Загрузить PDF
Загрузить PDF
Электронная конфигурация атома — это численное представление его электронных орбиталей. Электронные орбитали — это области различной формы, расположенные вокруг атомного ядра, в которых математически вероятно нахождение электрона. Электронная конфигурация помогает быстро и с легкостью сказать читателю, сколько электронных орбиталей есть у атома, а также определить количество электронов, находящихся на каждой орбитали. Прочитав эту статью, вы освоите метод составления электронных конфигураций.
-
1
Найдите атомный номер вашего атома. Каждый атом имеет определенное число электронов, связанных с ним. Найдите символ вашего атома в таблице Менделеева. Атомный номер — это целое положительное число, начинающееся от 1 (у водорода) и возрастающее на единицу у каждого последующего атома. Атомный номер — это число протонов в атоме, и, следовательно, это еще и число электронов атома с нулевым зарядом.
-
2
Определите заряд атома. Нейтральные атомы будут иметь столько же электронов, сколько показано в таблице Менделеева. Однако заряженные атомы будут иметь большее или меньшее число электронов — в зависимости от величины их заряда. Если вы работаете с заряженным атомом, добавляйте или вычитайте электроны следующим образом: добавляйте один электрон на каждый отрицательный заряд и вычитайте один на каждый положительный.
- Например, атом натрия с зарядом -1 будет иметь дополнительный электрон в добавок к своему базовому атомному числу 11. Иначе говоря, в сумме у атома будет 12 электронов.
- Если речь идет об атоме натрия с зарядом +1, от базового атомного числа 11 нужно отнять один электрон. Таким образом, у атома будет 10 электронов.
-
3
Запомните базовый список орбиталей. По мере того, как у атома увеличивается число электронов, они заполняют различные подуровни электронной оболочки атома согласно определенной последовательности. Каждый подуровень электронной оболочки, будучи заполненным, содержит четное число электронов. Имеются следующие подуровни:
- s-подуровень (любое число в электронной конфигурации, которое стоит перед буквой “s”) содержит единственную орбиталь, и, согласно Принципу Паули, одна орбиталь может содержать максимум 2 электрона, следовательно, на каждом s-подуровне электронной оболочки может находиться 2 электрона.
- p-подуровень содержит 3 орбитали, и поэтому может содержать максимум 6 электронов.
- d-подуровень содержит 5 орбиталей, поэтому в нем может быть до 10 электронов.
- f-подуровень содержит 7 орбиталей, поэтому в нем может быть до 14 электронов.
- g-, h-, i- и k-подуровни являются теоретическими. Атомы, содержащие электроны в этих орбиталях, неизвестны. g-подуровень содержит 9 орбиталей, поэтому теоретически в нем может быть 18 электронов. В h-подуровне может быть 11 орбиталей и максимум 22 электрона; в i-подуровне —13 орбиталей и максимум 26 электронов; в k-подуровне — 15 орбиталей и максимум 30 электронов.
- Запомните порядок орбиталей с помощью мнемонического приема:[1]
Sober Physicists Don’t Find Giraffes Hiding In Kitchens (трезвые физики не находят жирафов, скрывающихся на кухнях).
-
4
Разберитесь в записи электронной конфигурации. Электронные конфигурации записываются для того, чтобы четко отразить количество электронов на каждой орбитали. Орбитали записываются последовательно, причем количество атомов в каждой орбитали записывается как верхний индекс справа от названия орбитали. Завершенная электронная конфигурация имеет вид последовательности обозначений подуровней и верхних индексов.
- Вот, например, простейшая электронная конфигурация: 1s2 2s2 2p6. Эта конфигурация показывает, что на подуровне 1s имеется два электрона, два электрона — на подуровне 2s и шесть электронов на подуровне 2p. 2 + 2 + 6 = 10 электронов в сумме. Это электронная конфигурация нейтрального атома неона (атомный номер неона — 10).
-
5
Запомните порядок орбиталей. Имейте в виду, что электронные орбитали нумеруются в порядке возрастания номера электронной оболочки, но располагаются по возрастанию энергии. Например, заполненная орбиталь 4s2 имеет меньшую энергию (или менее подвижна), чем частично заполненная или заполненная 3d10, поэтому сначала записывается орбиталь 4s. Как только вы будете знать порядок орбиталей, вы сможете с легкостью заполнять их в соответствии с количеством электронов в атоме. Порядок заполнения орбиталей следующий: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.
- Электронная конфигурация атома, в котором заполнены все орбитали, будет иметь следующий вид: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d107p6
- Обратите внимание, что приведенная выше запись, когда заполнены все орбитали, является электронной конфигурацией элемента Uuo (унуноктия) 118, атома периодической системы с самым большим номером. Поэтому данная электронная конфигурация содержит все известные в наше время электронные подуровни нейтрально заряженного атома.
-
6
Заполняйте орбитали согласно количеству электронов в вашем атоме. Например, если мы хотим записать электронную конфигурацию нейтрального атома кальция, мы должны начать с поиска его атомного номера в таблице Менделеева. Его атомный номер — 20, поэтому мы напишем конфигурацию атома с 20 электронами согласно приведенному выше порядку.
- Заполняйте орбитали согласно приведенному выше порядку, пока не достигнете двадцатого электрона. На первой 1s орбитали будут находится два электрона, на 2s орбитали — также два, на 2p — шесть, на 3s — два, на 3p — 6, и на 4s — 2 (2 + 2 + 6 +2 +6 + 2 = 20.) Иными словами, электронная конфигурация кальция имеет вид: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2.
- Обратите внимание: орбитали располагаются в порядке возрастания энергии. Например, когда вы уже готовы перейти на 4-й энергетический уровень, то сначала записывайте 4s орбиталь, а затем 3d. После четвертого энергетического уровня вы переходите на пятый, на котором повторяется такой же порядок. Это происходит только после третьего энергетического уровня.
