Спаренные электроны
Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, а если два – то это спаренные электроны .
Четыре квантовых числа n, l, m, m s полностью характеризуют энергетическое состояние электрона в атоме.
Рассматривая строение электронной оболочки многоэлектронных атомов различных элементов, необходимо учитывать три основных положения:
· принцип Паули,
· принцип наименьшей энергии,
· правило Гунда .
Согласно принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.
Принцип Паули определяет максимальное число электронов на одной орбитали, уровне и подуровне. Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами n , l , m , то электроны данной орбитали могут различаться только спиновым квантовым числом m s . Но спиновое квантовое число m s может иметь только два значения + 1 / 2 и – 1 / 2 . Следовательно, на одной орбитали может находиться не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.
Рис. 4.6. Максимальная емкость одной орбитали – 2 электрона.
Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется как 2n 2 , а на подуровне – как 2(2l + 1). Максимальное число электронов, размещающихся на различных уровнях и подуровнях, приведено в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Максимальное число электронов на квантовых уровнях и подуровнях
| Энергети-ческий уровень | Энергети-ческий подуровень | Возможные значения магнитного квантового числа m | Число орбиталей на | Максимальное число электронов на | ||
| подуровне | уровне | подуровне | уровне | |||
| K (n =1) | s (l =0) | |||||
| L (n =2) | s (l =0) p (l =1) | –1, 0, 1 | ||||
| M (n =3) | s (l =0) p (l =1) d (l =2) | –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 | ||||
| N (n =4) | s (l =0) p (l =1) d (l =2) f (l =3) | –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3 |
Последовательность заполнения электронами орбиталей осуществляется в соответствии с принципом наименьшей энергии .
Согласно прнципу наименьшей энергии электроны заполняют орбитали в порядке повышения их энергии.
Очередность заполнения орбиталей определяется правилом Клечковского: увеличение энергии и, соответственно, заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равной сумме (n + l) – в порядке возрастания главного квантового числа n.
Например, энергия электрона на подуровне 4s меньше, чем на подуровне 3d , так как в первом случае сумма n + l = 4 + 0 = 4 (напомним, что для s -подуровня значение орбитального квантового числа l = = 0), а во втором n + l = 3 + 2= 5 (d - подуровень, l = 2). Поэтому, сначала заполняется подуровень 4s , а затем 3d (см. рис. 4.8).
На подуровнях 3d (n = 3, l = 2) , 4р (n = 4, l = 1) и 5s (n = 5, l = 0) сумма значений п и l одинаковы и равны 5. В случае равенства значений сумм n и l сначала заполняется подуровень с минимальным значением n , т.е. подуровень 3d .
В соответствии с правилом Клечковского энергии атомных орбиталей возрастает в ряду:
1s < 2s < 2р < 3s < 3р < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d »
»4f < 6p < 7s ….
В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на 4 электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы.
4f
4 4d
3 4s
3p
3s
1 2s
Уровни Подуровни
Рис. 4.8. Энергия атомных орбиталей.
Элементы, у атомов которых в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня, называются s-элементами . У s -эле-ментов валентными являются s-электроны внешнего энергетического уровня.
У р-элементов последним заполняется р-подуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены на p - и s -под-уровнях внешнего уровня. У d -элементов в последнюю очередь заполняется d -подуровень предвнешнего уровня и валентными являются s -электроны внешнего и d -электроны предвнешнего энергетического уровней.
У f-элементов последним заполняется f -подуровень третьего снаружи энергетического уровня.
Порядок размещения электронов в пределах одного подуровня определяется правилом Гунда:
в пределах подуровня электроны размещаются таким образом, чтобы сумма их спиновых квантовых чисел имела бы максимальное значение по абсолютной величине.
Иными словами, орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону с одинаковым значением спинового квантового числа, а затем по второму электрону с противоположным значением.
Например, если в трех квантовых ячейках необходимо распределить 3 электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке, т.е. занимать отдельную орбиталь:
∑m s = ½ – ½ + ½ = ½.
