Задачи с решением по теме «Строение атома»

№ 1. Чем объяснить, что у элементов с Z=20 (Ca) и Z=21 (Sc) столь существенно различаются электронные конфигурации [Ar]4s² и [Ar]3d¹4s²?

Решение

Это объясняется тем, что при переходе от Z=20 к Z=21 происходит инверсия уровней 4s > 3d; то у ₂₁Sc она становится 3d ≥ 4s. Отсюда у всех 3d-элементов, начиная со Sc валентными электронами будут 3d и 4s, но всегда первыми уходят электроны с уровней, которые расположены правее в энергетическом ряду.

№ 2. Какова электронная конфигурация ₂₅Cr⁺?

Решение

Хром относится к 3d-элементам, а потому валентные электроны занимают 3d- и 4s-орбитали. Поскольку эти уровни перекрываются, то для хрома реализуется электронная конфигурация 3d⁵4s¹, при которой энергия всех электронов формально одинакова. Если уйдет 4s-электрон (Cr¹⁺), то электронная конфигурация будет наполовину заполненной (3d⁵); если же атом потеряет один из 3d-электронов, то система будет стремится к образованию той же наиболее устойчивой электронной конфигурации 3d⁵, то есть 3d⁴4s¹→3d⁵.

№ 3. Какова электронная конфигурация Cr(III)?

Решение

Сверх оболочки ближайшего инертного газа Ar хром (III) содержит три электрона, занимающих 3d-орбиталь. Следовательно, его электронная конфигурация будет [Ar]3 4 [Ar]3 . В соответствии с правилом Хунда они должны дать максимальный спин s=3/2, который возможен только в случае такого расположения электронов

№ 4. Чему соответствует максимальное число электронов при данном l?

Решение

Поскольку при заданном l число энергетических уровней (атомных орбиталей) определяется соотношением 2l+1, а учитывая запрет Паули это соотношение должно быть удвоено – 2(2l+1).

№ 5. Каким 3d-ионам соответствует электронная конфигурация 3d⁵?

Решение

Исходя из валентных возможностей 3d-элементов, этой электронной конфигурации могут отвечать Cr⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, Co⁴⁺.

№ 7. Какие из тетраоксо анионов c электронной конфигурацией 3d⁰ реально возможны?

Решение

Валентные возможности позволяют это реализовать для

№ 8. Какова последовательность энергетических уровней в атоме водорода и водородоподобных ионов?

Решение

В этих системах единственный электрон может взаимодействовать только с атомным ядром, поэтому последовательность энергетических уровней будет определяться только главным квантовым числом n. Следоватольно, такая последовательность определяется рядом

1s < 2s, 2p < 3s, 3p < 3d < 4s < 4p < 4f

№ 9. Какова последовательность энергетических уровней в многоэлектронных атомах?

Решение

Поскольку энергия АО возрастает по мере увеличения суммы n+l, и исходя из правила, что при одинаковой сумме n+l сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l, то последовательность АО соответствует ряду

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 4f ≈ 5d < 6p < 7s ≈ 5f ≈ 6d < 7p

№ 10. Напишите все квантовые числа электронов в атоме лития.

Решение

Литий – третий элемент с электронной конфигурацией , то квантовые числа двух первых будут отличаться только спинами: ; = +1/2; = –1/2; а третий характеризоваться ;

№ 11. Углерод имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p². Какова из электронных конфигураций соответствует минимальной энергии?

Решение

Первые два уровня заполнены и тем самым соответствуют минимому энергии в своих пределах. 2p-электроны могут быть размещены разными способами: , и , но только первый отвечает требованиям правила Хунда; два последних ему противоречат, ибо во втором Σ m_l=0, а в третьем Σ m_s=0.