Страница 261 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

10.79. Сколько элементов 4-го периода не имеют неспаренных электронов? Назовите все эти элементы и запишите их электронные конфигурации.

Решение

Атом не имеет неспаренных электронов, если все его электронные подоболочки полностью заполнены. Это означает, что на s-подуровне должно быть 2 электрона, на p-подуровне — 6 электронов, а на d-подуровне — 10 электронов.

Рассмотрим последовательно элементы 4-го периода периодической системы, который начинается с калия (K, Z=19) и заканчивается криптоном (Kr, Z=36).

1. s-элементы:

• Калий (K, Z=19) имеет электронную конфигурацию [Ar]$4s^1$. У него есть один неспаренный электрон на 4s-орбитали.
• Кальций (Ca, Z=20) имеет конфигурацию [Ar]$4s^2$. 4s-подуровень полностью заполнен, поэтому кальций не имеет неспаренных электронов.

2. d-элементы:

• Элементы от скандия (Sc) до никеля (Ni), а также хром (Cr) и марганец (Mn), имеют частично заполненный 3d-подуровень и, следовательно, обладают неспаренными электронами.
• Медь (Cu, Z=29) имеет электронную конфигурацию [Ar]$3d^{10}4s^1$ (из-за "провала" электрона). Несмотря на полностью заполненный 3d-подуровень, у меди есть один неспаренный электрон на 4s-орбитали.
• Цинк (Zn, Z=30) имеет конфигурацию [Ar]$3d^{10}4s^2$. У него полностью заполнены как 3d-, так и 4s-подуровни. Следовательно, цинк не имеет неспаренных электронов.

3. p-элементы:

• Элементы от галлия (Ga) до брома (Br) имеют частично заполненный 4p-подуровень (от $4p^1$ до $4p^5$), что означает наличие у них неспаренных электронов.
• Криптон (Kr, Z=36) имеет конфигурацию [Ar]$3d^{10}4s^24p^6$. У него полностью заполнены 4s-, 3d- и 4p-подуровни. Таким образом, криптон не имеет неспаренных электронов.

Итак, в 4-м периоде три элемента не имеют неспаренных электронов: кальций, цинк и криптон.

Ответ: В 4-м периоде 3 элемента не имеют неспаренных электронов. Это кальций (Ca), цинк (Zn) и криптон (Kr). Их полные электронные конфигурации:

• Ca (Z=20): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$
• Zn (Z=30): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2$
• Kr (Z=36): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6$

10.80. Сколько элементов 4-го периода имеют один неспаренный электрон? Назовите все эти элементы и запишите их электронные конфигурации.

Чтобы определить, какие элементы 4-го периода имеют один неспаренный электрон, необходимо проанализировать их электронные конфигурации в основном (невозбужденном) состоянии. Элементы 4-го периода начинаются с калия (K, Z=19) и заканчиваются криптоном (Kr, Z=36). Заполнение электронами происходит на 4s, 3d и 4p подуровнях.

Ниже перечислены элементы 4-го периода, которые имеют ровно один неспаренный электрон, с объяснением и их электронными конфигурациями.

1. Калий (K)

Калий имеет порядковый номер 19. Являясь щелочным металлом, он имеет один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне.

Полная электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^1$.

Сокращенная конфигурация: [Ar]$4s^1$.

Единственный электрон на 4s-орбитали является неспаренным.

2. Скандий (Sc)

Скандий имеет порядковый номер 21. Это первый переходный металл 4-го периода. Его конфигурация включает полностью заполненную 4s-орбиталь и один электрон на 3d-подуровне.

Полная электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^14s^2$.

Сокращенная конфигурация: [Ar]$3d^14s^2$.

Электроны на 4s-орбитали спарены, а единственный электрон на 3d-подуровне является неспаренным.

3. Медь (Cu)

Медь имеет порядковый номер 29. Для атома меди характерен "провал" электрона: один электрон с 4s-подуровня переходит на 3d-подуровень для достижения более стабильной, полностью заполненной 3d-оболочки.

Полная электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^1$.

Сокращенная конфигурация: [Ar]$3d^{10}4s^1$.

В этой конфигурации все орбитали 3d-подуровня заполнены (10 электронов), а на 4s-подуровне находится один неспаренный электрон.

4. Галлий (Ga)

Галлий имеет порядковый номер 31. У этого элемента начинается заполнение 4p-подуровня после полного заполнения 4s- и 3d-подуровней.

Полная электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^24p^1$.

Сокращенная конфигурация: [Ar]$3d^{10}4s^24p^1$.

Единственный электрон на 4p-подуровне является неспаренным.

5. Бром (Br)

Бром имеет порядковый номер 35. Это галоген, у которого на внешнем 4p-подуровне находится 5 электронов. Согласно правилу Хунда, три p-орбитали заполняются следующим образом: две орбитали содержат по паре электронов, а третья — один неспаренный электрон.

Полная электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^24p^5$.

Сокращенная конфигурация: [Ar]$3d^{10}4s^24p^5$.

Из пяти электронов на 4p-подуровне четыре спарены, а один остается неспаренным.

Ответ:

Всего 5 элементов 4-го периода имеют один неспаренный электрон: калий (K), скандий (Sc), медь (Cu), галлий (Ga) и бром (Br).

Их электронные конфигурации:

• Калий (K): $1s^22s^22p^63s^23p^64s^1$
• Скандий (Sc): $1s^22s^22p^63s^23p^63d^14s^2$
• Медь (Cu): $1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^1$
• Галлий (Ga): $1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^24p^1$
• Бром (Br): $1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^24p^5$

10.81. Какой элемент 4-го периода имеет наибольшее число неспаренных электронов? Напишите его электронную конфигурацию.

Решение

Элементы 4-го периода заполняют электронами 4s-, 3d- и 4p-подуровни. Число неспаренных электронов определяется заполнением этих подуровней в соответствии с правилом Хунда, согласно которому в пределах одного подуровня электроны сначала занимают свободные орбитали по одному, и только после этого начинают образовывать пары.

