В В Приседський, В М Виноградов, О І Волкова - Курс загальної хімії у прикладах - страница 10

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67 

Розв'язання. Енергетичний рівень включає всі підрівні і всі орбіталі, для яких значення головного квантового числа співпадає з порядковим номером рівня: n = 4. При n = 4 можливі наступні значення орбітального числа: l = 0, 1, 2 і 3, тобто всі цілочисельні значення від 0 до (n_1). Відповідно цьому четвертий рівень включає s-, p-, d- і f- підрівні. Квантові комірки, що зображають на схемі орбіталі одного підрівня, розташовуємо по горизонталі (чому?). Ряди комірок для різних підрівнів розташовують від низу до верху у напрямі збільшення енергії - у напрямі збільшення l. Кількість орбіталей - комірок на підрівні дорівнює кількості можливих значень ml, тобто дорівнює (2l + 1) або 1 на s-, 3 на p-, 5 на d-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3 -2 -1 0  1  2 3

 

_

-2 -1 0 1 2

 

□-1 0 1

0

і 7 на f-підрівні. Значення ml можна записати під кожною з комірок, умовно вважаючи, що вони збільшуються зліва направо.

Сумарна кількість орбіталей на 4-му рівні складає: 1+3+5+7=16=42 (n2).

 

Контрольні питання. Чи вірно, що на будь-якому рівні сумарна кількість орбіталей дорівнює n2, де n - значення головного квантового числа? Чому дорівнює сумарна кількість підрівнів даного рівня: а) n2/2; б) n; в) 2l+1? Чим розрізняються між собою орбіталі одного і того ж підрівня?

 

Запам'ятайте, що s-, p-, d- і f- підрівні (будь-якого рівня, де вони є) складаються відповідно з 1, 3, 5 і 7 орбіталей; ці значення утворюють ряд непарних чисел (2l + 1).

Приклад 5.4. Яка електронна ємність четвертого енергетичного рівня і кожного з його підрівнів?

Розв' язання. Під електронною ємністю мають на увазі максимально можливу кількість електронів на даному рівні або підрівні. За принципом Паулі електронна ємність однієї орбіталі дорівнює 2 - відповідно двом можливим значенням числа спіну ms. Звідси витікає, що електронна ємність рівня або підрівня дорівнює подвоєній кількості орбіталей на рівні або підрівні (приклад 5.3). Таким чином, електронна ємність підрівня s, що містить тільки одну орбіталь, дорівнює 2; підрівня p, що містить 3 орбіталі, ­6; підрівня d (5 орбіталей) - 10; підрівня f - 14. Ємність четвертого рівня, що містить, s-, p-, d- і f- підрівні, дорівнює:

2 + 6 + 10 + 14 = 32 (In2).

 

Кількість орбіталей і електронна ємність рівнів і підрівнів

Для   закріплення   матеріалу, розглянутого запам'ятайте дані табл. 5.2.

Контрольні питання. Які квантові числа визначають електронну ємність рівня? Підрівня? Чому дорівнює електронна ємність підрівня: а) 2l + 1; б) 2l -1; в) nl; г) 2(2l + 1)? Чому дорівнює електронна ємність рівня: а) n(2l + 1); б) 2(2l + 1); в) 2n2; г) n2?

Приклад 5.5. Розподілить за орбіталями d-підрівня: а) 3, б) 5, в) 6, г) 8 електронів.

Розв'язання. а) Якщо виходити тільки з принципу Паулі, можливі наступні конфігурації при розподілі трьох електронів за 5 орбіталями d-підрівня (d3):

 

 

1/2

шЕЖЕ

 

МУ

14 14 її


1/2

-1/2

-1/2

3/2Проте за правилом Хунда стійким є лише один - останній із вказаних розподілів   з   максимальним   сумарним   спіном   ^ms. КонфігураціїА А А

ЛЇ1Ї

і

вважаються еквівалентними, якщо в просторі немає будь якого виділеного напрямку (наприклад, напрямку зовнішнього поля), що істотно впливає на стан атому. Для єдиного порядку, умовилися, що на схемах вільні орбіталі спочатку заповнюють електронами із спіном «вгору» Т і не в довільній черговості, а зліва направо.

Зрозумівши як діє правило Хунда, легко знайти і всі необхідні розподіли:

2>sб)


І II II II II


5/2 (d)в)


IIII II II II


2 (d6)г)


II III III II II


1 (d8)Контрольне питання. Чому дорівнює максимально можливий сумарний спін електронів на орбіталях: а) p-, б) d-, в)/-підрівнів?

Приклад 5.6. Для атомних орбіталей яких рівнів і підрівнів сума (n + l) дорівнює 6? Скільки всього таких орбіталей?

