Цирконий: электронная формула и свойства элемента
Цирконий - уникальный химический элемент, который находит применение в ядерной энергетике, металлургии, медицине и других важных областях. Давайте разберемся, как устроен атом этого металла, и что такое его электронная формула.
Строение атома циркония
В периодической системе цирконий находится в четвертой группе, пятом периоде, его порядковый номер 40. Ядро атома циркония состоит из 40 протонов и 51 нейтрона.
Распределение 40 электронов по энергетическим уровням:
- 1s2
- 2s2 2p6
- 3s2 3p6 3d10
- 4s2 4p6 4d2
- 5s2
Заполнение 4d-подуровня происходит после 3d, согласно правилу Клечковского. Последние два электрона заполняют 5s-орбиталь.
Внешний энергетический уровень атома циркония содержит 4 электрона, которые являются валентными.
Для валентных электронов циркония можно записать квантовые числа (n, l, ml, s):
| n | l | ml | s |
| 4 | 1 | 1 | +1/2 |
| 4 | 1 | 0 | -1/2 |
| 4 | 0 | 0 | +1/2 |
| 4 | 0 | 0 | -1/2 |
Цирконий и электронная формула - это уникальная комбинация протонов, нейтронов и электронов, определяющая все разнообразие физических и химических свойств данного химического элемента.
Понятие электронной формулы
Электронная формула показывает распределение электронов атома по энергетическим уровням и орбиталям. Она записывается с использованием символов s, p, d, f для обозначения типов атомных орбиталей и верхних индексов для указания числа электронов.
Например, для циркония:
[Kr] 4d2 5s2
Где [Kr] - электронная конфигурация предыдущего инертного газа криптона.
Из электронной формулы видно, что внешний энергетический уровень циркония содержит 4 электрона. Это определяет его валентность и химические свойства.
Электронная формула циркония дает нам важную информацию о реакционной способности этого элемента и помогает предсказать типы образуемых им химических соединений.
Графическое изображение электронной формулы
Диаграмма энергетических уровней циркония имеет следующий вид:
Стрелками указан порядок заполнения орбиталей согласно правилу Хунда. Цветовое кодирование: оранжевый - s-орбитали, зеленый - p-орбитали, голубой - d-орбитали.
Такая диаграмма наглядно демонстрирует распределение электронов в атоме циркония. Мы видим 4 неспаренных электрона на внешнем 4d- и 5s-подуровнях. Это и определяет валентность +IV циркония.
Графическая электронная формула циркония дает прекрасную визуализацию электронного строения этого элемента.
Применение электронной формулы циркония
Зная электронную формулу циркония, мы можем объяснить его физические и химические свойства, а также спрогнозировать поведение этого элемента в различных соединениях и реакциях.
Например, тот факт, что у циркония 4 валентных электрона, объясняет проявление им валентности +IV при образовании химических соединений. Цирконий отдает все 4 внешних электрона и присоединяет 4 отрицательных иона для заполнения внешнего энергетического уровня.
Кроме того, зная электронную конфигурацию, можно рассчитать ионные радиусы циркония в разных степенях окисления и спрогнозировать его реакционную способность.
Определение степеней окисления циркония
Известные степени окисления циркония: +4, +3, +2, +1, 0, -2. Они определяются числом валентных электронов, которые элемент теряет или принимает при образовании химических связей.
Вывод формул соединений циркония
Например, в соединении ZrO2 цирконий проявляет степень окисления +4, отдавая все 4 валентных электрона на образование ионной связи с двумя ионами кислорода О2–.
Объяснение свойств циркония
Высокая химическая стойкость циркония обусловлена наличием прочных ковалентных связей между электронами 4d- и 5s-орбиталей. Это затрудняет отрыв электронов.
Электронные формулы других элементов
Рассмотрим особенности электронного строения других химических элементов и сравним их с цирконием.
Электронные формулы s- и p-элементов
У s- и p-элементов заполняются только s- и p-орбитали. Электроны слабо связаны с ядром, что обуславливает их высокую химическую активность.
f-элементы
У f-элементов заполняется внутренний f-подуровень. Из-за экранирования внешними электронами f-электроны очень слабо взаимодействуют с окружающими атомами, что определяет их химическую инертность.
Цирконий vs титан и гафний
Ближайшие аналоги циркония - титан и гафний. Но если у Ti валентными являются только 4s-электроны, то у Zr и Hf имеются дополнительные 4d-электроны, участвующие в образовании связей.