Рассмотрим последовательное заполнение электронных оболочек у элементов 4-го периода:

• У s-элементов калия (K) и кальция (Ca) заполняется 4s-подуровень. Калий ($4s^1$) имеет 1 неспаренный электрон, кальций ($4s^2$) не имеет неспаренных электронов.

• У d-элементов (от скандия Sc до цинка Zn) заполняется 3d-подуровень, который состоит из 5 орбиталей. Максимально возможное число неспаренных электронов на d-подуровне равно 5 (конфигурация $d^5$).

• У p-элементов (от галлия Ga до криптона Kr) заполняется 4p-подуровень, который состоит из 3 орбиталей. Максимальное число неспаренных электронов на p-подуровне равно 3 (конфигурация $p^3$).

Наибольшее число неспаренных электронов следует ожидать у d-элементов в середине ряда. Проанализируем электронные конфигурации d-элементов 4-го периода:

• V (Ванадий, Z=23): $[Ar] 3d^3 4s^2$. 3 неспаренных электрона.

• Cr (Хром, Z=24): Для хрома характерен "провал" или "проскок" электрона с 4s- на 3d-подуровень, так как наполовину заполненный d-подуровень является энергетически более выгодным. Поэтому его конфигурация не $[Ar] 3d^4 4s^2$, а $[Ar] 3d^5 4s^1$. В этом случае атом хрома имеет 5 неспаренных электронов на 3d-подуровне и 1 неспаренный электрон на 4s-подуровне. Суммарно это дает 6 неспаренных электронов.

• Mn (Марганец, Z=25): $[Ar] 3d^5 4s^2$. 5 неспаренных электронов на 3d-подуровне.

У последующих элементов (Fe, Co, Ni) число неспаренных электронов уменьшается, так как электроны начинают спариваться на 3d-орбиталях. У меди (Cu) также наблюдается "провал" электрона, приводящий к конфигурации $[Ar] 3d^{10} 4s^1$, что дает только 1 неспаренный электрон. У p-элементов максимальное число неспаренных электронов у мышьяка (As) – 3.

Сравнивая все элементы 4-го периода, мы видим, что наибольшее число неспаренных электронов (6) имеет хром (Cr).

Электронная конфигурация хрома (Cr, порядковый номер 24):

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$

Или в сокращенном виде:

$[Ar] 3d^5 4s^1$

Ответ: Элемент с наибольшим числом неспаренных электронов в 4-м периоде – хром (Cr). Его электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$.

10.82. Атом металла содержит 2х s-электронов, Зх р-электронов и 2х d-электронов. Найдите число х, определите металл и запишите его полную электронную конфигурацию.

Дано:

Атом металла содержит:

Число s-электронов: $N_s = 2x$

Число p-электронов: $N_p = 3x$

Число d-электронов: $N_d = 2x$

Найти:

1. Число $x$

2. Металл

3. Полную электронную конфигурацию металла

Решение:

Общее число электронов в атоме, которое равно его порядковому номеру $Z$ в Периодической системе, определяется суммой всех электронов:

$Z = N_s + N_p + N_d = 2x + 3x + 2x = 7x$

Поскольку количество электронов на подуровнях должно быть целым числом, то и коэффициент $x$ должен быть целым числом. Будем перебирать возможные целочисленные значения $x$ и проверять, приводит ли это к существующей электронной конфигурации элемента.

Электронные оболочки атома заполняются в соответствии с правилом Клечковского (принципом наименьшей энергии) в следующем порядке: $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, \dots$

Проверим поочередно значения $x=1, 2, 3, \dots$

• При $x=1$:

  $N_s = 2 \cdot 1 = 2$

  $N_p = 3 \cdot 1 = 3$

  $N_d = 2 \cdot 1 = 2$

  Конфигурация начинается с $1s^2$ (2 s-электрона). Далее должен заполняться $2s$-подуровень, но s-электронов больше нет. Конфигурация $1s^2 2p^3$ невозможна, так как $2s$-подуровень пуст. Следовательно, $x \neq 1$.

• При $x=2$:

  $N_s = 2 \cdot 2 = 4$

  $N_p = 3 \cdot 2 = 6$

  $N_d = 2 \cdot 2 = 4$

  Заполняем s-подуровни: $1s^2 2s^2$ ($N_s = 4$). Затем p-подуровни: $2p^6$ ($N_p=6$). Получается конфигурация $1s^2 2s^2 2p^6$. В ней 4 s-электрона и 6 p-электронов, но 0 d-электронов, что противоречит условию ($N_d = 4$). Следовательно, $x \neq 2$.

• При $x=3$:

  $N_s = 2 \cdot 3 = 6$

  $N_p = 3 \cdot 3 = 9$

  $N_d = 2 \cdot 3 = 6$

  Заполняем подуровни: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$. В этой конфигурации число s-электронов ($1s^2, 2s^2, 3s^2$) равно $2+2+2=6$, а число p-электронов ($2p^6, 3p^3$) равно $6+3=9$. Условия по s- и p-электронам выполняются. Однако d-электронов в данной конфигурации нет ($N_d = 0$), что противоречит условию ($N_d = 6$). Следовательно, $x \neq 3$.

• При $x=4$:

  $N_s = 2 \cdot 4 = 8$

  $N_p = 3 \cdot 4 = 12$

  $N_d = 2 \cdot 4 = 8$

  Начнем строить электронную конфигурацию:

  $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 \dots$

  На данный момент мы имеем:

  s-электронов: $1s^2, 2s^2, 3s^2 \rightarrow 2+2+2=6$. Нужно 8.

  p-электронов: $2p^6, 3p^6 \rightarrow 6+6=12$. Условие выполнено.

  Продолжаем заполнение: следующим по энергии идет $4s$-подуровень.

  $...3p^6 4s^2 \dots$

  Теперь s-электронов: $1s^2, 2s^2, 3s^2, 4s^2 \rightarrow 2+2+2+2=8$. Условие выполнено.

  Далее заполняется $3d$-подуровень. Нам необходимо 8 d-электронов.

  $...4s^2 3d^8$

  Теперь d-электронов: $3d^8 \rightarrow 8$. Условие выполнено.

