представить схемой:

В данном случае 3d-подуровень содержит четыре вакантные орбитали возбуждённого атома хлора.

2) При затрате некоторой энергии два из 3p-электронов атома хлора могут быть переведены на вакантные 3d-орбитали, при этом энергия атома возрастает, так что возникает электронная конфигурация (1s²2s²2p⁶3s²3p³3d²), которая соответствует одному из возбуждённых состояний атома хлора. Графически это можно представить схемой:

В таком возбуждённом состоянии атом хлора содержит три вакантные 3d-орбитали.

3) При затрате некоторой энергии один из 3s- и два 3p-электронов могут быть переведены на свободные 3d-орбитали, при этом энергия атома возрастает, так что возникающая конфигурация (1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d³) также соответствует одному из возможных состояний хлора: 

б) Электронная конфигурация валентного энергетического уровня атома ванадия имеет вид: …3d³4s². Графическая схема заполнения электронами имеет вид: 

В возбуждённом состоянии атома ванадия один 4s-электрон может быть переведён на свободную 3d-орбиталь, так что возникающая электронная конфигурация валентного уровня (3d⁴4s¹) соответствует возбуждённому состоянию атома ванадия, что можно представить в виде схемы:

При возбуждении атома ванадия остаётся вакантной одна 3d-орбиталь.

в) Электронная конфигурация валентного энергетического уровня атома марганца имеет вид: …3d⁵4s². Графическая схема заполнения электронами имеет вид: 

При возбуждении атома марганца один s-электрон переходит на 3d-орбиталь, при этом получается электронная конфигурация валентного уровня (3d⁶4s¹) соответствует возбуждённому состоянию атома марганца, что можно представить в виде схемы:

Из схемы вытекает, что при возбуждении атома марганца свободных d-орбиталей нет, так как на 3d-подуровне распределяются два спаренных электрона и четыре неспаренных.  Таким образом, атом марганца ни в основном, ни в возбуждённом состоянии не имеет свободных d-орбиталей.

Задача 185. 
Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы: а) В; б) S; в) Аs; г) Сг; д) Нg; е) Еu?
Решение:
а) Электронная формула атома бора 1s²2s²2p¹. Валентность орбитали в этом атоме являются орбитали внешнего (второго) электронного, т.е. 2s-, 2p-орбитали. Графическая схема заполнения электронами этих орбиталей имеет следующий вид:

Следовательно, атом бора содержит один неспаренный 2p-электрон.

б) Электронная конфигурация валентного электронного слоя атома серы имеет вид: …2s²2p⁴. Графическая схема заполнения электронами этого слоя имеет следующий вид:

Следовательно, атом серы в стационарном состоянии содержит два неспаренных электрона -, 2p-подуровне.

в) Электронная конфигурация валентного электронного слоя атома мышьяка имеет вид: …4s²4p³. Графическая схема распределения валентных электронов имеет следующий вид:

Таким образом, атом мышьяка имеет три неспаренных электрона на 4p-подуровне.

г) Электронная конфигурация валентного электронного слоя атома хрома имеет вид: …3d⁵ 4s¹. Графическая схема заполнения электронами этого слоя имеет следующий вид:

Следовательно, атом хрома в стационарном состоянии содержит шесть неспаренных электронов, из которых пять на 3d-подуровне и один на 4s-подуровне.

д) Электронная конфигурация валентного электронного слоя атома ртути имеет вид: … 6s²6p⁰. Графическая схема заполнения электронами этого слоя имеет следующий вид:

Атом ртути не содержит ни одного неспаренного электрона.

е) Электронная конфигурация валентного электронного слоя атома европия имеет вид: …4f⁷ 6s². Графическая схема заполнения электронами этого слоя имеет следующий вид:

Таким образом, атом европия содержит семь неспаренных 4f-электронов. 

Ответ: а) 1; б) 2; в) 3; г) 6; д) 0; е) 7.

Задача 186. 
Составить электронно-графические схемы ионов Ее²⁺ и Ее³⁺. Чем можно объяснить особую устойчивость электронной конфигурации иона Ее³⁺?
Решение:
Электронная формула атома железа имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Графическая схема размещения электронов в квантовых ячейках атома железа будет иметь следующий вид:

При отдаче двух 4s-электронов атомом железа образуется ион Ее²⁺, графическая схема размещения электронов в котором будет иметь вид:

При отдаче трёх электронов (двух 4s- и одного 3d) атомом железа образуется ион Ее³⁺, графическая схема размещения электронов в котором будет иметь вид:

Таким образом, на внешнем энергетическом уровне иона Ее²⁺ содержится два 3s-, шесть 3p- и шесть 3d-электронов. Причём на 3d-подуровне содержатся четыре неспаренных и два спаренных электрона. Ион Ее³⁺ отличается от Ее²⁺ тем, что содержит на 3d-подуровне на один электрон меньше, и все они неспаренные, такая система 3d-подуровня является энергетически более устойчивой. Электростатическое взаимодействие между ядром и электронной плотностью у иона Ее³⁺ больше, чем у иона Ее²⁺. 

Задача 187.  
Указать особенности электронных конфигураций меди и хрома. Сколько 4s-электронов содержат невозбужденные атомы этих элементов?
Решение:
Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру, то общее число электронов в атоме меди и хрома соответственно равно 29 и 24.

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней в атоме элемента определяется правилами Клечковского, согласно которым электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией (меньшая сумма  n + l). Порядок заполнения подуровней определяется правилом Хунда. Согласно правилу Хунда, минимальной энергии атома соответствует такое распределение электронов по атомным орбиталям данного подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина атома максимально.

Электронные формулы атомов хрома и меди можно выразить следующим образом:

Экспериментально установлено, что на внешнем энергетическом уровне у хрома и меди находится по одному электрону. Объясняется это тем, что произошёл «провал» одного 4s-электрона у атомов хрома и меди на 3d-подуровень.  Происходит это потому, что энергетически выгодным состоянием является состояние атома, когда при четырёх неспаренных электронах на 3d-подуровне происходит заполнение пятой свободной атомной орбитали. Поэтому электронная формула атома хрома имеет следующий вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹.

У атома меди все атомные орбитали 3d-подуровня заполнены, причём четыре полностью, а на пятой находится один неспаренный электрон. Такая система 3d-подуровня, состоящая из девяти электронов является энергетически неустойчивой, и поэтому происходит «провал электрона с 4s-орбитали на 3d-орбиталь. Электронную формулу атома меди можно теперь представить следующим образом: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹.

Таким образом, атомы хрома и меди на внешних энергетических уровнях содержат по одному 4-электрону. Графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам у атомов хрома и меди в стационарном состоянии будут иметь следующий вид: