Електронні сімейства елементів

Електронне сімейство	Положення в періодичній таблиці	Коротка електронна формула
s - сімейство   р - сімейство   d - сімейство f – сімейство	головні підгрупи I - II груп і елемент He головні підгрупи III - VIII груп (виключаючи He) побічні підгрупи I-VIII груп лантаноїди та актиноїди	n s 1-2   ns 2 np 1-6 ns 2(n – 1) d 1-10 ns 2(n – 1) d 1(n -2) f 1-14

Щоб скласти скорочену електронну формулу елемента, виходячи з узагальненої формули сімейства, необхідно:

- визначити, до якого сімейства відноситься елемент і взяти відповідну узагальнену формулу;

- підставити в цю формулу значення n, що дорівнює номеру періоду, у якому розташований елемент;

- визначити кількість електронів на заповнюваному підрівні, відрахувавши від першого елемента сімейства у даному періоді і підставити цю кількість у формулу.

Для наочності розподіл електронів на підрівнях показують за допомогою графічних схем валентних орбіталей. Вони використовуються наряду з короткими електронними формулами.

Приклад 4. Напишіть короткі електронні формули і побудуйте графічні схеми валентних орбіталей зазначених атомів: Са, Ni, Se, Sm.

Розв’язання. Са – другий від початку IV періоду елемент s -сімейства:

Ni – восьмий, відраховуючи від Sc, d -элемент IV періоду:

Se – четвертий, відраховуючи від Ga, p -элемент IV періоду:

Sm – п¢ятий від Ce у ряду лантаноїдів – f -элементів VI періоду:

На електронну структуру деяких атомів впливає симетрія електронного розподілу. Наприклад, електронну формулу атома хрому – четвертого, відраховуючи від скандію Sc, у сімействі d -елементів IV періоду – за викладеними правилами варто записати так: 4 s ²3 d ⁴. Однак, реалізується конфігурація з заповненими по одному електрону п'ятьма d - орбіталями, що має більш симетричний розподіл електронного заряду (і тому – меншу енергію): 4 s ¹3 d ⁵. З цієї ж причини електронна конфігурація міді в основному стані не 4 s ²3 d ⁹, а 4 s ¹3 d ¹⁰. Така ситуація одержала назву "провал електрона" (з n на (n -1) рівень). Найбільшій симетрії відповідають цілком або наполовину заповнені підрівні (p ³ і p ⁶, d ⁵ і d ¹⁰, f ⁷ і f ¹⁴). У атома паладія Pd з 5 s -підрівня "провалюються" обидва електрони: 4 s ²4 p ⁶5 s ²4 d ⁸ ® 4 s ²4 p ⁶4 d ¹⁰. Тому паладій – єдиний елемент періодичної системи, у якого головне квантове число електронів зовнішньої оболонки не збігається з номером періоду.

Будьте уважні при роботі з елементами d - і f - сімейств. Якщо вам потрібна точна електронна формула, звіряйтеся зі спеціальними таблицями електронних конфігурацій.

Варто пам'ятати, що всі розглянуті електронні формули відносяться до атомів, що знаходяться в стаціонарному (незбудженому) стані. Однак за певних умов може відбуватися розпаровування електронних пар при переході атомів у збуджений стан, внаслідок чого кількість неспарених електронів зростає. При цьому електрони переходять (промотуються) на вільну орбіталь розташованого вище по енергії підрівня в межах того ж енергетичного рівня.

Приклад 5. Складіть короткі електронні формули і графічні схеми атома хлору в основному (стаціонарному) і збудженому станах.

Розв’язання. Складаємо електронну формулу і схему електронної структури атома хлору в основному стані:

Cl – 3 s ²3 p ⁵

У збудженому стані (позначається символом ^* ) спарені 3 s і 3 p електрони можуть роз'єднуватися, переходячи на вільні орбіталі підрівня 3 d:

Cl^* – 3 s ²3 p ⁴3 d ¹

Cl^** – 3 s ²3 p ³3 d ²

Cl^*** – 3 s ¹3 p ³3 d ³

Зверніть увагу, що атом хлору може існувати у трьох збуджених станах. Чи можлива наявність збудженого стану у атома фтору? Поясність вашу відповідь.