  Таким образом, полная электронная конфигурация имеет вид: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^8$.

  Все условия задачи выполняются при $x=4$.

  Теперь определим металл. Его порядковый номер $Z$ равен общему числу электронов:

  $Z = 7x = 7 \cdot 4 = 28$.

  Элемент с порядковым номером 28 — это никель (Ni). Никель является d-элементом (переходным металлом), что соответствует условию задачи.

Ответ:

Число $x=4$. Искомый металл — никель (Ni). Его полная электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^8$.

10.83. Атом неизвестного элемента имеет х d-электронов, 4х s-электронов и 6х р-электронов. Найдите х и определите элемент.

Дано:

Количество d-электронов = $x$
Количество s-электронов = $4x$
Количество p-электронов = $6x$

Найти:

$x$ - ?
Неизвестный элемент - ?

Решение:

Общее число электронов в атоме равно сумме всех его электронов на s-, p- и d-подуровнях. Для нейтрального атома общее число электронов совпадает с его порядковым номером ($Z$) в Периодической системе химических элементов.

Вычислим общее число электронов, выраженное через переменную $x$:
$Z = (\text{число } d\text{-электронов}) + (\text{число } s\text{-электронов}) + (\text{число } p\text{-электронов})$
$Z = x + 4x + 6x = 11x$

Таким образом, порядковый номер искомого элемента кратен 11. Нам необходимо найти такое целое положительное число $x$, для которого у элемента с порядковым номером $Z = 11x$ будет ровно $x$ d-электронов, $4x$ s-электронов и $6x$ p-электронов. Проверим возможные значения $x$ методом подбора.

1. Пусть $x = 1$.
Тогда общее число электронов $Z = 11 \cdot 1 = 11$. Элемент с порядковым номером 11 — это натрий (Na).
Запишем его электронную конфигурацию: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$.
Теперь посчитаем количество электронов каждого типа:
- Число s-электронов: $2+2+1=5$. По условию задачи должно быть $4x = 4 \cdot 1 = 4$. Условие не выполняется.
- Число p-электронов: $6$. По условию должно быть $6x = 6 \cdot 1 = 6$. Условие выполняется.
- Число d-электронов: $0$. По условию должно быть $x = 1$. Условие не выполняется.
Следовательно, значение $x=1$ не подходит.

2. Пусть $x = 2$.
Тогда общее число электронов $Z = 11 \cdot 2 = 22$. Элемент с порядковым номером 22 — это титан (Ti).
Запишем его электронную конфигурацию: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^2$.
Посчитаем количество электронов каждого типа:
- Число s-электронов: $2(1s) + 2(2s) + 2(3s) + 2(4s) = 8$. По условию задачи должно быть $4x = 4 \cdot 2 = 8$. Условие выполняется.
- Число p-электронов: $6(2p) + 6(3p) = 12$. По условию должно быть $6x = 6 \cdot 2 = 12$. Условие выполняется.
- Число d-электронов: $2(3d)$. По условию должно быть $x = 2$. Условие выполняется.
Все условия задачи соблюдены.

3. Для полноты картины проверим $x = 3$.
Тогда общее число электронов $Z = 11 \cdot 3 = 33$. Элемент с порядковым номером 33 — это мышьяк (As).
Его электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^3$.
- Число s-электронов: $2+2+2+2=8$. По условию должно быть $4x = 4 \cdot 3 = 12$. Условие не выполняется.
Следовательно, дальнейшие значения $x$ также не будут подходить.

Ответ: $x = 2$, неизвестный элемент — титан (Ti).

10.84. Приведите электронную конфигурацию иона ${\mathit{X}}^{+}$, в котором общее число протонов, нейтронов и электронов равно 91, при этом число нейтронов на 5 больше числа протонов.

Дано:

Ион $X^+$

Общее число протонов, нейтронов и электронов в ионе = $91$

Число нейтронов ($n$) на 5 больше числа протонов ($p$): $n = p + 5$

Найти:

Электронную конфигурацию иона $X^+$

Решение:

Обозначим число протонов как $p$, число нейтронов как $n$ и число электронов в ионе $X^+$ как $e$.

Из условия задачи мы можем составить систему уравнений. Первое уравнение основано на общем числе частиц:

$p + n + e = 91$

Второе уравнение описывает соотношение между нейтронами и протонами:

$n = p + 5$

Ион $X^+$ имеет положительный заряд +1, что означает, что он образовался из нейтрального атома $X$ путем потери одного электрона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Следовательно, в ионе $X^+$ число электронов на единицу меньше, чем число протонов:

$e = p - 1$

Теперь подставим выражения для $n$ и $e$ в первое уравнение, чтобы выразить все через одну переменную $p$:

$p + (p + 5) + (p - 1) = 91$

Решим полученное уравнение:

$3p + 4 = 91$

$3p = 91 - 4$

$3p = 87$

$p = \frac{87}{3} = 29$

Итак, число протонов в ядре атома X равно 29. Порядковый номер элемента в Периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов. Элемент с порядковым номером 29 — это медь (Cu). Значит, ион $X^+$ — это ион меди $Cu^+$.

Теперь определим электронную конфигурацию иона $Cu^+$. Сначала запишем конфигурацию нейтрального атома меди ($_{29}Cu$). Атом меди имеет особенность, известную как "провал электрона": один электрон с $4s$-подуровня переходит на $3d$-подуровень для создания более стабильной, полностью заполненной $3d$-оболочки.

Электронная конфигурация нейтрального атома меди $Cu$:

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1$

Ион $Cu^+$ образуется при потере одного электрона. Электрон всегда удаляется с внешнего энергетического уровня, то есть с орбитали с наибольшим главным квантовым числом. В данном случае это $4s$-орбиталь.

