Номер 1, страница 22 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 4. Распределение электронов в атомах элементов больших периодов. Глава I. Важнейшие химические понятия и законы - номер 1, страница 22.

Условие.

1. Почему в атомах элементов 4-го периода вначале заполняется $4s$-подуровень и только потом $3d$-подуровень?

Решение.

Решение 2.

Заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах подчиняется принципу наименьшей энергии (принцип Ауфбау). Согласно этому принципу, электроны в основном (невозбужденном) состоянии атома занимают те орбитали, которые имеют наименьшую энергию. Энергия орбиталей определяется, в первую очередь, главным квантовым числом $n$ и, во вторую, орбитальным (побочным) квантовым числом $l$.

Для многоэлектронных атомов последовательность заполнения подуровней электронами определяется правилом Клечковского (также известным как правило $n+l$ или правило Маделунга). Это эмпирическое правило состоит из двух частей:

1. Электроны заполняют орбитали в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел $(n+l)$.
2. При одинаковых значениях суммы $(n+l)$ сначала заполняется подуровень с меньшим значением главного квантового числа $n$.

Применим это правило для сравнения энергий $4s$- и $3d$-подуровней:

• Для $4s$-подуровня: главное квантовое число $n=4$, орбитальное квантовое число $l=0$ (для всех $s$-орбиталей). Сумма $n+l = 4+0=4$.
• Для $3d$-подуровня: главное квантовое число $n=3$, орбитальное квантовое число $l=2$ (для всех $d$-орбиталей). Сумма $n+l = 3+2=5$.

Сравнивая полученные суммы, видим, что для $4s$-подуровня сумма $(n+l)$ меньше, чем для $3d$-подуровня ($4 < 5$). Это означает, что $4s$-подуровень обладает меньшей энергией. Поэтому, в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Клечковского, в атомах элементов 4-го периода (начиная с калия, K) электроны сначала занимают $4s$-подуровень. Только после его полного заполнения (у кальция, Ca) начинается заполнение более высокоэнергетического $3d$-подуровня (у скандия, Sc, и последующих $d$-элементов).

Интересно отметить, что после начала заполнения $3d$-подуровня его энергия может стать ниже энергии $4s$-подуровня из-за изменения экранирования заряда ядра. Это объясняет, почему при ионизации переходных металлов 4-го периода электроны уходят в первую очередь с внешнего $4s$-подуровня, а не с $3d$-подуровня. Однако порядок *заполнения* орбиталей определяется их начальным соотношением энергий.

Ответ: В атомах элементов 4-го периода $4s$-подуровень заполняется раньше $3d$-подуровня, так как, согласно правилу Клечковского (правилу $n+l$), энергия $4s$-орбиталей (для которых сумма $n+l = 4+0=4$) ниже, чем энергия $3d$-орбиталей (для которых сумма $n+l = 3+2=5$). Электроны в основном состоянии атома занимают энергетические подуровни в порядке возрастания их энергии.