-
7
Используйте таблицу Менделеева как визуальную подсказку. Вы, вероятно, уже заметили, что форма периодической системы соответствует порядку электронных подуровней в электронных конфигурациях. Например, атомы во второй колонке слева всегда заканчиваются на “s2“, а атомы на правом краю тонкой средней части оканчиваются на “d10” и т.д. Используйте периодическую систему как визуальное руководство к написанию конфигураций — как порядок, согласно которому вы добавляете к орбиталям соответствует вашему положению в таблице. Смотрите ниже:
- В частности, две самые левые колонки содержат атомы, чьи электронные конфигурации заканчиваются s-орбиталями, в правом блоке таблицы представлены атомы, чьи конфигурации заканчиваются p-орбиталями, а в нижней части атомы заканчиваются f-орбиталями.
- Например, когда вы записываете электронную конфигурацию хлора, размышляйте следующим образом: “Этот атом расположен в третьем ряду (или “периоде”) таблицы Менделеева. Также он располагается в пятой группе орбитального блока p периодической системы. Поэтому, его электронная конфигурация будет заканчиваться на …3p5
- Обратите внимание: элементы в области орбиталей d и f таблицы характеризуются энергетическими уровнями, которые не соответствуют периоду, в котором они расположены. Например, первый ряд блока элементов с d-орбиталями соответствует 3d орбиталям, хотя и располагается в 4 периоде, а первый ряд элементов с f-орбиталями соответствует орбитали 4f, несмотря на то, что он находится в 6 периоде.
-
8
Выучите сокращения написания длинных электронных конфигураций. Атомы на правом краю периодической системы называются благородными газами. Эти элементы химически очень устойчивы. Чтобы сократить процесс написания длинных электронных конфигураций, просто записывайте в квадратных скобках химический символ ближайшего благородного газа с меньшим по сравнению с вашим атомом числом электронов, а затем продолжайте писать электронную конфигурацию последующих орбитальных уровней. Смотрите ниже:
- Чтобы понять эту концепцию, полезно будет написать пример конфигурации. Давайте напишем конфигурацию цинка (атомный номер 30), используя сокращение, включающее благородный газ. Полная конфигурация цинка выглядит так: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10. Однако мы видим, что 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 — это электронная конфигурация аргона, благородного газа. Просто замените часть записи электронной конфигурации цинка химическим символом аргона в квадратных скобках ([Ar].)
- Итак, электронная конфигурация цинка, записанная в сокращенном виде, имеет вид: [Ar]4s2 3d10.
- Учтите, если вы пишете электронную конфигурацию благородного газа, скажем, аргона, писать [Ar] нельзя! Нужно использовать сокращение благородного газа, стоящего перед этим элементом; для аргона это будет неон ([Ne]).
Реклама
-
1
Освойте периодическую таблицу ADOMAH. Данный метод записи электронной конфигурации не требует запоминания, однако требует наличия переделанной периодической таблицы, поскольку в традиционной таблице Менделеева, начиная с четвертого периода, номер периода не соответствует электронной оболочке. Найдите периодическую таблицу ADOMAH — особый тип периодической таблицы, разработанный ученым Валерием Циммерманом. Ее легко найти посредством короткого поиска в интернете.[2]
- В периодической таблице ADOMAH горизонтальные ряды представляют группы элементов, такие как галогены, инертные газы, щелочные металлы, щелочноземельные металлы и т.д. Вертикальные колонки соответствуют электронным уровням, а так называемые “каскады” (диагональные линии, соединяющие блоки s,p,d и f) соответствуют периодам.
- Гелий перемещен к водороду, поскольку оба этих элемента характеризуются орбиталью 1s. Блоки периодов (s,p,d и f) показаны с правой стороны, а номера уровней приведены в основании. Элементы представлены в прямоугольниках, пронумерованных от 1 до 120. Эти номера являются обычными атомными номерами, которые представляют общее количество электронов в нейтральном атоме.
-
2
Найдите ваш атом в таблице ADOMAH. Чтобы записать электронную конфигурацию элемента, найдите его символ в периодической таблице ADOMAH и вычеркните все элементы с большим атомным номером. Например, если вам нужно записать электронную конфигурацию эрбия (68), вычеркните все элементы от 69 до 120.
- Обратите внимание на номера от 1 до 8 в основании таблицы. Это номера электронных уровней, или номера колонок. Игнорируйте колонки, которые содержат только вычеркнутые элементы. Для эрбия остаются колонки с номерами 1,2,3,4,5 и 6.
-
3
Посчитайте орбитальные подуровни до вашего элемента. Смотря на символы блоков, приведенные справа от таблицы (s, p, d, and f), и на номера колонок, показанные в основании, игнорируйте диагональные линии между блоками и разбейте колонки на блоки-колонки, перечислив их по порядку снизу вверх. И снова игнорируйте блоки, в которых вычеркнуты все элементы. Запишите блоки-колонки, начиная от номера колонки, за которым следует символ блока, таким образом: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 6s (для эрбия).
- Обратите внимание: Приведенная выше электронная конфигурация Er записана в порядке возрастания номера электронного подуровня. Ее можно также записать в порядке заполнения орбиталей. Для этого следуйте по каскадам снизу вверх, а не по колонкам, когда вы записываете блоки-колонки: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f12.
-
4
Посчитайте электроны для каждого электронного подуровня. Подсчитайте элементы, в каждом блоке-колонке которые не были вычеркнуты, прикрепляя по одному электрону от каждого элемента, и запишите их количество рядом с символом блока для каждого блока-колонки таким образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f12 5s2 5p6 6s2. В нашем примере это электронная конфигурация эрбия.
