§ 7. Электронная конфигурация атома

Определения и обозначения

Электронная конфигурация атома — запись распределения электронов по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. Она показывает, где находятся электроны и какие из них относятся к внешней части атома. Такая запись нужна, чтобы описывать строение атома и объяснять его свойства.

Энергетический подуровень — часть энергетического уровня, объединяющая орбитали с близкой энергией. Его обозначают буквами s, p, d и f. По букве и числу электронов можно понять, какие орбитали заняты, поэтому обозначение подуровня становится частью электронной формулы.

Атомная орбиталь — область пространства около ядра, где вероятность обнаружить электрон велика. Это не точная траектория движения, а область, описывающая возможное положение электрона. На одной орбитали может находиться не более двух электронов, поэтому орбитальная модель помогает наглядно показать их размещение.

Электронная формула — обозначение подуровней и числа электронов на каждом из них, например 1s². Число перед буквой указывает энергетический уровень, буква — подуровень, а верхний индекс — число электронов. По такой записи удобно проверять, все ли электроны атома распределены.

Как это устроено

Чтобы составить конфигурацию нейтрального атома, сначала определяют число его электронов: оно равно порядковому номеру элемента. Затем электроны распределяют по подуровням, начиная с самых низкоэнергетических. Если пропустить этот подсчёт, формула может содержать лишние электроны или не учитывать часть атома.

Подуровни различаются числом орбиталей: s содержит одну, p — три, d — пять, f — семь. Каждая орбиталь вмещает максимум два электрона, поэтому предельная вместимость подуровней равна 2, 6, 10 и 14. Это позволяет заранее понять, когда подуровень заполнен и куда записывать следующие электроны.

Электроны занимают орбитали в порядке возрастания энергии. Его определяют правилом Клечковского: учитывают сумму номера уровня и номера подуровня, а при равенстве сумм раньше заполняется подуровень с меньшим номером уровня. Поэтому порядок не совпадает с простым последовательным перебором уровней: например, 4s заполняется раньше 3d.

Принцип Паули ограничивает число электронов на одной орбитали двумя. Если на орбитали находятся два электрона, их спины — собственные характеристики, связанные с магнитными свойствами частиц, — должны быть противоположными. На схеме это обычно показывают стрелками вверх и вниз в одной ячейке; две стрелки одного направления означали бы нарушение принципа.

Правило Хунда относится к орбиталям одного подуровня, имеющим одинаковую энергию. Электроны сначала занимают свободные орбитали по одному и с одинаковыми спинами, а пары образуют только после этого. Такое размещение помогает определить число неспаренных электронов и отличить основное состояние атома от неверной схемы заполнения.

Характеристики энергетических подуровней

Сначала определите нужный подуровень, затем посмотрите, сколько в нём орбиталей и какова его максимальная вместимость. Верхний индекс в обозначении показывает фактическое число электронов, поэтому он может быть меньше максимального.

Разбор задач

Кислород

Составьте электронную конфигурацию атома кислорода, атомный номер которого равен 8. Нужно распределить восемь электронов в порядке возрастания энергии подуровней. Для проверки после записи сложите верхние индексы.

1. В нейтральном атоме кислорода восемь электронов.
2. Подуровень 1s вмещает два электрона: записываем 1s². Ещё два размещаем на 2s: получаем 2s².
3. Оставшиеся четыре электрона занимают 2p, поэтому последняя часть записи — 2p⁴.

Ответ: 1s² 2s² 2p⁴. Сумма электронов 2 + 2 + 4 равна 8; на трёх p-орбиталях кислорода находятся одна пара и два неспаренных электрона.

Хлор

Запишите электронную конфигурацию хлора (Z = 17) и изобразите распределение электронов по орбиталям внешнего подуровня. После записи формулы нужно применить правило Хунда к трём орбиталям 3p. Обозначения ↑ и ↓ показывают противоположные спины электронов.

1. У нейтрального атома хлора 17 электронов.
2. Последовательно заполняем подуровни: 1s² 2s² 2p⁶ 3s². На них размещено 12 электронов, остаётся пять.
3. Пять оставшихся электронов записываем как 3p⁵. Сначала ставим по одному электрону на три орбитали, затем добавляем два электрона для образования пар.

Ответ: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Внешний подуровень можно изобразить так: 3p [↑↓] [↑↓] [↑]. На нём два спаренных набора и один неспаренный электрон.

Железо

Определите конфигурацию атома железа (Z = 26) и число неспаренных электронов в основном состоянии. Здесь важно не остановиться после заполнения третьего уровня: после 3p заполняется 4s, а затем 3d. Для числа неспаренных электронов отдельно рассмотрим пять орбиталей d-подуровня.

1. У нейтрального атома железа 26 электронов.
2. Заполняем подуровни по энергии: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Это 18 электронов.
3. Следующие два электрона занимают 4s, а оставшиеся шесть — 3d. Получаем 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.
4. На пяти d-орбиталях первые пять электронов размещаются по одному, а шестой образует пару на одной из орбиталей. Остаются четыре неспаренных электрона.

Ответ: конфигурация железа — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶; в основном состоянии у него четыре неспаренных электрона.

Типичные ошибки

Ошибка: заполнять подуровни строго по номеру энергетического уровня. Так думают, потому что уровни часто изучают как последовательные оболочки, но энергия подуровня зависит не только от номера. Проверьте себя по порядку Клечковского: 4s идёт раньше 3d.

Ошибка: помещать на одну орбиталь больше двух электронов или рисовать два электрона с одинаковыми спинами. Это может произойти, если считать орбиталь просто ячейкой без ограничения. Сверяйтесь с принципом Паули: в каждой ячейке не более двух электронов, а стрелки пары направлены противоположно.

Ошибка: сразу спаривать электроны на орбиталях одного подуровня. Так поступают, если заполняют ячейки по очереди, не учитывая их равную энергию. Проверьте схему по правилу Хунда: сначала на каждой свободной орбитали появляется по одному электрону с одинаковыми спинами.

Ошибка: принимать число орбиталей за число электронов, которое может вместить подуровень. Путаница возникает потому, что оба значения связаны с одной и той же буквой. Умножьте число орбиталей на два: например, три p-орбитали вмещают шесть электронов.

Связь с другими темами

Для работы с конфигурациями нужно знать строение атома, заряд ядра и связь порядкового номера с числом электронов в нейтральном атоме. Тема опирается на представления об энергетических уровнях и подуровнях, орбиталях и спине электрона. Составленные конфигурации помогают объяснять периодический закон, химические свойства элементов, образование ионов и химическую связь.

Что запомнить

• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• Подуровни обозначают буквами s, p, d и f.
• Вместимость подуровней s, p, d и f равна 2, 6, 10 и 14 электронам.
• Одна орбиталь вмещает не более двух электронов с противоположными спинами.
• Электроны сначала занимают орбитали одного подуровня по одному.
• Подуровни заполняются в порядке возрастания энергии.