Определение структуры валентного электронного слоя атомов элементов

Задача 188. 

Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается электронной формулой: а) 5s²5p⁴; б) 3d⁵4s¹. Определить порядковый номер и название элемента.

Решение:
а) Валентный электронный слой 5s²5p⁴ указывает на то, что атом элемента имеет пять электронных энергетических уровней, значит, атом расположен в пятом периоде. Наличие на внешнем энергетическом уровне двух 5s- и четырёх 5p-электронов указывает на то, что данный элемент относится к семейству p-элементов, и расположен в шестой группе главной подгруппе периодической системы Д. И. Менделеева. В пятом периоде шестой группы находится элемент с порядковым номером 52 (теллур). 

б) Электронная конфигурация валентного слоя 3d⁵4s¹ указывает на то, что атом находится в четвёртом периоде (n = 4), относится к d-элементам (наличие 3d-подуровня) и является элементом шестой группы побочной подгруппы. Такому состоянию соответствует элемент с порядковым номером 24 (хром).

Ответ: Te; Cr.

Задача. 189. 
Электронная структура атома описывается формулой: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Какой это элемент?
Решение:
Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева, то для элемента с электронной структурой, описываемой формулой 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s², порядковый номер равен 26 (общее число электронов равно 26). Под номером 26 в таблице Д. И. Менделеева находится железо.

Задача 190. 
Написать электронные формулы ионов: а) Sn²⁺; б) Sn⁴⁺; в) Мn²⁺; г) Сu²⁺; д) Сг³⁺; е) S^2-.
Решение:
а) Электронная формула олова имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p². Отдав два с 5p-подуровня атом, олова превращается в ион Sn²⁺, который имеет электронную формулу: 

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁰

б) Атом олова, отдав четыре электрона, два с 5p-подуровня и два с 4s-подуровня, атом олова превращается в ион Sn⁴⁺. Электронная формула иона олова Sn⁴⁺ имеет вид: 
1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s⁰5p⁰.

в) Электронная формула марганца имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s². При отдаче двух электронов с 4s-подуровня, атом марганца превращается в ион Мn²⁺ с электронной формулой:  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s⁰

г) Атом меди имеет электронную формулу: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹. при отдаче одного электрона с 4s-подуровня и одного с 3d-подуровня атом меди превращается в ион Сu²⁺, электронная формула которого будет иметь вид: 1s22s22p63s23p63d9.

д) Атом хрома имеет следующую электронную формулу: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹. При отдаче одного электрона с 4s-подуровня и двух с 3d-подуровня атом хрома превращается в ион Сг³⁺, электронная формула которого будет иметь вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s⁰.

е) Электронная формула атома серы имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Присоединив два недостающих электрона на 3p-подуровень, атом серы превращается в ион S^2-, электронная формула которого будет иметь вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Задача 191. 
У элементов каких периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением n +  l  = 5?
Решение:
Значение квантовых чисел n + l  = 5 означает, что у элементов электроны внешнего слоя могут находиться на пятом энергетическом уровне и s-подуровне (5 + 0 = 5) или на четвёртом энергетическом уровне и p-подуровне (4 +1 = 5). Таким образом, у элементов IV и V периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением n + l = 5.

Задача 192. 
Перечислить электронные аналоги среди элементов VI группы периодической системы элементов. Написать в общем виде электронные формулы валентных электронных подуровней атомов этих элементов.
Решение:
Электронными аналогами называют элементы, у которых валентные электроны расположены на орбиталях, описываемых формулой, общей для всех элементов. В периодической системе электронные аналоги входят в состав одной подгруппы.

Валентные электроны элементов главной подгруппы VI группы (кислород, сера, селен, теллур и полоний) описываются общей формулой  ns²np⁴, а элементы побочной подгруппы VI группы (хром, молибден и вольфрам) —  nd⁴ns². У хрома и молибдена валентные электроны описываются формулой  nd⁵ns¹, что объясняется «провалом» (переходом электрона с наружного s-подуровня на d-подуровень).

Задача 193. 
На каком основании хром и сера, фосфор и ванадий расположены в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?
Решение:
Электронные конфигурации атомов хрома, серы, ванадия и фосфора имеют виды:
₊₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹;  ₊₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴;  ₊₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²;
₊₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

а) Атомы ванадия и фосфора содержат по пять валентных электронов, поэтому они расположены в пятой группе периодической системы химических элементов. На основании того, что валентными электронами атома серы являются наружные два 3s- и четыре 3p-электрона, фосфор расположен в главной подгруппе. У атома ванадия валентными электронами являются два 4s- и три 3d-электроны, ванадий расположен в побочной подгруппе. 

б) Атомы хрома и серы содержат по шесть валентных электронов, поэтому они расположены в шестой группе периодической системы химических элементов. На основании того, что валентными электронами атома серы являются наружные два 3s- и три 3p-электрона, сера расположена в главной подгруппе. У атома хрома валентными электронами являются один 4s- и пять 3d-электроны, хром расположен в побочной подгруппе.

Задача 194. 
Почему медь имеет меньший атомный объем, чем калий, расположенный в той же группе и том же периоде?
Решение:
Зависимость атомного объёма от заряда атома (Z) имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличением Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что объясняется увеличивающимся притяжением электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания его заряда. В пределах подгруппы с увеличением Z атома, но самое существенное, с появлением нового электронного слоя, атомные объёмы возрастают. 

Калий и медь являются элементами IV периода главной подгруппы. Количество электронных слоёв у атомов калия и меди одинаковое (4), а заряды имеют разное значение (₊₁₉K; ₊₂₉Cu) и разное число электронов (K содержит 19 электронов, а Cu – 29). Поэтому электростатические силы взаимодействия в атоме меди будут значительно меньше, чем у калия. Следовательно, у элементов, расположенных в одном периоде и в одной группе периодической системы химических элементов, атомные объёмы уменьшаются с увеличением порядкового номера элемента. Так у меди атомный радиус имеет меньшее значение, чем у калия (r₊₂₉Cu = 129 нм; r₊₁₉K = 236 нм), потому что при большем значении Z и большем количестве электронов электростатическое взаимодействие больше, что приводит к сжиманию атома меди в большей степени, чем атома калия.