Номер 59, страница 259 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.59. Атом элемента имеет равное число заполненных и наполовину заполненных орбиталей. Определите элемент. Если решений несколько, выберите элемент с наибольшим порядковым номером.

Решение

В задаче требуется найти элемент, у атома которого в основном состоянии число полностью заполненных электронных орбиталей равно числу наполовину заполненных орбиталей. Заполненная орбиталь содержит два электрона, наполовину заполненная — один.

Обозначим число заполненных орбиталей как $N_f$, а число наполовину заполненных орбиталей — как $N_h$. По условию, должно выполняться равенство $N_f = N_h$.

Проанализируем электронные конфигурации атомов элементов по периодам, подсчитывая для каждого $N_f$ и $N_h$.

• H (Z=1): конфигурация $1s^1$.
  $N_f = 0$, $N_h = 1$. Условие не выполнено.
• He (Z=2): конфигурация $1s^2$.
  $N_f = 1$, $N_h = 0$. Условие не выполнено.
• Li (Z=3): конфигурация $1s^2 2s^1$.
  Заполнена одна $1s$-орбиталь, наполовину заполнена одна $2s$-орбиталь.
  $N_f = 1$, $N_h = 1$. Условие $N_f = N_h$ выполнено. Литий — первое решение.
• Be (Z=4): конфигурация $1s^2 2s^2$.
  $N_f = 2$, $N_h = 0$. Условие не выполнено.
• B (Z=5): конфигурация $1s^2 2s^2 2p^1$.
  Заполнены орбитали $1s$ и $2s$, наполовину заполнена одна $2p$-орбиталь.
  $N_f = 2$, $N_h = 1$. Условие не выполнено.
• C (Z=6): конфигурация $1s^2 2s^2 2p^2$.
  Заполнены орбитали $1s$ и $2s$. Согласно правилу Хунда, два электрона на $2p$-подуровне занимают две разные орбитали.
  $N_f = 2$, $N_h = 2$. Условие $N_f = N_h$ выполнено. Углерод — второе решение.
• N (Z=7): конфигурация $1s^2 2s^2 2p^3$.
  $N_f = 2$, $N_h = 3$. Условие не выполнено.
• O (Z=8): конфигурация $1s^2 2s^2 2p^4$.
  Заполнены $1s$, $2s$ и одна $2p$-орбиталь. Две $2p$-орбитали наполовину заполнены.
  $N_f = 3$, $N_h = 2$. Условие не выполнено.

При дальнейшем увеличении порядкового номера элемента число заполненных орбиталей ($N_f$) во внутренних электронных слоях (остове) начинает значительно превышать число наполовину заполненных орбиталей ($N_h$), которые могут существовать только на внешнем, не до конца заполненном, энергетическом уровне. Максимальное число наполовину заполненных орбиталей ограничено (например, 7 для $f$-подуровня), в то время как число заполненных орбиталей неограниченно растет с ростом $Z$. Поэтому для элементов с большим порядковым номером равенство $N_f = N_h$ в основном состоянии невозможно.

Таким образом, мы нашли два элемента, удовлетворяющих условию: литий (Li, Z=3) и углерод (C, Z=6).

В задаче сказано: "Если решений несколько, выберите элемент с наибольшим порядковым номером".

Сравнивая порядковые номера найденных элементов (3 для лития и 6 для углерода), выбираем тот, у которого он больше.

Ответ: Углерод (C).