-
5
Учитывайте неправильные электронные конфигурации. Существует восемнадцать типичных исключений, относящихся к электронным конфигурациям атомов в состоянии с наименьшей энергией, также называемом основным энергетическим состоянием. Они не подчиняются общему правилу только по последним двум-трем положениям, занимаемым электронами. При этом действительная электронная конфигурация предполагает нахождение электронов в состоянии с более низкой энергией в сравнении со стандартной конфигурацией атома. К атомам-исключениям относятся:
- Cr (…, 3d5, 4s1); Cu (…, 3d10, 4s1); Nb (…, 4d4, 5s1); Mo (…, 4d5, 5s1); Ru (…, 4d7, 5s1); Rh (…, 4d8, 5s1); Pd (…, 4d10, 5s0); Ag (…, 4d10, 5s1); La (…, 5d1, 6s2); Ce (…, 4f1, 5d1, 6s2); Gd (…, 4f7, 5d1, 6s2); Au (…, 5d10, 6s1); Ac (…, 6d1, 7s2); Th (…, 6d2, 7s2); Pa (…, 5f2, 6d1, 7s2); U (…, 5f3, 6d1, 7s2); Np (…, 5f4, 6d1, 7s2) и Cm (…, 5f7, 6d1, 7s2).
Реклама
Советы
- Чтобы найти атомный номер атома, когда он записан в форме электронной конфигурации, просто сложите все числа, которые идут за буквами (s, p, d, и f). Это работает только для нейтральных атомов, если вы имеете дело с ионом, то ничего не получится — вам придется добавить или вычесть количество дополнительных или потерянных электронов.
- Число, идущее за буквой — это верхний индекс, не сделайте ошибку в контрольной.
- “Стабильности полузаполненного” подуровня не существует. Это упрощение. Любая стабильность, которая относится к “наполовину заполненным” подуровням, имеет место из-за того, что каждая орбиталь занята одним электроном, поэтому минимизируется отталкивание между электронами.
- Каждый атом стремится к стабильному состоянию, а самые стабильные конфигурации имеют заполненные подуровни s и p (s2 и p6). Такая конфигурация есть у благородных газов, поэтому они редко вступают в реакции и в таблице Менделеева расположены справа. Поэтому, если конфигурация заканчивается на 3p4, то для достижения стабильного состояния ей необходимо два электрона (чтобы потерять шесть, включая электроны s-подуровня, потребуется больше энергии, поэтому потерять четыре легче). А если конфигурация оканчивается на 4d3, то для достижения стабильного состояния ей необходимо потерять три электрона. Кроме того, полузаполненные подуровни (s1, p3, d5..) являются более стабильными, чем, например, p4 или p2; однако s2 и p6 будут еще более устойчивыми.
- Когда вы имеете дело с ионом, это значит, что количество протонов не равно количеству электронов. Заряд атома в этом случае будет изображен сверху справа (как правило) от химического символа. Поэтому атом сурьмы с зарядом +2 имеет электронную конфигурацию 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p1. Обратите внимание, что 5p3 изменилось на 5p1. Будьте внимательны, когда конфигурация нейтрального атома заканчивается на подуровни, отличные от s и p. Когда вы забираете электроны, вы можете забрать их только с валентных орбиталей (s и p орбиталей). Поэтому, если конфигурация заканчивается на 4s2 3d7 и атом получает заряд +2, то конфигурация будет заканчиваться 4s0 3d7. Обратите внимание, что 3d7 не меняется, вместо этого теряются электроны s-орбитали.
- Существуют условия, когда электрон вынужден “перейти на более высокий энергетический уровень”. Когда подуровню не хватает одного электрона до половинной или полной заполненности, заберите один электрон из ближайшего s или p- подуровня и переместите его на тот подуровень, которому необходим электрон.
- Имеется два варианта записи электронной конфигурации. Их можно записывать в порядке возрастания номеров энергетических уровней или в порядке заполнения электронных орбиталей, как было показано выше для эрбия.
- Также вы можете записывать электронную конфигурацию элемента, записав лишь валентную конфигурацию, которая представляет собой последний s и p подуровень. Таким образом, валентная конфигурация сурьмы будет иметь вид 5s2 5p3.
- Ионы не то же самое. С ними гораздо сложнее. Пропустите два уровня и действуйте по той же схеме в зависимости от того, где вы начали, и от того, насколько велико количество электронов.
Реклама
Об этой статье
Эту страницу просматривали 482 905 раз.
Была ли эта статья полезной?
Добавил:
Upload
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:
Скачиваний:
171
Добавлен:
18.03.2015
Размер:
2.27 Mб
Скачать
Итак, каждое из четырех квантовых чисел “отвечает” за определенный аспект характеристики электронного состояния. Набор всех четырех квантовых чисел позволяет полностью охарактеризовать состояние электрона в атоме с позиций квантово-механической модели.
Существует очень простая и наглядная система обозначений, в которой принято символически изображать каждую орбиталь клеткой (так называемой квантовой ячейкой) (рис. 1.5.), а значения спинового квантового числа ото-
ждествлять с направлением стрелки: ↑ (ms = + ½), ↓ (ms = – ½).
Согласно правилу Хунда (принципу максимальной мультиплетности)
абсолютное значение суммарного спинового числа электронов данного энергетического подуровня должно быть максимальным.
s-подуровень
p-подуровень
d-подуровень
f-подуровень
Рис. 1.5. Квантовые ячейки
Другими словами, в основном состоянии атома (такое состояние отвечает его минимальной энергии) максимальное число квантовых ячеек должно быть занято электронами, поэтому при построении схемы распределения электронов по квантовым ячейкам следует сначала помещать по одному электрону в каждую из них (спины всех электронов данного подуровня должны быть па-
29
раллельными), и только после того, как одиночные электроны заполнят все ячейки, в них помещается второй электрон с антипараллельным спином.
