Электронные семейства элементов. Валентные электроны

Ковалентность атомов

Химические и многие физические свойства атомов элементов определяются в основном их валентными электронами.

Валентные электроны – это электроны, наименее прочно связанные с ядром и участвующие в образовании ковалентных связей. Их электронная конфигурация зависит от того, к какому семейству (s-, p-, d- или f-) относится данный элемент.

В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами, различают s-, р-, d- и f-семейства (элементы). Если в атоме элементов заполняется электронами s-подуровень последнего энергетического уровня (ns) – это s-элементы. Если ns-подуровень заполнен электронами, а заполняется nр-подуровень – это р-элементы. При размещении электронов на (n–1)d-подуровне при заполненном ns-подуровне – это будут d-элементы. Элементы, в атомах которых заполняется (n–2)f-подуровень, называются f-элементами.

В табл. 2 показаны электронные семейства элементов, соответствующие им валентные электроны и расположение s-, p-, и d-элементов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Таблица 2

Электронные семейства элементов и валентные электроны

Количество валентных электронов равно номеру группы, в которой расположен элемент (исключение – d-элементы подгрупп Co, Ni, Cu, Zn).

К s-элементам относятся элементы главных подгрупп первой и второй групп (две группы); к р-элементам – главные подгруппы, начиная с третьей и кончая восьмой группой (шесть групп); d-элементы образуют десять побочных подгрупп, начиная с третьей группы четвертого периода; f-элементы – это лантаноиды и актиноиды.

Поэтому в атомах:

– s-элементов число электронов на последнем ns-подуровне соответствует номеру группы, в которой расположен элемент;

– р-элементов сумма электронов на последнем уровне ns-, nр-подуровнях соответствует номеру группы, в которой находится элемент;

– d-элементов сумма электронов на (n–1)d, ns-подуровнях равна номеру группы, в которой расположен элемент. Исключение составляют атомы элементов подгруппы кобальта, никеля, меди и цинка.

При рассмотрении химической связи необходимо знать ковалентность атома элемента. Она определяется числом одиночных валентных электронов. Ковалентность атома можно изменить (повысить) за счёт возбуждения атома, если на данном энергетическом уровне есть свободные орбитали.

Пример 4. Напишите электронную формулу атомов ₄Be; ₇N; ₁₅P; ₂₂Ti. Определите электронное семейство элемента. Определите ковалентность атомов в нормальном и возможных возбужденных состояниях.

Решение. Бериллий: ₄Ве 1s²2s². Данный элемент относится к s-семейству. Валентные электроны 2s². Распределим их по орбиталям:

нормальное состояние возбужденное состояние

2p 2p

2s hν 2s ¯

¯­ ¯

к = 0 к* = 2

В нормальном состоянии ковалентность (к) бериллия – ноль. Поглощая энергию, атом из нормального состояния переходит в возбужденное. При этом происходит переход одного электрона с s-подуровня на свободную орбиталь p-подуровня того же уровня. В возбужденном состоянии ковалентность атома (к*) равна двум.

Азот: ₇N 1s²2s²2р³. Элемент относится к р-семейству. Валентные электроны 2s²2р³. Распределим их по орбиталям данного энергетического уровня с учётом правила Гунда:

нормальное состояние

2p

2s ¯ ¯ ¯

¯­

к = 3

В нормальном состоянии ковалентность атома азота равна трём. Поглощение энергии не изменяет ковалентность азота, так как на втором энергетическом уровне нет свободных орбиталей. Однако, за счёт электронной пары, расположенной на 2s-подуровне, ковалентность азота может быть равной четырём. Это его максимальная ковалентность.

Фосфор: ₁₅Р 1s²2s²2р⁶3s²3р³. Фосфор относится к р-элементам и его валентные электроны 3s²3р³. Распределим валентные электроны по орбиталям данного энергетического уровня с учётом правила Гунда:

нормальное состояние возбужденное состояние

d d

p p ¯

s ¯ ¯ ¯ hν s ¯ ¯ ¯

¯­ ¯ к = 3 к* = 5

В нормальном состоянии ковалентность фосфора равна трём. Фосфор – аналог азота. Но в атоме фосфора, в отличие от азота, есть свободные орбитали
d-подуровня. При поглощении энергии один s-электрон переходит на d-орбиталь этого же энергетического уровня. В возбужденном состоянии ковалентность фосфора равна пяти.

Титан. ₂₂Ti 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶3d²4s². Титан – элемент d-семейства. Валентные электроны 3d²4s². Распределим их по орбиталям третьего и четвёртого энергетических уровней с учётом правила Гунда:

нормальное состояние возбужденное состояние

4p 4р

4s hν 4s ¯

3d ¯­ 3d ¯

¯ ¯ ¯ ¯
к = 2 к* = 4

В нормальном состоянии ковалентность титана равна двум. При поглощении атомом энергии один s-электрон четвёртого энергетического уровня переходит на свободную орбиталь р-подуровня того же уровня. В возбужденном состоянии ковалентность титана равна четырём.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

61. Руководствуясь Периодической системой, определите название химического элемента. В каком периоде, группе и подгруппе находится этот элемент, если его нейтральному атому отвечает следующая электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹? К какому семейству относится данный элемент? Какова ковалентность атома в нормальном и возбужденном состояниях? Покажите это, используя квантовые ячейки.