Удаляя один электрон с $4s$-подуровня, мы получаем электронную конфигурацию иона $Cu^+$:

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10}$

Ответ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10}$

10.85. В изотопе элемента X с массовым числом 46 число нейтронов на 2 больше числа протонов. Напишите электронную конфигурацию иона ${\mathit{X}}^{3+}$

Дано:

Изотоп элемента X

Массовое число $A = 46$

Число нейтронов $N$ на 2 больше числа протонов $Z$ ($N = Z + 2$)

Найти:

Электронную конфигурацию иона $X^{3+}$

Решение:

1. Определение химического элемента X.
Массовое число $A$ представляет собой сумму числа протонов $Z$ (которое также является порядковым номером элемента) и числа нейтронов $N$ в ядре атома.
$A = Z + N$
Используя данные из условия, мы можем составить систему из двух уравнений:
1) $A = 46$
2) $N = Z + 2$
Подставим эти значения в формулу для массового числа:
$46 = Z + (Z + 2)$
$46 = 2Z + 2$
$2Z = 46 - 2$
$2Z = 44$
$Z = 22$
Таким образом, порядковый номер элемента X равен 22. В периодической таблице химических элементов под номером 22 находится титан (Ti). Следовательно, X - это титан.

2. Написание электронной конфигурации нейтрального атома титана (Ti).
Нейтральный атом титана имеет 22 протона в ядре и 22 электрона на электронных оболочках. Распределение этих электронов по орбиталям (электронная конфигурация) выглядит следующим образом:
$1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^2$
Сокращенная форма записи с использованием конфигурации благородного газа аргона ([Ar]):
$[Ar]4s^23d^2$

3. Написание электронной конфигурации иона $X^{3+}$ (т.е. $Ti^{3+}$).
Ион $Ti^{3+}$ образуется, когда нейтральный атом титана теряет три электрона. У переходных металлов, к которым относится титан, электроны при ионизации удаляются в первую очередь с внешнего энергетического уровня (имеющего наибольшее главное квантовое число $n$), а затем с предвнешнего.
Для титана ($[Ar]4s^23d^2$) сначала уходят два электрона с $4s$-подуровня, а затем один электрон с $3d$-подуровня.
$Ti ([Ar]4s^23d^2) - 2e^- (с \ 4s) - 1e^- (с \ 3d) \rightarrow Ti^{3+} ([Ar]3d^1)$
Таким образом, полная электронная конфигурация иона $Ti^{3+}$ будет:
$1s^22s^22p^63s^23p^63d^1$

Ответ: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^1$.

10.86. Бинарное соединение X образовано ионами с одинаковой электронной конфигурацией. Число протонов в этом соединении равно числу нейтронов. Какова формула X?

Обозначим бинарное соединение X как $A_x B_y$, где A — элемент, образующий катион, а B — элемент, образующий анион.

Решение

В задаче даны два основных условия:

1. Ионы, образующие соединение, имеют одинаковую электронную конфигурацию (изоэлектронны).
2. Общее число протонов в соединении равно общему числу нейтронов.

Рассмотрим второе условие. Число протонов в атоме определяется его порядковым номером ($Z$), а число нейтронов ($N$) можно найти как разность между массовым числом ($A$) и числом протонов ($N = A - Z$). Для соединения $A_x B_y$ условие равенства общего числа протонов и нейтронов можно записать как:
$x \cdot Z_A + y \cdot Z_B = x \cdot N_A + y \cdot N_B$

Здесь и далее мы будем рассматривать наиболее распространенные (стабильные) изотопы элементов.

Уравнение можно преобразовать:
$x \cdot (Z_A - N_A) + y \cdot (Z_B - N_B) = 0$

Это равенство заведомо выполняется, если для каждого из элементов, входящих в состав соединения, число протонов в ядре равно числу нейтронов, то есть $Z_A = N_A$ и $Z_B = N_B$. В этом случае массовое число $A = 2Z$.

Найдем элементы, для наиболее распространенных изотопов которых выполняется это условие:

• $^{4}_{2}He$ ($Z=2, N=2$)
• $^{12}_{6}C$ ($Z=6, N=6$)
• $^{14}_{7}N$ ($Z=7, N=7$)
• $^{16}_{8}O$ ($Z=8, N=8$)
• $^{24}_{12}Mg$ ($Z=12, N=12$)
• $^{28}_{14}Si$ ($Z=14, N=14$)
• $^{32}_{16}S$ ($Z=16, N=16$)
• $^{40}_{20}Ca$ ($Z=20, N=20$)

Теперь воспользуемся первым условием: ионы должны быть изоэлектронны. Соединение X является ионным, следовательно, оно образовано металлом и неметаллом.

Выберем из списка один металл и один неметалл, ионы которых могут иметь одинаковую электронную конфигурацию.

Рассмотрим пару магний ($Mg$, металл) и кислород ($O$, неметалл).

• Атом магния ($Z=12$) образует катион $Mg^{2+}$, отдавая 2 электрона. Электронная конфигурация иона $Mg^{2+}$: $1s^2 2s^2 2p^6$. Всего 10 электронов (конфигурация неона).
• Атом кислорода ($Z=8$) образует анион $O^{2-}$, принимая 2 электрона. Электронная конфигурация иона $O^{2-}$: $1s^2 2s^2 2p^6$. Всего 10 электронов (конфигурация неона).

Ионы $Mg^{2+}$ и $O^{2-}$ изоэлектронны, значит, первое условие выполняется.

Эти ионы образуют соединение с формулой MgO (оксид магния).

Проверим для MgO выполнение второго условия. Используем наиболее распространенные изотопы: $^{24}Mg$ и $^{16}O$.

• Для $^{24}Mg$: число протонов $Z_{Mg} = 12$, число нейтронов $N_{Mg} = 24 - 12 = 12$.
• Для $^{16}O$: число протонов $Z_O = 8$, число нейтронов $N_O = 16 - 8 = 8$.

Суммарное число протонов в MgO:
$P_{общ} = Z_{Mg} + Z_O = 12 + 8 = 20$.

Суммарное число нейтронов в MgO:
$N_{общ} = N_{Mg} + N_O = 12 + 8 = 20$.

$P_{общ} = N_{общ}$, следовательно, второе условие также выполняется.

Таким образом, бинарное соединение X — это оксид магния.

Ответ: Формула соединения X — MgO.

