Пример 16. На основании периодической таблицы охарактеризуйте химические элементы с порядковыми номерами 21 и 34
Дано: элементы с порядковыми номерами 21 и 34.
Охарактеризовать: химические элементы с порядковыми номерами 21 и 34 - ?
Решение: Для характеристики химического элемента по периодической системе Д.И.Менделеева следует рассмотреть:
1. Положение в периодической таблице (порядковый номер; период, ряд; группа, подгруппа; атомная масса).
2. Строение атома (заряд ядра; состав ядра - количество протонов Np, нейтронов Nn и электронов Nē; число энергетических уровней и подуровней; написать формулу электронной конфигурации; квантовые ячейки; по числу и характеру валентных электронов определить тип элемента).
3. Формулы и химический характер соединений (высшего оксида и гидроксида; водородных соединений).
4. Сравнить с соседними элементами (по периоду, по группе).
а) Порядковый номер элемента Z = 21 обозначает: заряд ядра атома элемента (скандия): 
– +21; число протонов Np: – 21; число электронов Nē: – 21; число нейтронов Nn = Ar – Z = 65–21 = 44.
Формула состава атома
(21p; 44n; 21ē)
состав
ядра
Скандий находится в IV периоде; номер периода показывает число энергетических уровней – 4.
Скандий расположен в побочной подгруппе. Следовательно, его валентные электроны будут находиться на 4s- и 3d-подуровнях.
Электронная формула скандия
| | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 | 4s23d1 |
| [Ar] |
или в виде сокращенной записи: [Ar] 4s23d1.
Электронно - графическая формула в виде квантовых ячеек:
21Sc [Ar]
| ↑↓ | ||||||||||||||||||
| s | p | d | f | |||||||||||||||
| ↑ | ||||||||||||||||||
| s | p | d | f |
n= 4
n= 3
Скандий – d-элемент, т.к. в электронной формуле последнего заполняется d-подуровень (1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s23d1). На последнем уровне два электрона (4s2), поэтому у Sc более проявляются металлические свойства. Валентные электроны Sc 4s23d1, отдавая их, он проявляет высшую степень окисления +3. Отсюда формула высшего оксида Sc2О3, а гидроксида Sc(OH)3. Основные свойства оксида и гидроксида чуть сильнее, чем у Al, стоящего выше в этой же группе, но слабее, чем у Са (СаО, Са(ОН)2) находящегося в IV периоле левее. Т.к. у Sc на последнем уровне 2 электрона, присоединять электроны он не может, отрицательной степени окисления не проявляет и соединения с водородом не образует.
б) Порядковый номер 34 имеет селен Se. Элемент находится в IV периоде, значит, в атоме имеется 4 энергетических уровня. Селен Se находится в главной подгруппе VI группы; его валентные электроны распределены на 4s и 4p-подуровнях.
Электронная формула селена:
34Se 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s2 4p4
Внешний валентный уровень в виде квантовых ячеек имеет вид:
| ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ |
4s 4p 4d
Атом селена имеет 6 валентных электронов при n=4, поэтому высшая валентность равна 6, что соответствует номеру группы.
Селен - p-элемент, поэтому будет проявлять свойства неметалла (Al тоже р-элемент, но проявляет свойства металла). Формула высшего оксида – Sе2O3, гидроксида – Sе(OH)3.
Для элементов главных подгрупп валентными являются электроны последнего (внешнего) энергетического уровня, а для элементов побочных подгрупп - также и электроны d-подуровня предпоследнего уровня:
25Мn 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6 4s2 3d5
При написании электронных формул следует учитывать так называемый «провал» электрона из подуровня ns в (n -1) d-подуровень. Так, электронная формула хрома должна быть 1s2 2s2 2р6 3s2 Зр6 4s2 3d4. Однако, на внешнем уровне у атома хрома не два электрона, а один - второй электрон «провалился» на d-подуровень второго снаружи уровня, т.е. (n - 1) d-подуровень. В таком случае, расположение электронов у атома хрома таково: 1s2 2s2 2р6 3s2 Зр6 4s1 3d5. То же имеет место у Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Pt, Au. У Pd электроны по уровням располагаются так: 2, 8, 18, 18, 0 (здесь пятый энергетический уровень вообще отсутствует. Оба электрона «провалились» на соседний уровень).
«Провал» электронов энергетически выгоден, так как образуются более устойчивые электронные конфигурации, например, у хрома - наполовину заполненный d-подуровень (3d), а у палладия - полностью заполненный подуровень (4d).
Пример 17.Какой энергетический подуровень будет заполняться раньше 3d- или 4s - ?
Дано: энергетические подуровени 3d-и 4s-
Определить: какой из предложенных энергетических подуровеней будет заполняться раньше - ?
Решение: В соответствии c правилом Клечковского энергетическому подуровню 3d соответствует сумма (n + l) = 3 + 2 = 5, а 4s- соответствует сумма 4 + 0 = 4. Следовательно, сначала заполнится подуровень 4s, а затем 3d.
Ответ: В соответствии с принципом наименьшей энергии сначала заполнится подуровень 4s-, а затем 3d-.
Пример 18.Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях, и определить возможные валентности Si.
Дано: Si
Составить: электронную и электронно-графическую формулы Si и Si*, определить возможные валентности Si и Si* - ?
Решение:Для Si число электронов равно 14, электронная формула имеет вид: 1s22s22p63s23p2.
Электронно-графическая формула атома кремния:
14Si
| ↑↓ | ↑ | ↑ |
n=3 s p d
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
n=2 s p валентность II
| ↑↓ |
n=1 s
При затрате некоторой энергии (hυ)один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3р-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так как возникающая электронная конфигурация (1s22s22p63s13p3) соответствует возбужденному состоянию атома кремния (Si*):
14Si*
| ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
n=3 s p d
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
n=2 s p валентность IV
| ↑↓ |
n=1 s
Пример 19.На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?
Решение:Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора Z = 17, марганца Z = 25. Электронные формулы имеют вид:
17Сl 1s22s22p63s23p5;
25Mn 1s22s22p63s23p64s23d5.
Электронно-графические формулы этих атомов:
17Cl
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ |
n=3 s p d
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
n=2 s p
| ↑↓ |
n=1 s
25Mn
| ↑↓ |
n=4 s p d f
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
n=3 s p d
| ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
n=2 s p
| ↑↓ |
n=1 s
Валентные электроны для химического элемента хлора - 3s23p5, а для химического элемента марганца - 4s23d5.
Ответ: В вертикальных рядах, называемых группами, расположены элементы – электронные аналоги, имеющие одинаковое количество электронов на внешних энергетических подуровнях. Химические элементы, составляющие одну подгруппу (главную или побочную) являются полными электронными аналогами, вследствие одинаковых конфигураций внешних энергетических подуровней, что определяет близость физических и химических свойств элементов и их соединений. Валентные электроны хлора - 3s23p5, а марганца - 4s23d5 - эти элементы не являются полными электронными аналогами, т.к. у них разная конфигурация внешних энергетических подуровней, поэтому они не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов - 7. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д.И. Менделеева. У Cl и Мn валентные электроны (3s23p5 и 4s23d5) находятся на разных подуровнях, поэтому они располагаются в разных подгруппах.