| 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 ® (6d1-2) ® 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):
| 16 S | s | ssss | ||||||||
| n = 1 | ↑↓ | p | ||||||||
| n = 2 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | d | |||||
| n = 3 | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ |
1s22s22p63s23p4
| 22Ti | s | 1s22s22p63s23p63d24s2. | |||||||||||||||
| n = 1 | ↑↓ | p | |||||||||||||||
| n = 2 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | d | ||||||||||||
| n = 3 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | f | ||||||||||
| 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 ms, 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; тl = 0; ms= ± 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?