Навчившись писати короткі електронні формули атомів елементів, неважко складати електронні формули іонів, що відповідають існуванню елементів у різних ступенях окиснення. Для цього спочатку складають короткі електронні формули нейтральних атомів, а потім добавляють до неї (при утворенні аніонів) або видаляють (при утворенні катіонів) відповідну кількість електронів.

Приклад 6. Складіть електронні формули іонів і елементів у різних ступенях окиснення: S^2- , S⁺² , S⁺⁴ , S⁺⁶.

Розв’язання. Спочатку складаємо коротку електронну формулу і графічну схему атома S:

S⁰ 3 s ²3 p ⁴

Для одержання іона S^2- до S⁰ необхідно додати два електрона:

S^2- 3 s ²3 p ⁶

Щоб перейти від S⁰ до станів S⁺², S⁺⁴, S⁺⁶ необхідно видалити з нейтрального атома сірки два, чотири або шість електронів відповідно.

S⁺² 3 s ²3 p ²

S⁺⁴ 3 s ² 3 p ⁰

S⁺⁶ 2 s ²2 p ⁶3 s ⁰3 p ⁰

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Який елемент має в атомі п'ять електронів, для кожного з яких n =3 і l =2? Чому дорівнюють для них значення m _l? Чи повинні вони мати антипаралельні спіни?

2. Який елемент має чотири електрони, для кожного з яких

n = 4 і l = 1? Чому дорівнюють для них значення m_l? Скільки електронів мають антипаралельні спіни?

3. Укажіть значення квантових чисел n, l і m_l для валентних електронів в атомах елементів з порядковими номерами 19, 23, 27, 30, 33 і 36. Для визначення значень m_l виходьте з припущення, що орбіталі кожного підрівня заповнюються в порядку збільшення m_l, починаючи з його найбільш негативного значення.

4. Скільки електронних шарів і яке число електронів містить атом з валентною оболонкою: а) 4 s ²4 p ⁵; б) 4 s ²3 d ⁵; в) 5 s ²5 p ³?

5. В атомі деякого елемента є п'ять електронних шарів і 6 валентних електронів. Якими квантовими числами вони характеризуються?

6. Які з приведених електронних конфігурацій неможливі і чому: 3 s ²3 p ⁵, 3 s ²2 d ⁶, 4 s ²4 p ⁷, 2 s ³2 p ³, 5 s ²4 d ⁸, 4 s ²3 d ¹², 3 s ²3 p ², 5 s ²3 f ¹⁵, 6 s ²4 f ⁵, 2 s ¹2 p ³, 4 s ¹3 d ¹⁰, 4 s ²3 d ⁵4 p ¹?

7. Яку з вільних атомних орбіталей (АО) заповнить черговий електрон відповідно до правил Клечковського: а) 4 d - чи 5s -; б) 5 p - чи 4 d -; в) 5 f - чи 4 d -; г) 5 p - чи 6 s -; д) 5 f - чи 6 s -?

8. Для скількох АО сума (n + l) = 8? Чи заповнені такі орбіталі в незбуджених атомах елементів періодичної системи? Атоми яких елементів мають найбільше значення суми (n + l)?

9. Скільки електронних шарів мають атоми елементів з порядковими номерами 8, 10, 18, 35, 39, 56, 80, 86? Скільки з них заповнені цілком і скільки частково? Спробуйте вирішити цю задачу без допомоги таблиці Менделєєва.

10. Визначте сумарний спін валентних електронів в атомах елементів з порядковими номерами 19, 20, 22, 25, 27, 30, 33, 36. Спробуйте вирішити цю задачу без допомоги таблиці Менделєєва.

У задачах 11-20 напишіть скорочені електронні формули і побудуйте графічні схеми валентних орбіталей зазначених елементів у різних ступенях окиснення.

11. Ca, Cr, Se, Se^-2, Se⁺⁶

12. Ge, Zr, Rb, Rb⁺, Br^-

13. Sr, Nb, Sb, Al⁺³, F^-

14. Cs, Ta, B, B⁺³ , Br⁺⁵

15. C, Ti, He, Ti⁺³, Ti⁺⁴

16. W, Sb, Ra, Cl^-, Cl⁺⁵

17. Na, Zn, As, Mn⁺², Mn⁺⁴

18. Au, Mg, Pb, Pb⁺², Pb⁺⁴

19. K, Cu, P, Cu⁺, Cu⁺²

20. Br, V, Be, Be⁺², H^-