Например, единственно верным вариантом распределения четырех электронов на d-энергетический подуровень является следующий:
↑↑ ↑ ↑
d-подуровень
т.к. именно в этом случае суммарное спиновое число достигает максимального значения: +½+½+½+½ = +4/2.
Электроны с одинаковыми значениями квантового числа ms (т.е. электроны с параллельными спинами) называют неспаренными. Именно эти электроны играют решающую роль в процессе образования химической связи между атомами, определяя их валентные состояния.
Если же число электронов превышает количество квантовых ячеек, то нахождение электронов в одной и той же квантовой ячейке возможно лишь в том случае, если значения спиновых квантовых чисел этих электронов противоположны (такие электроны с антипараллельными спинами называют спаренными). Например, семь электронов заполняют ячейки d-состояния следующим образом:
|
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑ |
|
d-подуровень
При получении атомом дополнительной энергии он переходит из основного в возбужденное состояние. При этом электроны из полностью заполненных орбиталей переходят на вакантные орбитали того же энергетического подуровня. Число неспаренных электронов при этом увеличивается, и валентные возможности атома изменяются.
Из принципа Паули следует, что в одной и той же квантовой ячейке (квантовые числа n, ℓ, mℓ для таких электронов уже совпадают) могут находиться максимум два электрона с противоположными значениями спинового
30
квантового числа ms. Это позволяет установить предельную емкость каждого энергетического подуровня (рис. 1.6.).
|
s-подуровень |
↑ ↓ |
2 |
электрона |
||||||
|
p-подуровень |
6 |
электронов |
|||||||
|
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
|||||||
|
d-подуровень |
10 электронов |
||||||||
|
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
|||||
|
f-подуровень |
14 электронов |
||||||||
|
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
↑ ↓ |
|||
Рис. 1.6. Максимальная емкость энергетических подуровней
Итак, каждый энергетический подуровень имеет ограничения по количеству электронов, которые его заполняют.
1.8. Электронные формулы атомов
Представить электронное строение многоэлектронного атома – это значит в условной форме дать распределение электронов этого атома по энергетическим уровням и подуровням, т.е. составить так называемую электронную формулу атома. Электронная формула – это своего рода шифр, основу которого составляют квантовые числа. Электронная формула атома строится из блоков вида:
nℓx,
где: n – главное квантовое число (номер энергетического уровня, его зна чение указывается цифрой 1,2,3, 4,5,…), ℓ – орбитальное квантовое число (его значение обозначается соответствующей латинской буквой s, p, d, f), x – число электронов, находящихся в данном квантовом состоянии.
31
Например, запись 4d7 означает, что семь электронов занимают четвертый энергетический уровень, d-подуровень, т.е. для этих семи электронов n=4 и ℓ=2.
Электронная формула атома составляется для его основного состояния, т.е. для состояния, которому отвечает минимальная энергия. При составлении электронных формул следует производить заполнение энергетических подуровней в порядке роста их энергии, низшие по энергии подуровни всегда заполняются первыми (принцип наименьшей энергии).
Энергия подуровней растет в соответствии с ростом суммарного значения квантовых чисел n + ℓ, а в случае их равенства первым заполняется подуровень с меньшим значением n.
Порядок заполнения легко вывести из диаграммы, представленной на рис. 1.7.
|
1s |
Ó |
||||||
|
2s |
Ó |
2p Ó |
|||||
|
3s |
Ó |
3p Ó |
3d |
Ó |
|||
|
4s |
Ó |
4p Ó |
4d |
Ó |
4f |
Ó |
|
|
5s |
Ó |
5p |
Ó |
5d |
Ó |
5f |
Ó |
|
6s |
Ó |
6p |
Ó |
6d |
Ó |
6f |
|
|
7s |
Ó |
7p |
Ó |
7d |
7f |
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f,…
энергия
Рис. 1.7. Диаграмма энергетических подуровней
32
В этой диаграмме в столбик выписаны энергетические подуровни каждого из семи уровней. При движении справа налево по диагонали данной диаграммы Вы получаете порядок, в котором следует заполнять энергетические подуровни электронами при составлении электронных формул атомов.
Учитывая рассмотренные выше закономерности, электронные формулы атомов алюминия (порядковый номер элемента 13, атом содержит 13 электронов) и скандия (порядковый номер элемента 21, атом содержит 21 электрон) можно представить в виде:
13Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 или 21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2,
если чисто формально скомпоновать подуровни третьего энергетического уровня вместе.
Электронные формулы многоэлектронных атомов можно представить в более краткой форме, если учесть, что полностью застроенные оболочки характеризуют электронное состояние благородных газов – элементов, завершающих каждый период периодической системы Д. И. Менделеева:
He (1s2),
Ne (1s22s22p6),
Ar (1s22s22p63s23p6),
Kr (1s22s22p63s23p63d104s24p6),
Xe (1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6),
Rn (1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p6).
Поэтому в электронных формулах можно указать символ соответствующего благородного газа в квадратных скобках, а далее привести рас-
33
пределение тех электронов атома, число которых превышает число электронов в атоме этого благородного газа. Для рассмотренных выше полных электронных формул алюминия и скандия такая модификация дает следующий результат:
13Al [Ne] 3s2 3p1
21Sc [Ar] 3d1 4s2
Электроны внешнего (последнего) энергетического уровня и, как правило, предвнешнего (предпоследнего) уровня d-подуровня, если он застроен не-
полностью, называют валентными электронами.
Так, валентными электронами Al считаются 3s2 3p1, а Sc – 3d14s2.
Наряду с электронными формулами атомов используют и так называемые электронно-графические формулы, основанные на рассмотренных выше представлениях о квантовых ячейках. В этом случае каждый энергетический подуровень представляется набором соответствующих квантовых ячеек, которые заполняют электронами согласно требованиям принципа Паули и правила Хунда.