10.87. Запишите электронные конфигурации атома Cu и иона ${\mathrm{Cu}}^{2+}$ в основном состоянии. Определите магнитные свойства этого иона (является ли он диамагнитным или парамагнитным). Приведите пример иона переходного металла с отличными от ${\mathrm{Cu}}^{2+}$ магнитными свойствами.

Решение

Запишите электронные конфигурации атома Cu и иона Cu²⁺ в основном состоянии
Атом меди (Cu) имеет порядковый номер 29 в периодической системе. Его электронная конфигурация является исключением из общего правила заполнения орбиталей (правила Клечковского). Для достижения более стабильного состояния, характеризующегося полностью заполненным d-подуровнем, один электрон с 4s-орбитали «проваливается» на 3d-орбиталь. Таким образом, электронная формула атома меди:
$Cu: 1s^22s^22p^63s^23p^63d^{10}4s^1$ или в сокращенном виде $ [Ar] 3d^{10}4s^1 $.
При образовании катиона $Cu^{2+}$ атом меди последовательно теряет два электрона. В первую очередь уходит электрон с внешнего энергетического уровня, то есть с 4s-подуровня. Второй электрон уходит с предвнешнего 3d-подуровня. Электронная формула иона меди(II):
$Cu^{2+}: 1s^22s^22p^63s^23p^63d^9$ или в сокращенном виде $ [Ar] 3d^9 $.
Ответ: Электронная конфигурация атома $Cu$ в основном состоянии: $ [Ar] 3d^{10}4s^1 $. Электронная конфигурация иона $Cu^{2+}$: $ [Ar] 3d^9 $.

Определите магнитные свойства этого иона (является ли он диамагнитным или парамагнитным)
Магнитные свойства вещества зависят от наличия неспаренных электронов в его атомах, ионах или молекулах. Парамагнитные вещества содержат неспаренные электроны и втягиваются в магнитное поле. Диамагнитные вещества не имеют неспаренных электронов (все электроны спарены) и слабо выталкиваются из магнитного поля.
Рассмотрим электронную конфигурацию иона $Cu^{2+}$: $ [Ar] 3d^9 $. На 3d-подуровне, который может вместить до 10 электронов на 5 орбиталях, находится 9 электронов. При их распределении по орбиталям согласно правилу Хунда, четыре орбитали будут содержать по два спаренных электрона, а на пятой останется один неспаренный электрон. Наличие этого неспаренного электрона определяет парамагнитные свойства иона меди(II).
Ответ: Ион $Cu^{2+}$ является парамагнитным.

Приведите пример иона переходного металла с отличными от Cu²⁺ магнитными свойствами
Ион $Cu^{2+}$ является парамагнетиком. Следовательно, ион с отличными магнитными свойствами должен быть диамагнетиком, то есть не содержать неспаренных электронов. В качестве примера можно рассмотреть ион цинка $Zn^{2+}$.
Атом цинка ($Zn$, порядковый номер 30) имеет электронную конфигурацию $ [Ar] 3d^{10}4s^2 $. При образовании иона $Zn^{2+}$ атом цинка отдает два электрона с внешней 4s-орбитали. Электронная конфигурация иона $Zn^{2+}$ становится $ [Ar] 3d^{10} $. В этом ионе 3d-подуровень полностью завершен, все 10 электронов на нем спарены. Отсутствие неспаренных электронов означает, что ион $Zn^{2+}$ является диамагнетиком.
Ответ: Примером иона переходного металла с отличными (диамагнитными) свойствами является ион цинка $Zn^{2+}$.

10.88. Найдите возможные квантовые числа n, I, ${\mathrm{m}}_{\mathrm{l}}$ для неспаренного электрона атомов: а) Вr; б) Си; в) Fe.

Чтобы найти возможные квантовые числа ($n$, $l$, $m_l$) для неспаренного электрона, необходимо сначала определить электронную конфигурацию атома и найти, на каких орбиталях находятся неспаренные электроны. Квантовые числа определяются следующим образом:

• Главное квантовое число $n$ соответствует номеру энергетического уровня, на котором находится электрон.
• Орбитальное (азимутальное) квантовое число $l$ определяет форму орбитали (подуровень) и принимает значения от $0$ до $n-1$. Значению $l=0$ соответствует s-орбиталь, $l=1$ — p-орбиталь, $l=2$ — d-орбиталь.
• Магнитное квантовое число $m_l$ определяет ориентацию орбитали в пространстве и принимает целые значения от $-l$ до $+l$, включая $0$.

Найти: Возможные квантовые числа $n, l, m_l$ для неспаренного электрона атома брома (Br).

Решение:

1. Атомный номер брома (Br) в Периодической системе равен $Z=35$. Следовательно, нейтральный атом брома содержит 35 электронов.

2. Запишем электронную конфигурацию атома брома, распределяя электроны по орбиталям:

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^5$

3. Неспаренные электроны могут находиться только на последнем, не до конца заполненном подуровне. В данном случае это $4p$-подуровень, на котором находится 5 электронов.

4. p-подуровень ($l=1$) состоит из трех орбиталей, для которых магнитное квантовое число $m_l$ принимает значения $-1, 0, +1$. Согласно правилу Хунда, 5 электронов на $4p$-подуровне распределяются следующим образом: сначала по одному электрону занимают каждую из трех орбиталей, а затем оставшиеся два электрона спариваются с первыми двумя. Графически это выглядит так:

$4p$: ↑↓↑↓↑
$m_l=-1$$m_l=0$$m_l=+1$

Таким образом, в атоме брома имеется один неспаренный электрон.

5. Определим квантовые числа для этого неспаренного электрона:

• Он находится на четвертом энергетическом уровне, следовательно, главное квантовое число $n=4$.
• Он находится на p-подуровне, следовательно, орбитальное квантовое число $l=1$.
• Он занимает одну из трех p-орбиталей. Так как в отсутствие внешнего магнитного поля эти орбитали имеют одинаковую энергию, неспаренный электрон может находиться в любой из них. Поэтому магнитное квантовое число $m_l$ может принимать любое из трех возможных значений: $-1, 0$ или $+1$.