Розв язання. Знаходження рівнів і підрівнів, відповідних умовам такого типу, необхідне при користуванні правилами Клечковського. Мінімальне значення l дорівнює 0 (для підрівня s). Умові (n + /) = 6 при l = 0 відповідає підрівень 6s (n = 6, l = 0). Якщо l = 1, цій умові відповідає підрівень 5p (n = 5, l = 1), а якщо l = 2, підрівень 4d (n = 4, l = 2). «Перебираючи» підрівні таким чином, кожного разу знижуємо на одиницю значення n і на стільки ж підвищуємо значення l. Але при цьому ми не повинні забувати перевіряти припустимість кожного нового набору значень n і l. Адже повинна виконуватись умова l < (n -1)! Легко переконатися, що наступний підрівень в нашому «переборі» 3/ (n = 3, l = 3) не відповідає можливому стану електронів в атомі, оскільки тут l = n. Таким чином, умові прикладу відповідають тільки орбіталі наступних підрівнів: 6s, 5p і 4d. Сумарне число таких орбіталей дорівнює: 1 + 3 + 5 = 9.

 

Контрольні питання. Якщо мати на увазі рівні, які заповнені електронами в стаціонарних станах існуючих атомів, чи знайдуться серед них чотири підрівні з однаковою сумою (n + l)? А п'ять? Чи знайдуться підрівні, для яких (n + l) = 8? А підрівні, що відповідають (n + l) = 9?Приклад 5.7. Який підрівень заповнюється в атомі електронами після заповнення підрівня: а) 5s, б) 5p?

Розв язання. Застосовуємо правила Клечковського. Підрівню 5s відповідає сума n + l = 5 + 0 = 5. Цьому ж значенню суми відповідають також підрівні 4p і 3d (див. приклад 5.6), але як ті, що мають нижчі значення n. Вони заповнюються електронами до, а не після підрівня 5s: спочатку 3d, потім 4p, потім 5s. Таким чином, зі всіх підрівнів, що відповідають сумі (n + l) = 5, підрівень 5s заповнюється останнім. Отже, після нього заповнюються підрівні з більшим на одиницю значенням (n + l), тобто (n + l) = 6. Цій сумі відповідають (приклад 5.6) підрівні 6s, 5p і 4d, а заповнюються вони в порядку зростання значень n, тобто в такому порядку: 4d, 5p, 6s.

Відповідь: після підрівня 5s заповнюється, за правилами Клечковського, підрівень 4d; після підрівня 5p - підрівень 6s.

Вирішуючи цю задачу, ми фактично знайшли порядок заповнення шести підрівнів з двома значеннями суми (n + l): ... 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s ... Користуючись правилами Клечковського, покажіть, що порядок заповнення електронами рівнів і підрівнів в атомах відомих на даний час елементів відповідає показаному в табл. 5.3. Запам'ятайте цей порядок.

Вивчаючи електронну будову атому, доцільно відразу ж пов'язати його з періодичною системою елементів, оскільки структура останньої є безпосереднім відображенням послідовності заповнення електронами рівнів і підрівнів в атомах хімічних елементів. Порядковий номер періоду дорівнює значенню головного квантового числа електронів зовнішнього рівня. Кожен період починається із заповнення s-підрівня зовнішнього електронного рівня і закінчується заповненням його ж p-підрівня (окрім I періоду, в якому заповнюється тільки підрівень 1s). У кожному періоді заповнюється одна валентна оболонка.Валентну оболонку складають валентні орбіталі. Валентні орбіталі -зовнішні орбіталі атома, які мають близькі значення енергії і які беруть участь в утворенні хімічного зв'язку. До них відносяться орбіталі s- і p-підрівней зовнішнього рівня, d-підрівня попереднього рівня і f-підрівня другого зовні рівня, якщо такі існують. У табл. 5.3 фактично наведено, таким чином, склад валентних оболонок атомів елементів різних періодів таблиці Д. І. Менделєєва. В атомах елементів I періоду валентну оболонку складає тільки підрівень 1s, II періоду - підрівні 2s і 2p, IV періоду - 4s, 3d і 4p і так далі.

Зверніть увагу, що у валентну оболонку можуть входити орбіталі з різними значеннями n. Це пов'язано з різним ступенем екранування s-, p-, d- і f-орбіталей зовнішньої (валентної) оболонки, що мають різну форму, електронами внутрішніх шарів. (Ступінь їх екранування зростає у вказаному ряду). «За Клечковським» заповнюються тільки зовнішні оболонки. У внутрішніх електронних шарах енергетично близькі і тому утворюють оболонки електрони з однаковим значенням головного квантового числа n.