Например, электронно-графические формулы атомов алюминия и скандия выглядят так:
|
13Al |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑ |
||||||
|
1s2 |
2s2 |
2p 6 |
3s2 |
3p1 |
|
21Sc |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
↑↓ |
|||||||||||||
|
1s2 |
2s2 |
2p6 |
3s2 |
3p6 |
||||||||||||||||||
|
↑ |
↑↓ |
|||||||||||||||||||||
|
3d1 |
4s2 |
34
Соседние файлы в папке Доп материалы
- #
- #
18.03.20150 б3Смолова К практич зан по химии.pdf
Процесс написания электронной конфигурации атома любого элемента можно разбить в несколько этапов:
- Определение числа электронов
- Размещение электронов по уровням, подуровням и квантовым ячейкам в соответствии с нижеуказанным правилам.
Первое правило – принцип Паули.
Принцип Паули гласит, что в атоме не может быть двух электронов, для которых одинаковы значения всех четырех квантовых чисел. Они должны находиться в различных квантовых состояниях и отличаться хотя бы одним из четырех квантовых чисел.
Таким образом, с помощью математических преобразований было выяснено, что максимальное число электронов на s-, p-, d-. f- подуровнях соответственно равно 2,6, 10 и 14 независимо от значения n ( где n – характеризует энергетический уровень).
Второе правило – принцип наименьшей энергии.
Этот принцип заключается в том, что размещение электронов по уровням и подуровням должно отвечать энергии наибольшей связи их с ядрами. В связи с этим была найдена следующая экспериментальная последовательность:
1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 4s – 3d – 4p – 5s – 4d – 5p – 6s – (5d^2) – 4f – 5d – 6p – 7s – (6d^2) – 5f – 6d – 7p
Третье правило – правило Гунда.
Этому правилу подчиняется размещение электронов по квантовым ячейкам.
Согласно ему, электроны в пределах подуровня (s-, p-, d-, f-) располагаются сначала каждый в отдельной квантовой ячейки в виде неспареных электронов.
Рассмотрим на примере атома хлора.
1 шаг. Открываем таблицу Менделеева и смотрим порядковый номер элемента. В нашем случае порядковый номер равен 17ти. Значит, атом хлора содержит 17 электронов.
2 шаг. Глядя на вышеописанные правила записываем электронную конфигурацию, при этом помним, что в подуровне s максимум мб 2 электрона, в подуровне p – 6.
Значит, у нас максимально заполняются подуровни 1s (два электрона), 2s (два электрона), 2p (6 электронов), 3s (два электрона).
Складывая все электроны (2+2+6+2), которые мы разместили по подуровням, получаем значение 12.
Для того, чтобы нам заполнить оставшийся 3p уровень, мы от общего кол-ва электронов (17) отнимаем полученное выше значение 12. Итого мы получаем, что надо разместить оставшиеся пять электронов на подуровне 3p, а это значит, что на 3p уровне 5 электронов (17-12=5).
Таким образом, электронная конфигурация имеет вид:
Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
3 шаг. Далее рисуется графически электронная конфигурация.
Ниже всего расположен квадрат 1s подуровня. И дальше в порядке увелечения по принципу сохранения энергии. В соответствии с правилом Гунда, в ячейке расположена два электрона с противоположными спинами (смотрящие в разные стороны стрелочки). Подобным образом заполняем все остальные ячейки.
Дойдя до подуровня 3p, мы помним, что у нас 5 электронов. Поэтому сначала рисуем стрелочки вверх, т.к. 3 ячейки, значит и 3 стрелочки вверх, а затем рисуем стрелочки вниз. Итого получаем, что в последней ячейке у нас есть один неспареный электрон.
С помощью электронной конфигурации мы можем определить все возможные степени окисления того или иного элемента.
Так, например, глядя на выше описанную электронную конфигурацию, мы видим, что у атома хлора есть один неспаренный электрон. Это значит, что для него характерны степени окисление +1, -1 и 0.
Если вам необходимо написать электронную конфигурацию Cl- (хлор минус), то вы прибавляете 1 электрон у уже имеющимся на 3p подуровне. Итого получаете – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Для хлор плюс наоборот отнимаете один электрон.
Также не стоит забыть, что атомы отличаются возбужденной и невозбужденной электронной конфигурацией, что обязательно указывается в виде символа *.
В случае, если у нас Cl*, то один спаренный электрон на подуровне 3p переходит на уровень 3d, таким образом получаем три неспаренных электрона, что свидетельствуют о возможной степени окисления +3.
У нас остаются еще неспаренные элетроны, это значит, что может существовать и Cl**, в таком случае с еще одной ячейки 3p перебегает электрон на 3d, таким образом возможна степень окисления хлора +5.
Также может перебегать и электрон с уровня 3s, в этом же случае степень оксиления будет равна +7.
24,2 K
Комментировать ответ…Комментировать…
Электронная конфигурация атома
Электронная конфигурация атома – это формула, показывающая расположение электронов в атоме по уровням и
подуровням. После изучения статьи Вы узнаете, где и как располагаются электроны, познакомитесь с квантовыми числами и
сможете построить электронную конфигурацию атома по его номеру, в конце статьи приведена таблица элементов.
Для чего изучать электронную конфигурацию элементов?
Атомы как конструктор: есть определённое количество деталей, они отличаются друг от друга, но две детали
одного типа абсолютно одинаковы. Но этот конструктор куда интереснее, чем пластмассовый и вот почему.
Конфигурация меняется в зависимости от того, кто есть рядом. Например, кислород рядом с водородом может
превратиться в воду, рядом с натрием в газ, а находясь рядом с железом вовсе превращает его в ржавчину.