Ответ: Для неспаренного электрона в атоме брома квантовые числа следующие: $n=4$, $l=1$, а $m_l$ может принимать одно из значений: $-1, 0$ или $+1$.

Найти: Возможные квантовые числа $n, l, m_l$ для неспаренного электрона атома меди (Cu).

Решение:

1. Атомный номер меди (Cu) равен $Z=29$. Атом содержит 29 электронов.

2. Атом меди является исключением из общего правила заполнения орбиталей (так называемый "проскок" или "провал" электрона). Для достижения более устойчивого состояния один электрон с $4s$-подуровня переходит на $3d$-подуровень. Таким образом, электронная конфигурация меди:

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1 3d^{10}$

Ожидаемая конфигурация $...4s^2 3d^9$ является менее стабильной, чем конфигурация с полностью заполненным $3d$-подуровнем ($3d^{10}$) и наполовину заполненным $4s$-подуровнем ($4s^1$).

3. В этой конфигурации $3d$-подуровень полностью заполнен (10 электронов), а на $4s$-подуровне находится один электрон. Этот электрон является неспаренным.

4. Определим квантовые числа для этого неспаренного электрона:

• Он находится на четвертом энергетическом уровне ($4s^1$), следовательно, $n=4$.
• Он находится на s-подуровне, следовательно, $l=0$.
• Для s-подуровня ($l=0$) магнитное квантовое число $m_l$ может иметь только одно значение: $m_l=0$.

Ответ: Для неспаренного электрона в атоме меди набор квантовых чисел: $n=4, l=0, m_l=0$.

Найти: Возможные квантовые числа $n, l, m_l$ для неспаренного электрона атома железа (Fe).

Решение:

1. Атомный номер железа (Fe) равен $Z=26$. Атом содержит 26 электронов.

2. Электронная конфигурация атома железа:

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$

3. Внешний $4s$-подуровень полностью заполнен. Неспаренные электроны находятся на $3d$-подуровне, который содержит 6 электронов.

4. d-подуровень ($l=2$) состоит из пяти орбиталей, для которых $m_l$ принимает значения $-2, -1, 0, +1, +2$. Согласно правилу Хунда, 6 электронов на $3d$-подуровне распределяются следующим образом: сначала по одному электрону занимают каждую из пяти орбиталей, а шестой электрон спаривается с первым. Графически:

$3d$: ↑↓↑↑↑↑
$m_l=-2$$m_l=-1$$m_l=0$$m_l=+1$$m_l=+2$

В атоме железа имеется четыре неспаренных электрона.

5. Вопрос ставится о квантовых числах для "неспаренного электрона" (в единственном числе), что подразумевает нахождение возможных наборов квантовых чисел для любого из этих четырех электронов. Все они находятся на $3d$-подуровне, поэтому у них одинаковые $n$ и $l$:

• Главное квантовое число $n=3$.
• Орбитальное квантовое число $l=2$.

Они различаются магнитными квантовыми числами $m_l$. Согласно приведенной схеме, неспаренные электроны занимают орбитали со значениями $m_l$ от $-1$ до $+2$. Таким образом, возможны четыре набора квантовых чисел.

Ответ: В атоме железа четыре неспаренных электрона. Возможные наборы квантовых чисел ($n, l, m_l$) для них:

• ($n=3, l=2, m_l=-1$)
• ($n=3, l=2, m_l=0$)
• ($n=3, l=2, m_l=+1$)
• ($n=3, l=2, m_l=+2$)

10.89. Найдите сумму квантовых чисел n, I, ${\mathrm{m}}_{\mathrm{l}}$ для всех валентных электронов атома: а) Н; б) Be; в) Р; а) Cr.

Дано:

Атомы химических элементов:

а) Водород (H)

б) Бериллий (Be)

в) Фосфор (P)

г) Хром (Cr)

Найти:

Для каждого атома найти сумму квантовых чисел $n$, $l$, $m_l$ для всех его валентных электронов.

Решение:

Для решения задачи необходимо для каждого атома выполнить следующие шаги:

1. Определить его электронную конфигурацию.

2. Установить, какие электроны являются валентными. Валентными электронами являются электроны внешнего электронного слоя. Для переходных d-элементов к валентным также относят электроны d-подуровня предвнешнего слоя.

3. Для каждого валентного электрона определить значения квантовых чисел: главного ($n$), орбитального ($l$) и магнитного ($m_l$).

4. Вычислить сумму $n + l + m_l$ для каждого валентного электрона и затем найти общую сумму для всех валентных электронов.

а) H

Атом водорода (H) имеет порядковый номер 1. Его электронная конфигурация $1s^1$.

Единственный электрон является валентным. Он находится на $1s$-орбитали.

Квантовые числа для этого электрона:

$n=1$ (главное квантовое число, первый энергетический уровень)

$l=0$ (орбитальное квантовое число для $s$-подуровня)

$m_l=0$ (магнитное квантовое число, для $l=0$ возможно только значение $m_l=0$)

Сумма квантовых чисел: $S = n + l + m_l = 1 + 0 + 0 = 1$.

Ответ: 1

б) Be

Атом бериллия (Be) имеет порядковый номер 4. Его электронная конфигурация $1s^2 2s^2$.

Валентными являются электроны внешнего (второго) энергетического уровня, то есть два электрона на $2s$-подуровне.

Квантовые числа для обоих $2s$-электронов (за исключением спинового, которое не учитывается в задаче) одинаковы:

$n=2$, $l=0$, $m_l=0$.

Сумма для первого электрона: $S_1 = 2 + 0 + 0 = 2$.

Сумма для второго электрона: $S_2 = 2 + 0 + 0 = 2$.

Общая сумма для валентных электронов: $S_{общ} = S_1 + S_2 = 2 + 2 = 4$.

Ответ: 4

в) P

Атом фосфора (P) имеет порядковый номер 15. Его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$.

Валентные электроны находятся на внешнем (третьем) энергетическом уровне. Это 2 электрона на $3s$-подуровне и 3 электрона на $3p$-подуровне. Всего 5 валентных электронов.

