Konfiguracja elektronowa i liczby kwantowe – zadania maturalne z chemii

8
zadań: 19
poleceń: 9
poleceń otwartych z oceną: 1
lekcji interaktywnych

Budowa atomu: Konfiguracja elektronowa i liczby kwantowe

Barwienie płomienia przez kationy metali — Li⁺ · Na⁺ · K⁺ · Cu²⁺ — Barwienie płomienia przez kationy metali — *Li⁺ · Na⁺ · K⁺ · Cu²⁺*

### Liczby kwantowe Stan każdego elektronu w atomie można ściśle opisać za pomocą czterech liczb kwantowych: 1. **Główna liczba kwantowa (n)** - określa powłokę elektronową i rozmiar orbitalu. Przyjmuje wartości n = 1, 2, 3, ... 2. **Poboczna liczba kwantowa (l)** - decyduje o kształcie orbitalu i powiązanej z nim podpowłoce. Przyjmuje wartości od 0 do n-1. Symbole literowe to: l=0 (s), l=1 (p), l=2 (d), l=3 (f). 3. **Magnetyczna liczba kwantowa (m)** - określa orientację przestrzenną orbitalu. Jej wartości to liczby całkowite od -l do +l. 4. **Magnetyczna spinowa liczba kwantowa (ms)** - opisuje moment pędu samego elektronu (spin). Może być tylko +1/2 lub -1/2. ### Zasady budowy powłok Aby poprawnie napisać konfigurację elektronową, musisz trzymać się trzech najważniejszych reguł: * **Zakaz Pauliego** – w atomie nie mogą istnieć 2 elektrony, które miałyby identyczne cztery liczby kwantowe. Na 1 klatce mogą być maksymalnie dwa elektrony o przeciwnych spinach. * **Reguła Hunda** – wpisując elektrony na orbitale o tej samej energii (np. 3 orbitale podpowłoki p), najpierw obsadzamy każdy orbital jednym elektronem z takim samym spinem, a dopiero potem parujemy. * **Zasada rozbudowy (Aufbau)** – elektrony zajmują w pierwszej kolejności podpowłoki o najniższej energii. Pamiętaj, że 4s wypełnia się przed 3d ze względu na niższy poziom energetyczny w atomach neutralnych. ### Wyjątki: Promocja elektronowa Zwiększoną stabilność wykazują atomy o podpowłokach całkowicie lub do połowy wypełnionych. Klasycznymi przykładami są chrom i miedź: * **Chrom (Cr, Z=24)**: oczekiwane [Ar] 4s² 3d⁴ → rzeczywiste: **[Ar] 4s¹ 3d⁵** * **Miedź (Cu, Z=29)**: oczekiwane [Ar] 4s² 3d⁹ → rzeczywiste: **[Ar] 4s¹ 3d¹⁰** ### Kationy metali bloku d Tworząc kationy dla metali przejściowych, pamiętaj, że pomimo tego iż podpowłoka 3d jest zapełniana na końcu, elektrony odrywane są **zawsze w pierwszej kolejności z powłoki zewnętrznej (tej o najwyższym n, czyli 4s)**. **Przykład z rozwiązaniem:** Napisz pełną konfigurację jonu żelaza(II) – Fe²⁺. Rozwiązanie: 1. Ustalamy Z dla Fe = 26. 2. Atom Fe (podstawowy): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ 3. Kation 2+ oznacza brak dwóch elektronów. Odrywamy je z najwyższej powłoki (4s). 4. Wynik: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ (zapisujemy 3d, omijamy puste 4s).

Zapamiętaj

Elektrony odrywane są od najwyższej powłoki (np. 4s) by utworzyć kationy metali d-elektronowych.
Miedź (Cu) i chrom (Cr) podlegają promocji elektronowej dla zwiększenia stabilności atomu.
Reguła Hunda nakazuje maksymalizować liczbę elektronów niesparowanych w ramach podpowłoki.
Poboczna liczba kwantowa (l) determinuje blok układu: l=0 to blok s, l=1 to p, l=2 to d.

Typowe błędy

Zabieranie elektronów z podpowłoki d zamiast z s podczas rysowania kationów, co prowadzi do błędnych konfiguracji, np. jonu żelaza(II).
Myślenie, że elektrony walencyjne dla bloku d to tylko podpowłoka s (pominięcie (n-1)d).
Nieprawidłowe stosowanie reguły Hunda przez grupowanie elektronów w pary zanim zajmie się wszystkie orbitale w podpowłoce.