Что бы ответить на вопрос почему так происходит и предугадать поведение атома рядом с другим необходимо
изучить электронную конфигурацию, о чём и пойдёт речь ниже.
Сколько электронов в атоме?
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов, ядро состоит из протонов и нейтронов. В нейтральном
состоянии у каждого атома количество электронов равно количеству протонов в его ядре. Количество
протонов обозначили порядковым номером элемента, например, сера, имеет 16 протонов – 16й элемент периодической
системы. Золото имеет 79 протонов – 79й элемент таблицы Менделеева. Соответственно, в сере в нейтральном
состоянии 16 электронов, а в золоте 79 электронов.
Где искать электрон?
Наблюдая поведение электрона были выведены определённые закономерности, они описываются
квантовыми числами, всего их четыре:
- Главное квантовое число
- Орбитальное квантовое число
- Магнитное квантовое число
- Спиновое квантовое число
Орбиталь
Далее, вместо слова орбита, мы будем использовать термин “орбиталь”, орбиталь – это волновая функция электрона,
грубо – это область, в которой электрон проводит 90% времени.
N – уровень
L – оболочка
Ml – номер орбитали
Ms – первый или второй электрон на орбитали
Орбитальное квантовое число l
В результате исследования электронного облака, обнаружили, что в зависимости от уровня энергии,
облако принимает четыре основных формы: шар, гантели и другие две, более сложные.
В порядке возрастания энергии, эти формы называются s-,p-,d- и f-оболочкой.
На каждой из таких оболочек может располагаться 1 (на s), 3 (на p), 5 (на d) и 7 (на f)
орбиталей. Орбитальное квантовое число – это оболочка, на которой находятся
орбитали. Орбитальное квантовое число для s,p,d и f-орбиталей соответственно
принимает значения 0,1,2 или 3.
На s-оболочке одна орбиталь (L=0) – два электрона
На p-оболочке три орбитали (L=1) – шесть электронов
На d-оболочке пять орбиталей (L=2) – десять электронов
На f-оболочке семь орбиталей (L=3) – четырнадцать электронов
Магнитное квантовое число ml
На p-оболочке находится три орбитали, они обозначаются цифрами
от -L, до +L, то есть, для p-оболочки (L=1) существуют орбитали “-1”, “0” и “1”.
Магнитное квантовое число обозначается буквой ml.
Внутри оболочки электронам легче
располагаться на разных орбиталях, поэтому первые электроны заполняют по одному на каждую
орбиталь, а затем уже к каждому присоединяется его пара.
Рассмотрим d-оболочку:
d-оболочке соответствует значение L=2, то есть пять орбиталей (-2,-1,0,1 и 2), первые пять
электронов заполняют оболочку принимая значения Ml=-2,Ml=-1,Ml=0,
Ml=1,Ml=2.
Спиновое квантовое число ms
Спин – это направление вращения электрона вокруг своей оси, направлений два, поэтому спиновое квантовое число
имеет два значения: +1/2 и -1/2. На одном энергетическом подуровне могут находиться два электрона только с
противоположными спинами. Спиновое квантовое число обозначается ms
Главное квантовое число n
Главное квантовое число – это уровень энергии, на данный момент известны семь энергетических уровней,
каждый обозначается арабской цифрой: 1,2,3,…7. Количество оболочек на каждом уровне равно номеру уровня:
на первом уровне одна оболочка, на втором две и т.д.
Номер электрона
Итак, любой электрон можно описать четырьмя квантовыми числами, комбинация из этих чисел уникальна для каждой
позиции электрона, возьмём первый электрон, самый низкий энергетический уровень это N=1, на первом уровне
распологается одна оболочка, первая оболочка на любом уровне имеет форму шара (s-оболочка), т.е. L=0,
магнитное квантовое число может принять только одно значение, Ml=0 и спин будет равен +1/2.
Если мы возьмём пятый электрон (в каком бы атоме он не был), то главные квантовые числа для него будут:
N=2, L=1, M=-1, спин 1/2.
Энергетические уровни с подуровнями для наглядности изображены ниже, сверху вниз расположены уровни
и цветом разделены подуровни:
| 1 | |||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | |||||||||||||||||||
| 3 | |||||||||||||||||||
| 4 | |||||||||||||||||||
| 5 | |||||||||||||||||||
| 6 | |||||||||||||||||||
| 7 | |||||||||||||||||||
| 8 | |||||||||||||||||||
| Таблица 1. Распределение электронов по энергетическим уровням |
Здесь, сверху-вниз показаны энергетические уровни (1-7), слева-направо разделены по группам электронные
подуровни (s,p,d,f), в каждой ячейке располагаются по два электрона в противоположных направлениях. Общий
принцип распределения электронов такой, что энергетические подуровни заполняются в порядке суммы главного
и орбитального квантовых чисел, то есть: 1S, 2S, 2P, 3S, 3P, 4S, 3D и так далее, если сумма одинакова, то
сначала заполняется уровень с меньшим главным квантовым числом N.
У некоторых элементов имеются отклонения в формировании электронной конфигурации, а именно у
24Cr,
29Cu,
41Nb,
42Mo,
44Ru,
45Rh,
46Pd,
47Ag,
78Pt,
79Au
Элементы
Проверьте себя, составьте электронную конфигурацию для элементов #8, #14 и #18, затем проверьте себя по таблице ниже.
