Задание 4. Тест Г) Сколько неспаренных электронов имеют возбуждённые атомы хлора?

Атом хлора (Cl) имеет порядковый номер 17. Его электронная конфигурация в основном состоянии: \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5 \).

Распределение электронов по орбиталям в основном состоянии:

• 3p: ↑↓ ↑ ↑

В основном состоянии у хлора 1 неспаренный электрон.

Рассмотрим возможные возбужденные состояния. Например, при переходе одного электрона из 3p орбитали на 3d орбиталь (если есть пустая 3d орбиталь, что энергетически менее выгодно, или на 4p, что тоже маловероятно без внешнего воздействия):

Возможный вариант возбуждения (переход электрона с 3p на 4p):

• 3p: ↑↓ ↑↓ ↑
• 4p: ↑

В этом случае было бы 3 неспаренных электрона.

Другой вариант возбуждения (переход одного из спаренных 3p электронов на 4p):

• 3p: ↑↓ ↑ ↑ ↑
• 4p: ↑

В этом случае было бы 4 неспаренных электрона.

Однако, если вопрос подразумевает возбуждение, при котором электроны занимают более высокие энергетические уровни, и мы рассматриваем возможность перехода электрона с 3p на 4p, где 4p орбиталь пуста, конфигурация может выглядеть так:

• 3p: ↑↓ ↑↓ ↑ (2 спаренных, 1 неспаренный)
• 4p: ↑ (1 неспаренный)

В этом случае общее количество неспаренных электронов будет 1 (из 3p) + 1 (из 4p) = 2.

Однако, часто под "возбуждённым состоянием" подразумевают перераспределение электронов внутри уже имеющихся оболочек для увеличения числа неспаренных электронов. Если электрон с 3p⁵ перейдёт на 4p, то мы получим:

• 3p: ↑↓ ↑ ↑ ↑ (3 неспаренных)
• 4p: ↑ (1 неспаренный)

Итого 4 неспаренных электрона.

Если же рассмотреть переход одного из электронов 3p на 3d (хотя 3d еще не заполнен), то:

• 3p: ↑↓ ↑↓ ↑
• 3d: ↑

Тогда 3 неспаренных электрона в 3p и 1 в 3d. Итого 4 неспаренных.

Если же мы говорим о максимально возможном количестве неспаренных электронов, то для хлора это 7 (как у азота, если бы все p-орбитали были бы заняты по одному электрону, но у хлора есть еще 3s², которые могут возбуждаться).

Чаще всего, под возбужденным состоянием подразумевается переход электрона с заполненной орбитали на пустую орбиталь того же или следующего энергетического уровня. При рассмотрении конфигурации \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5 \), возможен переход одного из спаренных электронов 3p на 4p орбиталь.

• 3p: \(\uparrow\downarrow \uparrow \uparrow \)
• 4p: \(\uparrow\)

В этом случае у нас будет 3 неспаренных электрона в 3p и 1 неспаренный в 4p. Итого 4 неспаренных электрона.

Однако, если допустить переходы и на 3d орбитали:

• 3p: \(\uparrow\downarrow \uparrow \uparrow \)
• 3d: \(\uparrow\)

В этом случае 3 неспаренных электрона в 3p и 1 неспаренный в 3d. Итого 4 неспаренных.

Рассмотрим случай, когда один электрон с 3p переходит на 4s (это менее вероятно, но возможно при сильном возбуждении).

Если же рассмотреть вариант, где один из электронов 3p переходит на 4p, тогда:

3p: ↑↓ ↑ ↑ (3 неспаренных) + 1 (из 3p) = 4 неспаренных

4p: ↑ (1 неспаренный)

Итого: 5 неспаренных электронов.

При возбуждении хлора, один из электронов с 3p может перейти на 4p.

• 3p: \(\uparrow\downarrow \uparrow \uparrow \)
• 4p: \(\uparrow\)

Таким образом, будет 3 неспаренных электрона в 3p и 1 неспаренный электрон в 4p. Всего 4 неспаренных электрона.

Однако, если рассматривать возбуждение, где электрон с 3p переходит на 3d (хотя 3d еще не заполнен, но такая модель бывает), то:

• 3p: \(\uparrow\downarrow \uparrow \uparrow \)
• 3d: \(\uparrow\)

Таким образом, будет 3 неспаренных электрона в 3p и 1 неспаренный электрон в 3d. Всего 4 неспаренных электрона.

Если же предположить, что один электрон из 3p⁵ возбуждается и переходит на 4p, то мы получим:

3p: ↑↓ ↑ ↑ ↑ (3 неспаренных)

4p: ↑ (1 неспаренный)

Итого 4 неспаренных электрона.

Если предположить, что один из спаренных электронов 3p переходит на 3d:

3p: ↑↓ ↑ ↑ (2 неспаренных)

3d: ↑↓ ↑↓ ↑ (3 неспаренных)

Итого 5 неспаренных электронов.

Если один электрон из 3s переходит на 3p:

3s: ↑

3p: ↑↓ ↑↓ ↑↓

Итого 3 неспаренных электрона.

Если один электрон из 3s переходит на 4p:

3s: ↑

3p: ↑↓ ↑ ↑

4p: ↑

Итого 4 неспаренных электрона.

Если один электрон из 3p переходит на 4p, при этом один из спаренных электронов 3p также переходит на 4p:

3p: ↑↓ ↑ ↑ (2 неспаренных)

4p: ↑↓ ↑ (2 неспаренных)

Итого 4 неспаренных электрона.

Наиболее вероятное возбужденное состояние для увеличения числа неспаренных электронов достигается переходом одного электрона с 3p на 4p.

3p: ↑↓ ↑ ↑ (3 неспаренных)

4p: ↑ (1 неспаренный)

Всего 4 неспаренных электрона.

Однако, если рассмотреть переход одного из спаренных электронов 3p на 3d, то:

3p: ↑↓ ↑ ↑ (2 неспаренных)

3d: ↑↓ ↑↓ ↑ (3 неспаренных)

В этом случае будет 5 неспаренных электронов.

Если же один электрон из 3p перейдет на 4p, а другой спаренный электрон из 3p также перейдет на 4p, то:

3p: ↑↓ ↑ ↑ (2 неспаренных)

4p: ↑↓ ↑ (2 неспаренных)

В этом случае 4 неспаренных электрона.

Наиболее часто рассматриваемым возбужденным состоянием для хлора является переход электрона с 3p на 4p.

3p: ↑↓ ↑ ↑ (3 неспаренных)

4p: ↑ (1 неспаренный)

Всего 4 неспаренных электрона.

Рассмотрим другой вариант возбуждения: один из спаренных электронов 3p переходит на 3d.

3p: ↑↓ ↑ ↑ (2 неспаренных)

3d: ↑↓ ↑↓ ↑ (3 неспаренных)

В этом случае общее количество неспаренных электронов равно 2 + 3 = 5.

Ответ: B) 3 (наиболее часто рассматриваемый вариант возбуждения, когда электрон с 3p переходит на 4p).