Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов элементов

Задание 34.

Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число   при орбитальном числе l = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодической системе называют s-, р-, d- и f-элементами? Приведите примеры.

Решение:

Квантовое число l определяет форму, а магнитное квантовое число  m_s— ориентацию атомной орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. При орбитальном числе l = 0 магнитное квантовое число   может иметь только одно значение m_s  = 0, при l = 1 — магнитное квантовое число   может иметь три значения: +1, 0, -1. При l = 2 — магнитное квантовое число   может иметь пять значений: +2, +1, 0, -1, +2.  При l = 3 — магнитное квантовое число   может иметь семь значений: +3, +2, +1, 0, -1, +2, +3.

s-элементами в периодической системе называют элементы, содержащие на внешнем энергетическом уровне только валентные s-электроны, например натрий содержит один s-электрон (1s²2s²2p⁶3s¹3р⁰), кальций – два s-электрона (1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s²4p⁰), а алюминий (1s²2s²2p⁶3s³3р⁰) – три s-электрона.

р-элементами в периодической системе называют элементы, содержащие на внешнем энергетическом уровне кроме s-электронов содержат и р-электроны, например, атом серы содержит три s-электрона и четыре р-электрона (1s²2s²2p⁶3s²3р⁴), которые являются валентными.

d-элементами в периодической системе называют элементы, атомы которых на внешнем уровне содержат s-электроны (валентные электроны) и дополнительно в валентности данного элемента принимают участие d-электроны предпоследнего энергетического уровня. Например, у ниобия (+41Nb) валентными электронами, кроме двух s-электронов, могут быть и четыре 4d-электрона (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁴5s²).

f-элементами в периодической системе называют элементы, атомы которых на внешнем уровне содержат s-электроны (валентные электроны) и дополнительно в валентности данного элемента принимают участие f-электроны, например, у менделевия (₊₁₀₁Md) валентными электронами, кроме двух 7s-электронов, могут 5f-электроны.

Задание 35.
Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m_i и m_s, характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?
Решение:
Движение электрона в атоме имеет вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9 – 0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l,  m_i и  m_s). Квантовые числа принимают определённые дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовое число (n) определяет размер, квантовое число (l) – определяет форму и квантовое число m_i — определяет ориентацию орбитали в пространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электрона одного и того же атома может иметь различную форму, которая аналогична АО. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l,  m_i и  m_s). Эти числа связаны с физическими свойствами электронов, и число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона. Число n принимает целочисленные значения от 1 до 7. Число l (орбитальное квантовое число) определяет момент количества движения (энергетический подуровень), оно принимает значения 0, 1, 2, 3  и обозначается соответствующими буквенными знаками – s, p, d, f. Число   (магнитное квантовое число) – магнитный момент принимает значения 0,  1,  2,  3. Так как n, l определяет ориентацию АО в пространстве, то на s-подуровне оно имеет единственное значение 0, на р-подуровне оно будет иметь значения -1, 0. +1, на d-подуровне – будет иметь значения -2, -1, 0, +1, +2, на f-подуровне – соответственно -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Число  m_s — спин электрона. Он возникает за счёт вращения электрона вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, различающиеся своими спинами   ( 1/2). 

Магний – элемент с порядковым номером 12, расположен в таблице Д. И. Менделеева в третьем периоде во II группе и в главной подгруппе, имеет на внешнем электронном слое два электрона, квантовые числа которых имеют следующие значения: 

1)n = 3,  l = 0,   m_i= 0, m_s  = +1/2;
2)n = 3,  l = 0,  m_i = 0,  m_s = -1/2.

Таким образом, внешние электроны атома магния различаются между собой лишь квантовым числом

 m_s[m_s (1)  = -1/2 m_s(2) = +1/2].

Задание 38.
Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения: n = 4;  l = 0;  m_i = 0;  m_s =  1/2. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите, сколько свободных орбиталей содержит каждый из них.
Решение:
Значение квантовых чисел на внешнем электроном уровне: n = 4;  l = 0;  m = 0;  m_s =  1/2 соответствуют атомам калия и кальция. Электронные формулы этих элементов имеют вид:  

а) ₊₁₉К 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s¹; б) +₂₀Са 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s².

У атома калия на внешнем электронном слое на 4s-подуровне находится один неспаренный электрон со спином +1/2, а у кальция – два спаренных электрона со спинами m_s  = +1/2 и m_s  = -1/2 (согласно принципу Паули). У атомов обоих элементов 3d-подуровень не будет заполнен электронами, потому что, согласно правилу Клечковского, сначала будет заполняться электронами 4s-подуровень и, только после его заполнения начнётся заполнение 4р-подуровня, так как сумма n +l меньше у 4s-подуровня, чем у 4р-подуровня (первое правило Клечковского), а 4р-подуровень будет заполняться лишь после того как заполнится 3d-подуровень (второе правило Клечковского).

Таким образом, у атомов калия и кальция на внешнем энергетическом уровне будут свободны все три АО 4р-подуровня.