Порядок распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в оболочке атома называется его электронной конфигурацией, или электронной формулой. Составляя электронную конфигурацию номер энергетического уровня (главное квантовое число) обозначают цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровень (орбитальное квантовое число) – буквами s , p , d , f . Число электронов на подуровне обозначается цифрой, которая записывается вверху у символа подуровня.
Электронная конфигурация атома может быть изображена в виде так называемой электронно-графической формулы . Эта схема размещения электронов в квантовых ячейках, которые являются графическим изображением атомной орбитали. В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов с различными значениями спиновых квантовых чисел.
Чтобы составить электронную или электронно-графическую формулу любого элемента следует знать:
1. Порядковый номер элемента, т.е. заряд его ядра и соответствующее ему число электронов в атоме.
2. Номер периода, определяющий число энергетических уровней атома.
3. Квантовые числа и связь между ними.
Так, например, атом водорода с порядковым номером 1 имеет 1 электрон. Водород - элемент первого периода, поэтому единственный электрон занимает находящуюся на первом энергетическом уровне s -орбиталь, имеющую наименьшую энергию. Электронная формула атома водорода будет иметь вид:
1 Н 1s 1 .
Электронно-графическая формула водорода будет иметь вид:
Электронная и электронно-графическая формулы атома гелия:
2 Не 1s 2
2 Не 1s
отражают завершенность электронной оболочки, что обусловливает ее устойчивость. Гелий – благородный газ, характеризующийся высокой химической устойчивостью (инертностью).
Атом лития 3 Li имеет 3 электрона, это элемент II периода, значит, электроны расположены на 2-х энергетических уровнях. Два электрона заполняют s - подуровень первого энергетического уровня и 3-й электрон расположен на s - подуровне второго энергетического уровня:
3 Li 1s 2 2s 1
Валентность I
У атома лития электрон, находящийся на 2 s -подуровне, менее прочно связан с ядром, чем электроны первого энергетического уровня, поэтому в химических реакциях атом лития может легко отдавать этот электрон, превращаясь в ион Li + (ион - электрически заряженная частица ). В этом случае ион лития приобретает устойчивую завершенную оболочку благородного газа гелия:
3 Li + 1s 2 .
Следует заметить, что, число неспаренных (одиночных) электронов определяет валентность элемента, т.е. его способность образовывать химические связи с другими элементами.
Так, атом лития имеет один неспаренный электрон, что обусловливает его валентность, равную единице.
Электронная формула атома бериллия:
4 Bе 1s 2 2s 2 .
Электронно-графическая формула атома бериллия:
2 Валентность в основном
Состоянии равна 0
Легче других у бериллия отрываются электроны подуровня 2s 2 , образуя ион Be +2:
Можно заметить, что атом гелия и ионы лития 3 Li + и бериллия 4 Bе +2 имеют одинаковое электронное строение, т.е. характеризуются изоэлектронным строением.
За правильный ответ на каждое из заданий 1-8, 12-16, 20, 21, 27-29 ставиться 1 балл.
Задания 9–11, 17–19, 22–26 считаются выполненными верно, если правильно указана последовательность цифр. За полный правильный ответ в заданиях 9–11, 17–19, 22–26 ставится 2 балла; если допущена одна ошибка – 1 балл; за неверный ответ (более одной ошибки) или его отсутствие – 0 баллов.
Теория по заданию:
1) F 2) S 3) I 4) Na 5) Mg
Определите, атомам каких из указанных элементов в основном состоянии до завершения внешнего электронного слоя недостаёт одного электрона.
1
Восьмиэлектронная оболочка соответствует оболочке инертного газа. Для каждого из веществ в периоде котором они находятся соответствуют инерный газ, для фтора неон, для серы аргон, для йода ксенон, для натрия и магния аргон, но из перечисленных элементов, лишь фтору и йоду не хватает одного электрона до восьмиэлектронной оболочки, так как они находятся в седьмой группе.
Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность трех цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.
1) Be 2) H 3) N 4) K 5) C
Определите, атомам каких из указанных элементов в основном состоянии содержат одинаковое число неспаренных электронов.