Для двух электронов на $3s$-подуровне квантовые числа: $n=3, l=0, m_l=0$.

Сумма для каждого $3s$-электрона: $3 + 0 + 0 = 3$. Общая сумма для $3s$-электронов: $2 \times 3 = 6$.

Для трех электронов на $3p$-подуровне квантовые числа: $n=3, l=1$. Согласно правилу Хунда, электроны занимают по одному три разные $p$-орбитали, для которых $m_l$ принимает значения $-1, 0, +1$.

Суммы для $3p$-электронов:

Электрон 1 ($m_l=-1$): $3 + 1 + (-1) = 3$.

Электрон 2 ($m_l=0$): $3 + 1 + 0 = 4$.

Электрон 3 ($m_l=+1$): $3 + 1 + 1 = 5$.

Общая сумма для $3p$-электронов: $3 + 4 + 5 = 12$.

Итоговая сумма для всех валентных электронов фосфора: $6 + 12 = 18$.

Ответ: 18

г) Cr

Атом хрома (Cr) имеет порядковый номер 24. Для хрома характерен так называемый "провал электрона" с $4s$- на $3d$-подуровень для достижения более стабильной конфигурации с наполовину заполненным $d$-подуровнем. Его электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$.

Валентными являются один электрон с $4s$-подуровня и пять электронов с $3d$-подуровня. Всего 6 валентных электронов.

Для одного электрона на $4s$-подуровне квантовые числа: $n=4, l=0, m_l=0$.

Сумма: $4 + 0 + 0 = 4$.

Для пяти электронов на $3d$-подуровне квантовые числа: $n=3, l=2$. Электроны занимают по одному пять разных $d$-орбиталей, для которых $m_l$ принимает значения $-2, -1, 0, +1, +2$.

Суммы для $3d$-электронов:

Электрон 1 ($m_l=-2$): $3 + 2 + (-2) = 3$.

Электрон 2 ($m_l=-1$): $3 + 2 + (-1) = 4$.

Электрон 3 ($m_l=0$): $3 + 2 + 0 = 5$.

Электрон 4 ($m_l=+1$): $3 + 2 + 1 = 6$.

Электрон 5 ($m_l=+2$): $3 + 2 + 2 = 7$.

Общая сумма для $3d$-электронов: $3 + 4 + 5 + 6 + 7 = 25$.

Итоговая сумма для всех валентных электронов хрома: $4 + 25 = 29$.

Ответ: 29

10.90. В каком простом веществе массовая доля электронов наибольшая?

Решение

Массовая доля электронов в веществе ($w(e^-)$) — это отношение суммарной массы всех электронов к общей массе вещества. Для простого вещества, состоящего из атомов одного химического элемента, эта доля равна массовой доле электронов в одном атоме этого элемента.

$w(e^-) = \frac{m_{электронов\_в\_атоме}}{m_{атома}}$

Масса всех электронов в одном нейтральном атоме равна произведению числа электронов на массу одного электрона ($m_e$). Число электронов в нейтральном атоме равно его порядковому номеру в таблице Менделеева, или зарядовому числу ($Z$). $m_{электронов\_в\_атоме} = Z \cdot m_e$

Масса атома ($m_{атома}$) складывается из массы ядра и суммарной массы его электронов. Масса ядра, в свою очередь, состоит из масс протонов и нейтронов. Так как масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона, вкладом массы электронов в общую массу атома можно пренебречь для оценки. Тогда масса атома приблизительно равна массе его ядра. Массу ядра можно приблизительно выразить через массовое число $A$ (общее число протонов и нейтронов) и массу одного нуклона ($m_p \approx m_n \approx m_{нуклона}$). $m_{атома} \approx A \cdot m_{нуклона}$

Подставив эти выражения в формулу для массовой доли, получим: $w(e^-) \approx \frac{Z \cdot m_e}{A \cdot m_{нуклона}}$

Так как $m_e$ и $m_{нуклона}$ — это физические константы, то для нахождения вещества с наибольшей массовой долей электронов необходимо найти элемент, у которого будет максимальным отношение зарядового числа к массовому числу, то есть $\frac{Z}{A}$.

Рассмотрим это отношение для различных элементов. Массовое число $A$ равно сумме числа протонов $Z$ и числа нейтронов $N$: $A = Z + N$. Тогда искомое отношение равно $\frac{Z}{Z+N}$. Оно максимально, когда число нейтронов $N$ минимально.

Самый лёгкий элемент — водород. Его основной изотоп, протий ($^1H$), имеет ядро, состоящее только из одного протона, без нейтронов. Для него $Z=1$, $N=0$, $A=1$. Отношение $\frac{Z}{A} = \frac{1}{1} = 1$.

У всех остальных элементов и их изотопов в ядре содержатся нейтроны, поэтому для них $A > Z$ и, следовательно, $\frac{Z}{A} < 1$. Например, для изотопа гелия $^4He$ имеем $Z=2$, $A=4$, и $\frac{Z}{A} = 0.5$. Для углерода $^{12}C$ — $Z=6$, $A=12$, и $\frac{Z}{A} = 0.5$. С увеличением порядкового номера элемента доля нейтронов в стабильных ядрах растет, поэтому отношение $\frac{Z}{A}$ в целом уменьшается. Например, для урана $^{238}U$ оно составляет $\frac{92}{238} \approx 0.387$.

Таким образом, максимальное значение отношения $\frac{Z}{A}$ достигается для протия. Следовательно, простое вещество, состоящее из этого изотопа, — водород — будет иметь наибольшую массовую долю электронов.

Ответ: Наибольшая массовая доля электронов в водороде (в его основном изотопе $^1H$, протии).

10.91. В каком сложном веществе массовая доля электронов наибольшая?

Массовая доля электронов $w_e$ в веществе определяется как отношение суммарной массы всех электронов к общей массе вещества:

Чтобы найти вещество с наибольшей массовой долей электронов, проанализируем, от чего зависит эта величина на атомно-молекулярном уровне.

Рассмотрим отдельную молекулу. Её масса $M_{мол}$ складывается из масс всех частиц: протонов, нейтронов и электронов.