 

Контрольні питання. Чи вірно, що енергія орбіталей підрівня 5s менша, ніж енергія орбіталей 4d: а) у збуджених атомах Гідрогену і Літію; б) в атомі Стронцію; в) у внутрішніх оболонках атому Урана? Яке із наступних тверджень справедливе: а) правила Клечковського - універсальний і точний закон, однаково справедливий для одно- і багатоелектронних атомів, для вільних і внутрішніх орбіталей; б) правила Клечковського - це емпіричні правила, справедливі тільки для орбіталей зовнішніх (валентних) рівнів багатоелектронних атомів? Чи спостерігається відступ від правил Клечковського? Перевірте в цьому відношенні атом Лантану, користуючись таблицями електронних структур.

Електронні структури атомів зображають за допомогою графічних схем або електронних формул. При складанні повної електронної формули записують умовні позначення всіх повністю або частково зайнятих підрівнів, вказуючи за допомогою верхнього числового індексу кількість електронів, розміщених на кожному підрівні.

Приклад 5.8. Складіть повну електронну формулу і графічну схему електронної структури атому Карбону. Вкажіть значення всіх чотирьох квантових чисел для електронів другого енергетичного рівня.

Розв'язання. Порядковий номер Карбону - 6. Потрібно послідовно розмістити 6 електронів за підрівнями в порядку зростання їх енергії (табл.5.3). На підрівні 1s, що має найменшу енергію, розмістяться 2 електрони (чому? Не забувайте про електронну ємність підрівнів!). Стільки ж розмістяться на наступному підрівні 2s. Два електрони, що залишаються, почнуть заповнювати орбіталі підрівня 2p, але не заповнять його повністю, оскільки його електронна ємність дорівнює 6 (табл. 5.2). Отже, повна

2    2 2

електронна формула атому Карбону: 1s 2s 2p (читається «один ес два, два ес два, два пе два»). На графічних схемах при розміщенні електронів на не повністю заповненому рівні враховуйте правило Хунда (приклад 5.5).

Наведені значення квантових чисел для чотирьох електронів другого рівня легко визначити з розгляду графічної схеми.2p 2sM

0

1s Ш

0

 

I II

-1 0 1


 

 

 

1s22s22p2


n   l   mi ms

2   0   0 +1/2

2   0   0 -1/2

2   1 -1 +1/2

2          1 0 +1/2Для елементів з великим порядковим номером повні електронні формули дуже громіздкі і не наочні. Тому зазвичай користуються скороченими електронними формулами, які відображають електронну конфігурацію валентних орбіталей.

Якщо ви добре запам'ятали порядок заповнення електронами підрівнів за періодами, а отже і склад валентних оболонок (табл. 5.3), ви можете легко написати скорочену електронну формулу будь-якого елементу. Для цього потрібно врахувати, що загальна кількість електронів у валентній оболонці дорівнює номеру елементу, якщо рахувати від початку періоду. У запис скороченої формули зазвичай не включають символи повністю вільних валентних підрівнів, а також повністю заповнених d і f валентних підрівнів, якщо за останніми йде слідом хоч би частково заповнений інший підрівень. Справа у тому, що по мірі заповнення електронами підрівнів d і f енергія їх орбіталей зменшується, вони уходять із зовнішньої оболонки у внутрішні шари і при повному заповненні підрівней вже втрачають роль валентних.

Приклад 5.9. Складіть скорочені електронні формули і графічні схеми валентних орбіталей атомів елементів IV періоду: K, Ti, Zn, As, Кг.

Розв язання. Склад валентної оболонки для елементів IV періоду: 4s3d4p (табл. 5.3). В атомі К - першого елементу періоду один електронзаповнить 4s орбіталь, решта валентних орбіталей вільна. Отримуємо формулу: К - 4s1. Ti - четвертий елемент від початку періоду; два електрони повністю заповнять підрівень 4s, а два, що залишилися, почнуть заповнювати підрівень 3d. Отримуємо: Ti - 4s23d2. В атомі Zn - дванадцятого елементу від початку періоду - 12 електронів повністю заповнять підрівні 4s і 3d: Zn -

2 10

4s 3d . В атомі As 15 електронів повністю заповнять підрівні 4s, 3d і почнуть заповнювати підрівень 4p, на якому опиняться 3 електрони. Скорочена

2      3 10

формула: As - 4s 4p (повністю заповнений підрівень 3d можна не вказувати - за ним йде слідом 4p ). Kr - останній, вісімнадцятий елемент періоду, і в його атомі закінчується заповнення 4p підрівня, а з ним і всієї валентної оболонки: Kr - 4s24p6.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67 


Похожие статьи

В В Приседський, В М Виноградов, О І Волкова - Курс загальної хімії у прикладах