Условие задачи

Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 32 и 42, учитывая, что у последнего происходит «провал» одного 5s-электрона на 4d-подуровень. К какому электронному семейству относится каждый из этих элементов?

Решение

Ниже приведён подробный анализ задачи, относящейся к атомной структуре в рамках общей химии и строения атома (электронные конфигурации). Задача состоит из двух частей: составить электронную конфигурацию элемента с Z = 32 и элемента с Z = 42 (при этом для последнего указан необычный порядок заполнения орбиталей – «провал» электрона из 5s в 4d), а также отнести каждый элемент к соответствующему электронному семейству.

─────────────────────────────
1. Элемент с порядковым номером 32 (Германий, Ge)

Общий порядок заполнения орбиталей (с использованием принципа нарастания энергии) позволяет записать полную электронную конфигурацию следующим образом:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p²

Можно записать в виде сокращённой записи:
[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p²

Объяснение:
– После заполнения первого (1s) и второго уровней (2s, 2p) до 10 электронов, далее атом достигает [Ne] (10 э–); последующее заполнение 3s² и 3p⁶ даёт [Ar] (18 э–).
– Затем идут 4s² (2 э–), 3d¹⁰ (10 э–) и 4p² (2 э–), что в сумме даёт 18 + 2 + 10 + 2 = 32 электрона.

Электронное семейство:
Германий имеет внешнюю группу орбиталей 4s² 4p², то есть в валентном слое находится 4s² 4p² – такая же конфигурация, как и у углеродсодержащих элементов (считая аналогом неполного заполнения p-подуровня с четырьмя валентными электронами). Таким образом, германий относится к семейству элементов с типичной конфигурацией ns² np², которое соответствует группе 14 периодической системы (также его иногда относят к «углеродному семейству»).

─────────────────────────────
2. Элемент с порядковым номером 42 (Молибден, Mo)

Обычно, если бы заполнялись орбитали в порядке возрастающей энергии, можно было бы ожидать конфигурацию [Kr] 5s² 4d⁴. Однако экспериментально установленный порядок для молибдена таков, что один из 5s-электронов «проваливается» в 4d-подуровень. В итоге электронная конфигурация для Mo имеет вид:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹ 4d⁵

или сокращённо:
[Kr] 5s¹ 4d⁵

Пояснение:
– После заполнения орбиталей до криптона [Kr] (36 э–), оставшиеся 6 электронов распределяются между 5s и 4d орбиталями. Обычный порядок (без учета «провала») дал бы 5s² 4d⁴, но благодаря дополнительной стабильности полузаполненного d-подуровня (4d⁵) конфигурация оказывается именно [Kr] 5s¹ 4d⁵.

Электронное семейство:
Молибден является переходным металлом, то есть его валентные электроны находятся в d-подуровне (а также один 5s-электрон). Именно эта особенность характерна для d-элементов переходных металлов. Таким образом, он относится к d-семейству (переходные металлы).

─────────────────────────────
Вывод:

• Для элемента с Z = 32 (германий) электронная конфигурация:
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p²
или [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p²,
относится к элементам с внешней конфигурацией ns² np² – группе 14 (углеродное семейство).

• Для элемента с Z = 42 (молибден) электронная конфигурация (с учётом «провала»):
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s¹ 4d⁵
или [Kr] 5s¹ 4d⁵,
относится к d-элементам – классу переходных металлов.

Таким образом, мы решили задачу, составив электронные формулы с использованием принципов заполнения орбиталей и указали, к какому электронному семейству относится каждый из этих элементов.