Страница 19 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Что называют атомной орбиталью?

1. Атомная орбиталь — это понятие из квантовой механики, которое пришло на смену классическому представлению об орбите электрона в атоме. В отличие от планетарной модели Бора, где электрон движется по строго определённой траектории, современная квантовая модель описывает положение электрона вероятностным образом в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга.

С математической точки зрения, состояние электрона в атоме описывается волновой функцией $\Psi$, которая является решением стационарного уравнения Шрёдингера. Сама волновая функция не имеет прямого физического смысла, однако её квадрат, $|\Psi|^2$, определяет плотность вероятности нахождения электрона в каждой точке пространства вокруг ядра.

Таким образом, атомной орбиталью называют область пространства вокруг атомного ядра, в которой вероятность нахождения данного электрона является наиболее высокой (обычно рассматривают область, соответствующую 90–95% вероятности). Эту область часто изображают в виде "электронного облака", густота которого в разных точках пропорциональна вероятности обнаружения там электрона.

Каждая атомная орбиталь характеризуется определённой энергией, формой и ориентацией в пространстве. Эти характеристики определяются набором трёх квантовых чисел:
- Главное квантовое число ($n$): определяет энергетический уровень электрона и средний размер орбитали. Принимает целочисленные значения $n = 1, 2, 3, ...$.
- Орбитальное (азимутальное) квантовое число ($l$): определяет форму орбитали. Принимает значения от $0$ до $n-1$. Орбитали с $l=0$ называют s-орбиталями (сферическая форма), с $l=1$ — p-орбиталями (гантелеобразная форма), с $l=2$ — d-орбиталями и т.д.
- Магнитное квантовое число ($m_l$): определяет ориентацию орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного поля. Принимает целочисленные значения от $-l$ до $+l$, включая 0.

Согласно принципу Паули, на одной атомной орбитали может находиться не более двух электронов, причём они должны иметь противоположные спины (характеризуются спиновым квантовым числом $m_s$).

Ответ: Атомная орбиталь — это область пространства вокруг ядра атома, в которой наиболее вероятно (с вероятностью 90–95%) нахождение электрона. Она описывается математически с помощью волновой функции, которая является решением уравнения Шрёдингера, и характеризуется определённой формой, размером, энергией и ориентацией в пространстве.

2. Какие электроны называют $s$-электронами? $p$-электронами? Изобразите их орбитали.

В квантовой механике состояние электрона в атоме описывается набором квантовых чисел. Тип электрона (s, p, d, f и т.д.) определяется значением орбитального (азимутального) квантового числа $l$.

s-электроны

s-электронами называют электроны, для которых орбитальное квантовое число равно нулю ($l=0$). Такие электроны находятся на s-орбиталях. s-орбиталь имеет сферическую форму, это значит, что вероятность найти электрон на определенном расстоянии от ядра одинакова во всех направлениях. На каждом энергетическом уровне (начиная с первого, $n \ge 1$) существует только одна s-орбиталь.

Рис. 1 - Сферическая форма s-орбитали

Ответ: s-электроны — это электроны, находящиеся на s-орбиталях, для которых орбитальное квантовое число $l=0$. s-орбиталь имеет форму сферы.

p-электроны

p-электронами называют электроны, для которых орбитальное квантовое число равно единице ($l=1$). Такие электроны находятся на p-орбиталях. p-орбитали появляются начиная со второго энергетического уровня ($n \ge 2$). На каждом таком уровне существует три p-орбитали, которые имеют одинаковую форму и энергию, но по-разному ориентированы в пространстве. Каждая p-орбиталь имеет форму объемной восьмерки (гантели) и располагается вдоль одной из трех координатных осей: x, y или z. Соответственно, их обозначают как $p_x$, $p_y$ и $p_z$.

Рис. 2 - Форма и пространственная ориентация p-орбиталей ($p_x, p_y, p_z$)

Ответ: p-электроны — это электроны, находящиеся на p-орбиталях, для которых орбитальное квантовое число $l=1$. Существует три p-орбитали ($p_x, p_y, p_z$), каждая из которых имеет форму объемной восьмерки (гантели) и ориентирована вдоль одной из трех взаимно перпендикулярных осей.