Wymagania podstawy programowej

I.2.1 Stosuje zakaz Pauliego i regułę Hunda; zapisuje konfiguracje elektronowe atomów i jonów pierwiastków Z = 1–36 (zapis pełny, skrócony i klatkowy).
I.2.2 Określa liczby kwantowe elektronów i rodzaje orbitali (s, p, d); wskazuje elektrony walencyjne.
I.2.3 Przypisuje pierwiastek do bloku s, p lub d na podstawie konfiguracji elektronowej.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Żelazo (Z = 26) tworzy m.in. kationy Fe²⁺ oraz Fe³⁺. Jony te różnią się trwałością ze względu na układ elektronów na podpowłoce 3d.

1.1 Napisz pełną konfigurację elektronową kationu Fe³⁺ w stanie podstawowym. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵
Żelazo ma konfigurację atomu 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. Tworząc kation, elektrony najpierw oddawane są z powłoki o najwyższym n, czyli 4s, a następnie z 3d. Zatem Fe³⁺ to utrata dwóch elektronów 4s i jednego 3d, co daje 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵.
1.2 Rozstrzygnij, który z jonów żelaza (Fe²⁺ czy Fe³⁺) charakteryzuje się większą stabilnością. Uzasadnij swoją odpowiedź, odwołując się do zapełnienia podpowłoki 3d. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Rozstrzygnięcie: Bardziej stabilny jest jon Fe³⁺. Uzasadnienie: Jon Fe³⁺ posiada na podpowłoce 3d pięć elektronów. Taka półzapełniona podpowłoka (układ d⁵) jest stanem o niższej energii i zwiększonej stabilności w porównaniu z jonem Fe²⁺, który posiada 6 elektronów na podpowłoce 3d (układ d⁶).
Kation Fe³⁺ posiada 5 elektronów na podpowłoce d (d⁵). Jest to konfiguracja półzapełniona, co jest energetycznie bardziej korzystne (stabilniejsze) w porównaniu do Fe²⁺ (d⁶).

Zadanie 2

Pierwiastek X leży w 4. okresie układu okresowego. W stanie podstawowym atom tego pierwiastka posiada aż 6 niesparowanych elektronów, co jest wartością maksymalną dla pierwiastków z tego okresu.

2.1 Podaj symbol chemiczny pierwiastka X oraz napisz jego konfigurację elektronową w postaci skróconej. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Symbol: Cr. Konfiguracja skrócona: [Ar] 4s¹ 3d⁵.
Pierwiastkiem 4. okresu o 6 niesparowanych elektronach jest chrom (Cr). Ze względu na promocję elektronową, jeden elektron z podpowłoki 4s przechodzi na podpowłokę 3d, tworząc półzapełnioną, stabilniejszą konfigurację z 6 niesparowanymi elektronami (jeden na 4s i pięć na 3d).
2.2 Wyjaśnij, dlaczego konfiguracja elektronowa atomu pierwiastka X odbiega od przewidywanej w oparciu o standardową kolejność zapełniania orbitali. Podaj nazwę tego zjawiska. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Nazwa zjawiska: promocja elektronowa. Wyjaśnienie: Przejście jednego elektronu z podpowłoki 4s na podpowłokę 3d prowadzi do powstania półzapełnionej podpowłoki 3d (d⁵). Stan taki charakteryzuje się niższą energią, a zatem atom zyskuje większą stabilność, niż w przypadku konfiguracji 4s² 3d⁴.
Zjawisko to to promocja elektronowa. Półzapełniona podpowłoka d (d⁵) jest energetycznie bardziej korzystna (stabilniejsza) niż układ 4s² 3d⁴.
2.3 Oceń prawdziwość poniższych zdań dotyczących elektronów walencyjnych w atomie pierwiastka X (w stanie podstawowym). (1 pkt)
- 1. Wszystkie elektrony walencyjne w atomie tego pierwiastka mają poboczną liczbę kwantową l = 2. (P/F)
- 2. Tylko jeden elektron walencyjny w atomie tego pierwiastka ma główną liczbę kwantową n = 4. (P/F)
- 3. Elektrony walencyjne rozmieszczone są na podpowłokach należących do tej samej powłoki elektronowej. (P/F)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 1 – F, 2 – P, 3 – F
Chrom ma 6 elektronów walencyjnych. Ostatnia powłoka to N (n=4), ale elektrony z podpowłoki 3d mają główną liczbę kwantową n=3, dlatego nie wszystkie elektrony walencyjne mają n=4.

Ćwicz ten dział z oceną – Premium Załóż darmowe konto