1
4 Be Бериллий: 1s 2 2s
2
7 N Азот: 1s 2 2s 2 2p
3
Число неспаренных электронов — 1
6 C Углерод: 1s 2 2s 2 2p
2
| 1s 2 | 2s 2 | 2p 3 | ||
| ↓ | ↓ | |||
Число неспаренных электронов — 2
Отсюда очевидно что для водорода и для калия число неспаренных электронов одинаково.
Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность трех цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.
1) Ge 2) Fe 3) Sn 4) Pb 5) Mn
Определите, атомам каких из указанных в ряду элементов валентные электроны находятся как на s- так и на d-подуровнях.
1
Для решения данного задания необходимо расписать верхний электронный уровень элементов:
- 32 Ge Германий: 3d 10 4s 2 4p 2
- 26 Fe Железо: 3d 6 4s 2
- 50 Sn Олово: 4d 10 5s 2 5p 2
- 82 Pb Свинец: 4f 14 5d 10 6s 2 6p 2
- 25 Mn Марганец: 3d 5 4s 2
У железа и марганца валентные электроны находятся на s- и на d-подуровнях.
Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность трех цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.
1) Br 2) Si 3) Mg 4) C 5) Al
Определите, атомам каких из указанных в ряду элементов в возбужденном состоянии имеют электронную формулу внешнего энергетического уровня ns 1 np 3
1
Для не возбужденного состояния электронная формула ns 1 np 3 будет представлять собой ns 2 np 2 , именно элементы такой конфигурации нам нужны. Распишем верхний электронный уровень элементов (либо простой найдем элементы четвертой группы):
- 35 Br Бром: 3d 10 4s 2 4p 5
- 14 Si Кремний: 3s 2 3p 2
- 12 Mg Магний: 3s 2
- 6 C Углерод: 1s 2 2s 2 2p 2
- 13 Al Алюминий: 3s 2 3p 1
У кремния и углерода верхний энергетический уровень совпадает с искомым
Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в задании является последовательность трех цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.
1) Si 2) F 3) Al 4) S 5) Li
как определить число неспаренных электронов в атоме и получил лучший ответ
Ответ от Rafael ahmetov[гуру]
Используя правило Клечковского написать электронную формулу. По электронной формуле это определяется легко. Например, электронная формула углерода 1s2 2s2 2p2, видим что на s-орбиталях по 2 электрона, т. е. они спарены. На p- орбиталях 2 электрона, но 2-р орбиталей три. Значит по правилу Гунда, 2 электрона займут 2 разных р-орбитали, и у углерода - 2 неспаренных электрона. Аналогично рассуждая видим, что у атома азота 1s2 2s2 2p3 - 3 неспаренных электрона. У кислорода 1s2 2s2 2p4 - на р-орбиталях 4 электрона. 3 электрона расположились по одному на разных р-орбиталях, а четвертому отдельного места нет. Поэтому он идет в пару к одному из трех, а два остаются неспаренными. Аналогично у фтора 1s2 2s2 2p5 - один неспаренный электрон, а у неона 1s2 2s2 2p6 нет неспаренных электронов.
Совершенно аналогично нужно рассматривать и d- и f- орбитали (если они задействованы в электронной формуле, и не забывать, что d-орбиталей пять, а f-орбиталей семь.
Ответ от Вадим Беленецкий
[гуру]
неадо расписать любой элемент и тогда будет видно,естьнеспаренные электроны или нет Напимер у алюминия заряд +13. а распределение по уровнням -2.8.3.Уже видно,что р-электрон на последнем слое неспаренный.И таким же способом проверь у всех элементов.
Ответ от Ѐенат Лезгинцев
[новичек]
Вадим можно по подробней?
Ответ от Егор Ершов
[новичек]
Число неспаренных электронов равно номеру группы, в которой находиться элемент
Ответ от 3 ответа
[гуру]
Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: как определить число неспаренных электронов в атоме
Укажите квантовые числа (n, l, m(l), m(s)) электрона, являющегося последним по порядку заполнения, и определите число не
а что тут думать? последним будет 5p электрон.
n = 5 (гл. кв. число = номер уровня)