3. Изобразите электронные конфигурации атомов кислорода и фтора с помощью электронных и графических электронных формул.

Решение

Для определения электронной конфигурации атома необходимо знать его порядковый номер в Периодической системе химических элементов, который равен числу протонов в ядре и числу электронов в нейтральном атоме. Распределение электронов по орбиталям подчиняется принципу Паули, правилу Хунда и принципу наименьшей энергии.

Атом кислорода (O)

Кислород (O) находится в Периодической системе под номером 8. Следовательно, атом кислорода содержит 8 электронов.

Электронная формула атома кислорода, показывающая распределение 8 электронов по энергетическим уровням и подуровням, выглядит следующим образом:

$_8\text{O} \quad 1s^22s^22p^4$

Графическая электронная формула изображает распределение электронов по квантовым ячейкам (орбиталям). Электроны обозначаются стрелками, направленными в разные стороны, что соответствует разным значениям спинового квантового числа.

2p ↑↓↑ ↑
2s ↑↓
1s ↑↓

На внешнем (втором) энергетическом уровне у атома кислорода находится 6 валентных электронов, из которых два являются неспаренными.

Ответ: Электронная формула кислорода: $1s^22s^22p^4$. Графическая формула валентного уровня ($2s^22p^4$): на 2s-орбитали находится пара электронов, а на трех 2p-орбиталях — одна пара электронов и два неспаренных электрона.

Атом фтора (F)

Фтор (F) находится в Периодической системе под номером 9. Следовательно, атом фтора содержит 9 электронов.

Электронная формула атома фтора, показывающая распределение 9 электронов:

$_9\text{F} \quad 1s^22s^22p^5$

Графическая электронная формула для атома фтора:

2p ↑↓↑↓↑
2s ↑↓
1s ↑↓

На внешнем (втором) энергетическом уровне у атома фтора находится 7 валентных электронов, из которых один является неспаренным.

Ответ: Электронная формула фтора: $1s^22s^22p^5$. Графическая формула валентного уровня ($2s^22p^5$): на 2s-орбитали находится пара электронов, а на трех 2p-орбиталях — две пары электронов и один неспаренный электрон.

1. Установите соответствие между электронной формулой атома и его названием.

1) $1s^22s^22p^6$

2) $1s^22s^22p^3$

3) $1s^22s^22p^63s^1$

4) $1s^22s^22p^1$

А. натрий

Б. неон

В. бор

Г. азот

Чтобы установить соответствие, необходимо определить общее количество электронов для каждой электронной формулы. В нейтральном атоме количество электронов равно его порядковому номеру в Периодической системе химических элементов.

1) $1s^22s^22p^6$

Общее число электронов для данной конфигурации равно сумме чисел в верхних индексах: $2 + 2 + 6 = 10$.

Атом с порядковым номером 10 – это неон (Ne).

Ответ: Б. неон.

2) $1s^22s^22p^3$

Общее число электронов: $2 + 2 + 3 = 7$.

Атом с порядковым номером 7 – это азот (N).

Ответ: Г. азот.

3) $1s^22s^22p^63s^1$

Общее число электронов: $2 + 2 + 6 + 1 = 11$.

Атом с порядковым номером 11 – это натрий (Na).

Ответ: А. натрий.

4) $1s^22s^22p^1$

Общее число электронов: $2 + 2 + 1 = 5$.

Атом с порядковым номером 5 – это бор (B).

Ответ: В. бор.

2. Электронную формулу внешнего слоя $2s^2 2p^5$ имеет атом элемента:

1) Cl

2) N

3) F

4) B

3. Электронная формула $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ соответствует частице

1) $F^-$

2) $Si^{4+}$

3) $S^{2-}$

4) $P^{3+}$

2. Решение:

Электронная формула внешнего слоя атома $...2s^22p^5$ показывает распределение валентных электронов. Главное квантовое число внешнего слоя $n=2$ указывает на то, что элемент находится во втором периоде периодической системы. Сумма электронов на внешнем слое ($2+5=7$) указывает на то, что элемент находится в VIIA группе (17-й группе).