| № | Элемент | Название | Электронная конфигурация | Энергетических уровней |
|---|---|---|---|---|
| 1 | H | водород | 1s 1 | 1 |
| 2 | He | гелий | 1s 2 | 1 |
| 3 | Li | литий | 1s 22s 1 | 2 |
| 4 | Be | бериллий | 1s 22s 2 | 2 |
| 5 | B | бор | 1s 22s 22p 1 | 2 |
| 6 | C | углерод | 1s 22s 22p 2 | 2 |
| 7 | N | азот | 1s 22s 22p 3 | 2 |
| 8 | O | кислород | 1s 22s 22p 4 | 2 |
| 9 | F | фтор | 1s 22s 22p 5 | 2 |
| 10 | Ne | неон | 1s 22s 22p 6 | 2 |
| 11 | Na | натрий | 1s 22s 22p 63s 1 | 3 |
| 12 | Mg | магний | 1s 22s 22p 63s 2 | 3 |
| 13 | Al | алюминий | 1s 22s 22p 63s 23p1 | 3 |
| 14 | Si | кремний | 1s 22s 22p 63s 23p2 | 3 |
| 15 | P | фосфор | 1s 22s 22p 63s 23p3 | 3 |
| 16 | S | сера | 1s 22s 22p 63s 23p4 | 3 |
| 17 | Cl | хлор | 1s 22s 22p 63s 23p5 | 3 |
| 18 | Ar | аргон | 1s 22s 22p 63s 23p6 | 3 |
| 19 | K | калий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 1 | 4 |
| 20 | Ca | кальций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 2 | 4 |
| 21 | Sc | скандий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d1 | 4 |
| 22 | Ti | титан | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d2 | 4 |
| 23 | V | ванадий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d3 | 4 |
| 24 | Cr | хром | 1s 22s 22p 63s 23p64s 13d5 | 4 |
| 25 | Mn | марганец | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d5 | 4 |
| 26 | Fe | железо | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d6 | 4 |
| 27 | Co | кобальт | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d7 | 4 |
| 28 | Ni | никель | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d8 | 4 |
| 29 | Cu | медь | 1s 22s 22p 63s 23p64s 13d10 | 4 |
| 30 | Zn | цинк | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d10 | 4 |
| 31 | Ga | галлий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p1 | 4 |
| 32 | Ge | германий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p2 | 4 |
| 33 | As | мышьяк | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p3 | 4 |
| 34 | Se | селен | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p4 | 4 |
| 35 | Br | бром | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p5 | 4 |
| 36 | Kr | криптон | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p6 | 4 |
| 37 | Rb | рубидий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s1 | 5 |
| 38 | Sr | стронций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s2 | 5 |
| 39 | Y | иттрий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d1 | 5 |
| 40 | Zr | цирконий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d2 | 5 |
| 41 | Nb | ниобий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s14d4 | 5 |
| 42 | Mo | молибден | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s14d5 | 5 |
| 43 | Tc | технеций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d5 | 5 |
| 44 | Ru | рутений | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s14d7 | 5 |
| 45 | Rh | родий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s14d8 | 5 |
| 46 | Pd | палладий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p64d10 | 5 |
| 47 | Ag | серебро | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s14d10 | 5 |
| 48 | Cd | кадмий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d10 | 5 |
| 49 | In | индий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p1 | 5 |
| 50 | Sn | олово | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p2 | 5 |
| 51 | Sb | сурьма | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p3 | 5 |
| 52 | Te | теллур | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p4 | 5 |
| 53 | I | йод | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p5 | 5 |
| 54 | Xe | ксенон | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p6 | 5 |
| 55 | Cs | цезий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s1 | 6 |
| 56 | Ba | барий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s2 | 6 |
| 57 | La | лантан | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s25d1 | 6 |
| 58 | Ce | церий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f2 | 6 |
| 59 | Pr | празеодим | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f3 | 6 |
| 60 | Nd | неодим | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f4 | 6 |
| 61 | Pm | прометий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f5 | 6 |
| 62 | Sm | самарий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f6 | 6 |
| 63 | Eu | европий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f7 | 6 |
| 64 | Gd | гадолиний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f75d1 | 6 |
| 65 | Tb | тербий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f9 | 6 |
| 66 | Dy | диспрозий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f10 | 6 |
| 67 | Ho | гольмий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f11 | 6 |
| 68 | Er | эрбий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f12 | 6 |
| 68 | Tm | тулий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f13 | 6 |
| 70 | Yb | иттербий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f14 | 6 |
| 71 | Lu | лютеций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d1 | 6 |
| 72 | Hf | гафний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d2 | 6 |
| 73 | Ta | тантал | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d3 | 6 |
| 74 | W | вольфрам | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d4 | 6 |
| 75 | Re | рений | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d5 | 6 |
| 76 | Os | осмий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d6 | 6 |
| 77 | Ir | иридий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d7 | 6 |
| 78 | Pt | платина | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s14f145d9 | 6 |
| 79 | Au | золото | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s14f145d10 | 6 |
| 80 | Hg | ртуть | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d10 | 6 |
| 81 | Tl | таллий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p1 | 6 |
| 82 | Pb | свинец | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p2 | 6 |
| 83 | Bi | висмут | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p3 | 6 |
| 84 | Po | полоний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p4 | 6 |
| 85 | At | астат | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p5 | 6 |
| 86 | Rn | радон | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s14d105p66s24f145d106p6 | 6 |
| 87 | Fr | франций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s1 | 7 |
| 88 | Ra | радий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s2 | 7 |
| 89 | Ac | актиний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s26d1 | 7 |
| 90 | Th | торий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s26d25f0 | 7 |
| 91 | Pa | протактиний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f26d1 | 7 |
| 92 | U | уран | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f36d1 | 7 |
| 93 | Np | нептуний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f46d1 | 7 |
| 94 | Pu | плутоний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f56d1 | 7 |
| 95 | Am | америций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f7 | 7 |
| 96 | Cm | кюрий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f76d1 | 7 |
| 97 | Bk | берклий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f86d1 | 7 |
| 98 | Cf | калифорний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f10 | 7 |
| 99 | Es | эйнштейний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f11 | 7 |
| 100 | Fm | фермий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f12 | 7 |
| 101 | Md | менделеевий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f13 | 7 |
| 102 | No | нобелий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f14 | 7 |
| 103 | Lr | лоуренсий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d1 | 7 |
| 104 | Rf | резерфордий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d2 | 7 |
| 105 | Db | дубний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d3 | 7 |
| 106 | Sg | сиборгий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d4 | 7 |
| 107 | Bh | борий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d5 | 7 |
| 108 | Hs | хассий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d6 | 7 |
| 109 | Mt | мейтнерий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d7 | 7 |
| 110 | Ds | дармштадтий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d8 | 7 |
| 111 | Rg | рентгений | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d9 | 7 |
| 112 | Cn | коперниций | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d10 | 7 |
| 113 | Nh | нихоний | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p1 | 7 |
| 114 | Fl | флеровий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p2 | 7 |
| 115 | Mc | московий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p3 | 7 |
| 116 | Lv | ливерморий | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p4 | 7 |
| 117 | Ts | теннесcин | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p5 | 7 |
| 118 | Og | оганесон | 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p6 | 7 |
| Таблица 2. Электронная конфигурация атомов |
Если Вы хотите узнать, как составить электронную конфигурацию, обратитесь к статье
«как написать электронную конфигурацию»
Квантовые числа электронов в атомах
Атомно-молекулярное учение
Мы приступаем к изучению химии – мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными
формулами элементов.
