Электронов на квантовых уровнях и подуровнях

Энергети-ческий уровень	Энергети-ческий подуровень	Возможные значения магнитного квантового числа m	Число орбиталей	Максимальное число электронов
в под-уровне (2 l + 1)	в уровне n²	на под-уровне 2(2 l + 1)	на уровне 2 n²
K (n = 1)	s (l = 0)
L (n = 2)	s (l = 0) p (l = 1)	-1; 0; +1
M (n = 3)	s (l = 0) p (l = 1) d (l = 2)	-1; 0; +1 -2; -1; 0 +1; +2
N (n = 4)	s (l = 0) p (l = 1) d (l = 2) f (l = 3)	-1; 0; +1 -2; -1; 0 +1; +2 -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3

Рис. 1 Формы s-, p- и d-электронных облаков (орбиталей)

Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение. Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов пl ^Z, где п — главное квантовое число, l — орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение — s, p, d, f) z — число электронов на данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией — меньшая сумма п+l (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s ® 2s ® 2р ® 3s ® Зр ® 4s ® 3d ® 4р ® 5s ® 4d ® 5p ® 6s ® (5d¹) ® 4f ® 5d ® 6р ® 7s ® (6d^1-2) ® 5f ® 6d ® 7p

Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и № 22 (титан) электронные формулы имеют вид

₁₆ S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴; ₂₂ Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО).

Квантовую ячейку обозначают в виде прямоугольника, кружка или линейки, а электроны в этих ячейках обозначают стрелками.

В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с противоположными спинами. Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

₁₆S		s		ssss
n = 1	↑↓	p
n = 2	↑↓	↑↓	↑↓	↑↓	d
n = 3	↑↓	↑↓	↑	↑

1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₂₂Ti

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

n = 1

↑↓

n = 2

↑↓

n = 3

↑↓

↑

n = 4

↑↓

Пример З. Изотоп 101-го элемента — менделевия (256) был получен бомбардировкой a-частицами ядер атомов эйнштейния (253). Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение. Превращение атомных ядер обусловливается их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции связаны с изменением состава ядер атомов химических элементов. С помощью ядерных реакций можно из атомов одних элементов получить атомы других.

Превращение атомных ядер как при естественной, так и при искусственной радиоактивности записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом следует помнить, что суммы массовых чисел (цифры, стоящие у символа элемента вверху слева) и алгебраические суммы зарядов (цифры, стоящие у символа элемента внизу слева) в левой и правой частях равенства должны быть равны. Данную ядерную реакцию выражают уравнением

Es + He = Md + n.

Часто применяют сокращенную форму записи. Для приведенной реакции она имеет вид ²⁵³Es (a, n) ²⁵⁶Md. В скобках пишут бомбардирующую частицу, а через запятую — частицу, образующуюся в данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы ⁴₂He; ¹₁H; ²₁D; ¹₀n обозначают соответственно α, р, d, п.

Пример 4. Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций
(табл. 2), напишите их полные уравнения.

Решение. Ответ на вопрос см. в табл. 2.

Таблица 2. Сокращенные и полные уравнения ядерных реакций

Сокращенные уравнения	Полные уравнения
²⁷Al(p,a) ²⁴Mg	Al + H = Mg + He
⁹Be(a,n) ¹²C	Be + He = C + n
⁵⁹Co(n,a) ⁵⁶Mn	Co + n = Mn + He
¹⁴N(n,p) ¹⁴C	N + n = C + H
³²S(d,a) ³⁰P	S + D = P + He

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

21. Напишите электронные формулы атомов элементов порядковыми номерами 9 и 28. Покажите распределение элементов этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

22. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 26. Распределите электроны этих атомов по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

23. Какое максимальное число электронов могут иметь s-, р-, d- и f- орбитали данного энергетического уровня? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 31.

24. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

25. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4р? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

26. Изотоп никеля-57 образуется при бомбардировке α - частицами ядер атомов железа-54. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

27. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4d или 5s; 6s или 5р7 Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 43.

28. Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у
большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробным числом? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

29. Изотоп кремния-30 образуется при бомбардировке α - частицами ядер атомов алюминия-27. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

30. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных Зd- орбиталей у атомов последнего элемента?

31. Изотоп углерода-11 образуется при бомбардировке протонами ядер атомов азота-14. Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

32. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 15 и 28. Чему равен максимальный спин p- электронов у атомов первого и d- электронов у атомов второго элемента?

33. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных Зd -орбиталей в атомах этих элементов?

34. Сколько и какие значения может принимать магнитное квантовое число m₁ при орбитальном числе l = 0, 1, 2 и 3? Какие элементы в периодической системе называют s—, p-, d- и f- элементами? Приведите примеры.

35. Какие значения могут принимать квантовые числа п, l, m₁ m_s, характеризующие состояние электронов в атоме? Какие значения они принимают для внешних электронов атома магния?

36. Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента, неверны:
а) 1s²2s²2p⁵3s¹ б) Is²2s²2p⁶; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴; г) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²;
д) Is²2s²2p⁶3s²3d²? Почему? Атомам каких элементов отвечают
правильно составленные электронные формулы?

37. Напишите электронные формулы атомов элементов c порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит «провал» одного
4s-электрона на Зd-подуровень. Чему равен максимальный спин
d-электронов у атомов первого и р-электронов у атомов второго элемента?

38. Квантовые числа для электронов внешнего энергетического
уровня атомов некоторых элементов имеют следующие значения:
п = 4; l = 0; т_l = 0; m_s= ± 1/2. Напишите электронные формулы атомов этих элементов и определите, сколько свободных 3d- орбиталей содержит каждый из них.

39. В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на каком-нибудь подуровне атома р⁷- или d ¹²-электронов? Почему? Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером 22 и укажите его валентные электроны.

40. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s-электрона на 4d -подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?