Элемент, расположенный во втором периоде и 17-й группе, — это фтор (F).

Рассмотрим предложенные варианты:

1) $Cl$ (хлор) — находится в 3-м периоде, его электронная формула внешнего слоя $3s^23p^5$.

2) $N$ (азот) — находится во 2-м периоде, 15-й группе, его электронная формула внешнего слоя $2s^22p^3$.

3) $F$ (фтор) — находится во 2-м периоде, 17-й группе, его электронная формула внешнего слоя $2s^22p^5$. Это соответствует условию.

4) $B$ (бор) — находится во 2-м периоде, 13-й группе, его электронная формула внешнего слоя $2s^22p^1$.

Ответ: 3) F

3. Решение:

Электронная формула $1s^22s^22p^63s^23p^6$ описывает частицу, имеющую завершенные первый, второй и третий электронные слои.

Подсчитаем общее число электронов в частице, сложив числа в верхних индексах: $2+2+6+2+6 = 18$ электронов.

Теперь проанализируем каждую из предложенных частиц, чтобы определить, какая из них имеет 18 электронов. Порядковый номер элемента в периодической системе равен числу протонов в ядре и числу электронов в нейтральном атоме.

1) Ион фтора $F^{-}$: Атом фтора (F) имеет порядковый номер 9, следовательно, у него 9 протонов и 9 электронов. Ион $F^{-}$ образуется при присоединении одного электрона, поэтому у него $9+1=10$ электронов.

2) Ион кремния $Si^{4+}$: Атом кремния (Si) имеет порядковый номер 14, следовательно, у него 14 протонов и 14 электронов. Ион $Si^{4+}$ образуется при потере четырех электронов, поэтому у него $14-4=10$ электронов.

3) Ион серы $S^{2-}$: Атом серы (S) имеет порядковый номер 16, следовательно, у него 16 протонов и 16 электронов. Ион $S^{2-}$ образуется при присоединении двух электронов, поэтому у него $16+2=18$ электронов. Это соответствует заданной электронной формуле.

4) Ион фосфора $P^{3+}$: Атом фосфора (P) имеет порядковый номер 15, следовательно, у него 15 протонов и 15 электронов. Ион $P^{3+}$ образуется при потере трех электронов, поэтому у него $15-3=12$ электронов.

Таким образом, частица с 18 электронами — это ион $S^{2-}$.

Ответ: 3) S²⁻

3. Электронная формула $1s^22s^22p^63s^23p^6$ соответствует частице

1) F$^{-}$

2) Si$^{4+}$

3) S$^{2-}$

4) P$^{3+}$

Чтобы определить, какая из предложенных частиц соответствует электронной формуле $1s^22s^22p^63s^23p^6$, необходимо сначала найти общее количество электронов, которое описывает данная формула, а затем сравнить его с количеством электронов в каждом ионе.

Решение

Сначала посчитаем общее число электронов, сложив числа в надстрочных индексах в данной электронной формуле:
Число электронов = $2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18$.

Теперь проанализируем каждую частицу, определив число электронов в ней. Число электронов в ионе равно порядковому номеру элемента (Z) в Периодической системе минус заряд иона (положительный заряд означает потерю электронов, отрицательный — приобретение).

1) $F^-$
Порядковый номер фтора (F) Z=9. Ион $F^-$ имеет 1 дополнительный электрон.
Число электронов = $9 + 1 = 10$.

2) $Si^{4+}$
Порядковый номер кремния (Si) Z=14. Ион $Si^{4+}$ потерял 4 электрона.
Число электронов = $14 - 4 = 10$.

3) $S^{2-}$
Порядковый номер серы (S) Z=16. Ион $S^{2-}$ имеет 2 дополнительных электрона.
Число электронов = $16 + 2 = 18$.
Это количество совпадает с количеством электронов в заданной электронной конфигурации.

4) $P^{3+}$
Порядковый номер фосфора (P) Z=15. Ион $P^{3+}$ потерял 3 электрона.
Число электронов = $15 - 3 = 12$.

Таким образом, ион $S^{2-}$ является частицей с электронной конфигурацией $1s^22s^22p^63s^23p^6$.

Ответ: 3) $S^{2-}$.