где $Z_{мол}$ — общее число протонов (и электронов) в молекуле, $N_{мол}$ — общее число нейтронов, а $m_p, m_n, m_e$ — массы протона, нейтрона и электрона соответственно.

Суммарная масса электронов в молекуле равна $m_{электронов} = Z_{мол} \cdot m_e$.

Тогда массовая доля электронов:

Поскольку масса протона и нейтрона почти равны ($m_p \approx m_n$) и значительно превышают массу электрона ($m_p \approx 1836 \cdot m_e$), массой электронов в знаменателе можно пренебречь. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в молекуле — это её суммарное массовое число $A_{мол} = Z_{мол} + N_{мол}$.

С учётом этого, выражение для массовой доли электронов можно упростить:

Отношение $\frac{m_e}{m_p}$ является фундаментальной физической константой. Следовательно, чтобы величина $w_e$ была максимальной, необходимо найти вещество с максимальным отношением общего числа электронов к общему числу нуклонов, то есть с максимальным значением дроби $\frac{Z_{мол}}{A_{мол}}$.

Рассмотрим это отношение для разных химических элементов:

• Для самого лёгкого элемента — водорода (точнее, его изотопа протия $^{1}H$), ядро которого состоит из одного протона, $Z=1$ и $A=1$. Для него отношение $\frac{Z}{A} = 1$.
• Для всех остальных элементов (кроме редких экзотических изотопов) число нейтронов в ядре $N$ равно или больше числа протонов $Z$, то есть $N \ge Z$. Их массовое число $A = Z+N \ge 2Z$. Таким образом, для них отношение $\frac{Z}{A} \le \frac{1}{2}$. Например, для основных изотопов лёгких элементов, таких как углерод-$12$ ($^{12}C$), азот-$14$ ($^{14}N$) и кислород-$16$ ($^{16}O$), это отношение в точности равно $\frac{1}{2}$.

Для сложного вещества (химического соединения) итоговое отношение $\frac{Z_{мол}}{A_{мол}}$ будет средним значением по всем атомам, входящим в его состав. Чтобы это среднее было максимальным, вещество должно содержать как можно большую массовую долю элемента с наибольшим индивидуальным отношением $\frac{Z}{A}$, то есть водорода.

Таким образом, задача сводится к поиску сложного вещества с наибольшей массовой долей водорода. Сравним несколько распространённых водородсодержащих соединений:

• Вода ($H_2O$): Молярная масса $M_r \approx 2 \cdot 1 + 16 = 18$ а.е.м. Массовая доля водорода $w(H) = \frac{2}{18} \approx 11.1\%$.
  Для воды $\frac{Z_{мол}}{A_{мол}} = \frac{2 \cdot 1 + 8}{2 \cdot 1 + 16} = \frac{10}{18} \approx 0.556$.
• Аммиак ($NH_3$): Молярная масса $M_r \approx 3 \cdot 1 + 14 = 17$ а.е.м. Массовая доля водорода $w(H) = \frac{3}{17} \approx 17.6\%$.
  Для аммиака $\frac{Z_{мол}}{A_{мол}} = \frac{3 \cdot 1 + 7}{3 \cdot 1 + 14} = \frac{10}{17} \approx 0.588$.
• Метан ($CH_4$): Молярная масса $M_r \approx 4 \cdot 1 + 12 = 16$ а.е.м. Массовая доля водорода $w(H) = \frac{4}{16} = 25\%$.
  Для метана $\frac{Z_{мол}}{A_{мол}} = \frac{4 \cdot 1 + 6}{4 \cdot 1 + 12} = \frac{10}{16} = 0.625$.

Сравнение показывает, что из этих веществ метан имеет как наибольшую массовую долю водорода, так и наибольшее отношение $\frac{Z_{мол}}{A_{мол}}$. Среди других классов органических соединений (например, алканов ряда $C_nH_{2n+2}$) метан ($n=1$) также обладает максимальной массовой долей водорода.

Ответ: Наибольшая массовая доля электронов среди распространённых сложных веществ наблюдается в метане ($CH_4$).

10.92. Дан перечень элементов: Аl, В, N, Р, F. Расположите все элементы в порядке увеличения радиуса атома.

Дано:

Перечень элементов: Al, B, N, P, F.

Найти:

Расположить все элементы в порядке увеличения радиуса атома.

Решение:

Для определения порядка увеличения радиуса атомов воспользуемся периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева и общими закономерностями изменения этого свойства.

1. В пределах одного периода (горизонтальный ряд) с увеличением порядкового номера элемента (слева направо) радиус атома уменьшается. Это связано с тем, что заряд ядра увеличивается, а число электронных слоев остается неизменным, что приводит к более сильному притяжению электронов к ядру.

2. В пределах одной группы (вертикальный столбец) с увеличением порядкового номера элемента (сверху вниз) радиус атома увеличивается. Это происходит из-за увеличения числа электронных слоев.

Расположим данные элементы в соответствии с их положением в периодической системе:

• Элементы 2-го периода: B (бор, группа 13), N (азот, группа 15), F (фтор, группа 17).
• Элементы 3-го периода: Al (алюминий, группа 13), P (фосфор, группа 15).

Сначала сравним элементы внутри каждого периода.

Во 2-м периоде элементы расположены в порядке B → N → F. Согласно закономерности, радиус атома в этом ряду будет уменьшаться. Следовательно, в порядке увеличения радиуса они расположатся так: F < N < B.

В 3-м периоде элементы расположены в порядке Al → P. Радиус атома также уменьшается, поэтому в порядке увеличения радиуса они расположатся так: P < Al.

Теперь сравним элементы из разных периодов. Атомы элементов 3-го периода (Al, P) имеют три электронных слоя, а атомы элементов 2-го периода (B, N, F) — два. Поэтому любой элемент 3-го периода будет иметь больший радиус, чем любой элемент 2-го периода из данного списка.

Объединяя полученные ряды (F < N < B и P < Al) и учитывая, что элементы 2-го периода меньше элементов 3-го, получаем общую последовательность увеличения радиуса атома.

Ответ: F, N, B, P, Al.