Строение атома

Пример. Сколько протонов и нейтронов содержат ядра изотопов ⁵⁵₂₅Мn и ⁵⁴₂₅Мn? Составьте электронную формулу атома марганца, распределите электроны по квантовым ячейкам. Укажите валентности и степени окисления марганца в нормальном и возбужденном состоянии. К какому электронному семейству относится этот элемент?

Решение. Порядковый номер элемента в периодической системе совпадает с величиной заряда ядра, т.е. индекс внизу слева символа элемента указывает на количество протонов в ядре, следовательно, в ядрах изотопов марганца имеется 25 протонов. Число нейтронов равняется разности между массовым числом (индекс вверху слева символа) и порядковым номером элемента, следовательно, в ядрах изотопов марганца находится следующее число нейтронов:

⁵⁵₂₅Мn 55 - 25 = 30 (n); ⁵⁴₂₅Мn 54 - 25 = 29 (n).

Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням. При этом согласно правилу Клечковского, последовательность размещения электронов по атомным орбиталям (АО) в невозбужденном атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т. е. электрон должен обладать наименьшей энергией. Электроны заполняют уровни и подуровни в следующей последовательности (шкала энергий):

1s² → 2s² → 2p⁶ → 3s² → 3p⁶ → 4s² → 3d¹⁰ → 4p⁶ → 5s² → 4d¹⁰ → 5p⁶ → 6s² → 5d¹ → 5f¹⁴ → 5d^2-10 → 6p⁶ → 7s² → 6d¹ → 5f¹⁴ → 6d^2-10 → 7p⁶

Так как число электронов в атоме элемента равно заряду его ядра, т. е. порядковому номеру в таблице Л. И. Менделеева, то для элемента № 25 – марганца, электронная формула согласно шкале энергий, имеет вид:

₂₅Мn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵

Электронографические схемы отражают распределение электронов атомов по квантовым ячейкам (энергетическим ячейкам). По принципу Паули, в атоме не может быть двух и более электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел. Так как АО характеризуется тремя квантовыми числами «n, l, m_l», то на ней могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Причем, по правилу Гунда, при данном значении l - электроны располагаются так, что суммарное спиновое число их ∑m_s максимально, т. е. орбитали в пределах данного подуровня заполняются сначала по одному электрону в квантовой ячейке, а затем по мере заполнения орбиталей – по второму электрону с противоположным спином.

₂₅Mn

s p d f

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑↓

↑

↑

↑

↑

↑

↑↓

В нормальном, невозбужденном состоянии на d – подуровне атома марганца имеется 5 неспаренных электронов, при возбуждении атома один из s – электронов 4 – го уровня переходит на p – подуровень, и число валентных электронов увеличивается до 7. Таким образом, для марганца равновероятными представляются все положительные степени окисления от +1 до +7 (валентности от I до VII). Последний, 25-ый электрон атома марганца поступает на d – орбиталь, следовательно, марганец относится к d – электронному семейству.