62.Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 25. К какому семейству относится данный элемент? Какие электроны являются валентными? Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность в возбужденном состоянии.

63.Напишите электронные формулы атомов ₄₂Мо⁰ и ₄₇Ag⁰ c учётом «проскока» одного электрона. Распределите валентные электроны по атомным орбиталям (магнитно-квантовым ячейкам). Объясните, почему в данном случае происходит «проскок» электрона.

64.Некоторый элемент имеет валентные электроны 4s²4p². Определите, какой это элемент. Напишите электронную формулу этого элемента. Какова ковалентность атома в нормальном и возбужденном состояниях? Покажите это, используя квантовые ячейки.

65.Для атома некоторого элемента возможны три состояния, записанные в виде электронных формул: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴; 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d¹; 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d². Какой это элемент? Как называются эти состояния? Как перейти от первого состояния ко второму и третьему состояниям? Определите ковалентность атома для каждого состояния.

66. В атоме некоторого элемента заполнены электронами последний и предпоследний энергетические уровни следующим образом: 4s²4p⁶4d²5s². Какой это элемент, и к какому семейству он относится? Напишите электронную формулу атома этого элемента и определите ковалентность в возбужденном состоянии, используя квантовые ячейки.

67.Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 33. Какой это элемент? Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам. Определите ковалентность атома в нормальном и в возбужденном состояниях?

68.Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 8. Какой это элемент? Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам. Какова ковалентность атома в нормальном состоянии? Объясните, можно ли изменить ковалентность атома путем перевода его из нормального состояния в возбужденное.

69.Для атома некоторого элемента возможны четыре состояния, записанные в виде электронных формул: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴3d¹; 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d²; 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d³. Какой это элемент? Как называются эти состояния? Как перейти от первого состояния ко второму, третьему и четвертому состояниям? Определите ковалентность атома для каждого состояния.

70. В атоме некоторого элемента заполнен предпоследний энергетический уровень следующим образом: 3s²3p⁶3d⁸. Какой это элемент, и к какому семейству он относится? Напишите электронную формулу атома этого элемента. Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в возбужденном состоянии.

71. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 34. К какому семейству относится данный элемент? Какие электроны являются валентными? Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность во всех возможных возбужденных состояниях.

72. Напишите электронные формулы атомов ₂₉Cu⁰ и ₄₂Мо⁰ (учесть «проскок» электрона). Распределите валентные электроны по атомным орбиталям (магнитно-квантовым ячейкам). Объясните, почему в данном случае происходит «проскок» электрона.

73.Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, если электронная конфигурация подуровней, на которых располагаются валентные электроны в его атоме, следующая 4d⁵5s². Назовите этот элемент. Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и возбужденном состояниях.

74. Даны следующие элементы: ₂₀Са, ₂₇Со, ₃₄Se. Исходя из положения элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева, определите для каждого из них: а) сколько энергетических уровней занято электронами; б) к какому семейству относится элемент; в) на каких уровнях и подуровнях находятся валентные электроны, запишите их электронную конфигурацию; г) определите ковалентность в нормальном и возбуждённых состояниях.

75. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 35. К какому семейству относится данный элемент? Определите, какие электроны являются валентными. Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

76. Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, если его атом имеет следующую конфигурацию внешнего и предвнешнего энергетических уровней: 4s²4р⁶4d¹⁰5s²5р⁴. Назовите этот элемент, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

77. Исходя из положения в Периодической системе Д.И. Менделеева, для элементов ₃₈Sr, ₄₃Tc, ₅₁Sb определите: а) сколько энергетических уровней занято электронами; б) к какому семейству относится элемент; в) на каких уровнях и подуровнях находятся валентные электроны, какова их электронная конфигурация; г) ковалентность атомов в нормальном и возбуждённых состояниях.

78. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 42. К какому семейству относится данный элемент? Определите, какие электроны являются валентными. Распределите их по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

79. Определите, в каком периоде, группе, подгруппе находится элемент, если электронная формула атома включает электронную конфигурацию 5d⁶. Назовите этот элемент. Пользуясь правилом Гунда, распределите валентные электроны по квантовым ячейкам и определите ковалентность в нормальном и во всех возможных возбужденных состояниях.

80. Исходя из положения элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева, определите для каждого из элементов ₅₆Ba, ₇₄W, ₈₄Po: а) сколько энергетических уровней занято электронами; б) к какому семейству относится элемент; в) на каких уровнях и подуровнях находятся валентные электроны, какова их электронная конфигурация.