Гибридизация орбиталей и определение валентностей

Строение атома

Пример 1. Один из изотопов урана имеет массовое число А = 238. Каков заряд ядра его атома? Сколько электронов находится на электронных оболочках атома? Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома этого изотопа?

 

Решение. Заряд ядра атома Z равен числу протонов в ядре и числу электронов на электронных оболочках и совпадает с порядковым номером элемента. Для урана Z = 92. Ядро состоит из протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Массы протона и нейтрона примерно одинаковы. Массовое число A равно сумме числа протонов Z и нейтронов N: А = Z + N. Отсюда число нейтронов в данном изотопе: N = А – Z = 238 – 92 = 146.

Пример 2. Составьте электронные формулы невозбужденных атомов селена и скандия. Приведите графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям). К каким электронным семействам относятся эти элементы? Укажите валентные электроны их атомов. Для каждого из валентных электронов приведите значения всех квантовых чисел.

 

Решение. Электронные формулы:

 

₃₄ Se 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴

₂₁ Sс 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s²

 

Графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам:

 

 

У селена происходит застройка p-подуровня, поэтому он относится к электронному семейству p-элементов; у скандия – застройка d-подуровня, он относится к электронному семейству d-элементов.

Валентными электронами p-элементов являются s и p электроны внешнего квантового уровня. Для селена это 4s² 4p⁴. Валентными электронами d-элементов являются s-электроны внешнего квантового уровня и d-электроны предвнешнего. Для скандия это 3d¹ 4s². Номер группы указывает максимальное число валентных электронов. Значения квантовых чисел, характеризующих валентные электроны, очевидны из выше приведенных графических схем.

 

₃₄ Se

Номер электрона	Подуровень	Квантовые числа
n	e	me	ms
	4s				+½
			–½
4p			+1	+½
		+1	–½
			+½
		–1	+½

 

₂₁ Sc

Номер электрона	Подуровень	Квантовые числа
n	e	me	ms
	4s				+½
			–½
3d			+2	+½

 

Пример 3. Определить возможные валентные состояния атома хлора (₁₇ Cl).

 

Решение. Электронная формула ₁₇ Cl – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

В нормальном состоянии атом хлора содержит один неспаренный электрон и его валентность равна единице. Однако у хлора есть пять свободных орбиталей 3d подуровня, за счет этого число неспаренных электронов, а следовательно и валентность, может увеличиваться. При возбуждении атома спаренные электроны внешнего уровня могут распариваться и переходить на свободные орбитали другого подуровня в пределах того же уровня. При возбуждении атома хлора происходит переход 3p-электронов, затем 3s-электрона на свободные d-орбитали. Число неспаренных электронов становится равным соответственно 3, 5 и 7. Хлор проявляет переменную валентность равную 1, 3, 5, 7.

 

 

Задания

 

21-30. Выберите исходные данные в таблице и приведите обоснованные ответы на вопросы.

 

1). Один из изотопов элемента имеет массовое число A. Каков заряд ядра его атома? Сколько электронов находится на всех электронных оболочках атома? Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома этого изотопа?

2). Напишите электронную формулу невозбужденного атома этого элемента, приведите графическую схему распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям).

3). К какому электронному семейству относится элемент?

4). Сколько имеется в атоме элемента электронов с орбитальным квантовым числом l?

 

Номер задачи	Элемент	A	l	Номер задачи	Элемент	A	l
	26 Fe				35 Br
	53 I				42 Mo*
	25 Mn				24 Cr*
	28 Ni				16 S
	27 Co				17 Cl

^*Следует учесть «провал» электрона с внешнего уровня.

 

31-40. Выберите исходные данные в таблице и приведите обоснованные ответы на вопросы.

 

1). Напишите электронную формулу невозбужденного атома элемента с зарядом ядра z, приведите графическую схему распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям).

2). Укажите валентные электроны его атома. Для каждого из них приведите значения всех квантовых чисел.

3). Сколько в атоме данного элемента электронов с совокупностью главного и орбитального квантовых чисел n и l?

 

Номер задачи	z	n	l	Номер задачи	z	n	l