Атом (греч. а – отриц. частица + tomos – отдел, греч. atomos – неделимый) – электронейтральная частица вещества микроскопических
размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).
Описываемая модель атома называется “планетарной” и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом
Протон (греч. protos – первый) – положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов
элементов. Нейтрон (лат. neuter – ни тот, ни другой) – нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех
химических элементов, кроме водорода.
Электрон (греч. elektron – янтарь) – стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома –
порядковый номер в таблице Менделеева – равен числу электронов (и, соответственно, протонов).
Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20)
в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.
Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило:
порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.
Электронная конфигурация атома
Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим
электроны занимают различные энергетические уровни.
Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней:
- Первый уровень
- Второй уровень
- Третий уровень
- Четвертый уровень
Состоит из s-подуровня: одной “1s” ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами – 1s2)
Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (2s2) и p-подуровня: трех “p” ячеек (2p6), на которых
помещается 6 электронов
Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (3s2), p-подуровня: трех “p” ячеек (3p6) и d-подуровня:
пяти “d” ячеек (3d10), в которых помещается 10 электронов
Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (4s2), p-подуровня: трех “p” ячеек (4p6), d-подуровня:
пяти “d” ячеек (4d10) и f-подуровня: семи “f” ячеек (4f14), на которых помещается 14
электронов
Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число
электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а
также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.
Подуровни: “s”, “p” и “d”, которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или
атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный “рисунок”.
S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь – клеверный лист.
Правила заполнения электронных орбиталей и примеры
Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов:
- Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
- На орбитали (в одной “ячейке”) не может располагаться более двух электронов
- Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются
еще одним электроном с противоположным направлением - Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s
Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было
бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.
Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.
Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и
серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода – 6, у серы – 16.
Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.
Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил.
А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся
одним электроном дополнили первую ячейку.
Таким образом, электронные конфигурации наших элементов:
- Углерод – 1s22s22p2
- Серы – 1s22s22p63s23p4
Внешний уровень и валентные электроны
Количество электронов на внешнем (валентном) уровне – это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда
для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно:
- Углерод – 2s22p2 (4 валентных электрона)
- Сера -3s23p4 (6 валентных электронов)
Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью – способностью атомов образовывать определенное число химических связей.
- Углерод – 2s22p2 (2 неспаренных валентных электрона)
- Сера -3s23p4 (2 неспаренных валентных электрона)
Тренировка
Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных
электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.
Запишем получившиеся электронные конфигурации магния и скандия:
- Магний – 1s22s22p63s2
- Скандий – 1s22s22p63s23p64s23d1
В целом несложная и интересная тема электронных конфигураций отягощена небольшим исключением – провалом электрона, которое только подтверждает общее
правило: любая система стремится занять наименее энергозатратное состояние.
Провал электрона
Провалом электрона называют переход электрона с внешнего, более высокого энергетического уровня, на предвнешний, энергетически более
низкий. Это связано с большей энергетической устойчивостью получающихся при этом электронных конфигураций.
Подобное явление характерно лишь для некоторых элементов: медь, хром, серебро, золото, молибден. Для примера выберем хром, и рассмотрим
две электронных конфигурации: первую “неправильную” (сделаем вид, будто мы не знаем про провал электрона) и вторую правильную, написанную
с учетом провала электрона.
Теперь вы понимаете, что кроется под явлением провала электрона. Запишите электронные конфигурации хрома и меди самостоятельно еще раз и
сверьте с представленными ниже.
Основное и возбужденное состояние атома
Основное и возбужденное состояние атома отражаются на электронных конфигурациях. Возбужденное состояние связано с движением электронов
относительно атомных ядер. Говоря проще: при возбуждении пары электронов распариваются и занимают новые ячейки.
Возбужденное состояние является для атома нестабильным, поэтому долгое время в нем он пребывать не может. У некоторых атомов: азота,
кислорода , фтора – возбужденное состояние невозможно, так как отсутствуют свободные орбитали (“ячейки”) – электронам некуда перескакивать, к тому
же d-орбиталь у них отсутствует (они во втором периоде).
У серы возможно возбужденное состояние, так как она имеет свободную d-орбиталь, куда могут перескочить электроны. Четвертый энергетический
уровень отсутствует, поэтому, минуя 4s-подуровень, заполняем распаренными электронами 3d-подуровень.
По мере изучения основ общей химии мы еще не раз вернемся к этой теме, однако хорошо, если вы уже сейчас запомните, что возбужденное состояние
связано с распаривание электронных пар.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
