"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Электронная конфигурация показывает, как электроны атома распределены по энергетическим уровням и подуровням. В больших периодах заполняются не только внешние подуровни: после 4s, например, электроны занимают 3d. Такой порядок помогает понять строение переходных элементов, длину периодов и связь положения атома в таблице с его электронным строением. Для хрома и меди существуют исключения из простой схемы заполнения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергетический подуровень — группа орбиталей одного типа внутри энергетического уровня. Буквы s, p, d и f обозначают тип подуровня, а их максимальная вместимость равна соответственно 2, 6, 10 и 14 электронам. Эти пределы помогают проверять записи: если на s указано три электрона, конфигурация неверна.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по уровням и подуровням. В записи 3p⁵ цифра 3 указывает номер уровня, буква p — тип подуровня, а верхний индекс 5 — число электронов на нём. Такая запись позволяет не только пересчитать электроны, но и увидеть, какой подуровень заполняется у атома.
Элементами больших периодов называют элементы четвёртого и последующих периодов, в атомах которых заполняются не только внешние, но и внутренние подуровни. Поэтому запись их конфигураций может включать подуровни с разными номерами уровней. Это понятие помогает понять, почему положение электрона не всегда определяется одним только номером самого внешнего уровня.
Переходные элементы — элементы, у которых заполняется d-подуровень предшествующего энергетического уровня. Например, у атомов ряда четвёртого периода добавляются электроны на 3d, хотя внешний уровень имеет номер 4. В отличие от элементов главных подгрупп, чьё заполнение связано с s- или p-подуровнями внешнего уровня, у переходных элементов меняется заполнение внутреннего d-подуровня.
Электроны занимают подуровни по возрастанию энергии, потому что атом стремится к состоянию с наименьшей возможной энергией. Энергия зависит не только от номера уровня: некоторые подуровни следующего уровня оказываются энергетически выгоднее подуровней предыдущего. Поэтому порядок заполнения не совпадает с простым счётом уровней, и в конфигурациях больших периодов появляются переходы между ними.
В четвёртом периоде сначала заполняется подуровень 4s, а затем начинается заполнение 3d. Причина в том, что для нейтральных атомов начала периода 4s имеет меньшую энергию, чем 3d; поэтому калий и кальций получают электроны на 4s. У следующих элементов постепенно заполняется 3d, формируя переходный ряд, а после него электроны занимают 4p. Так в одном периоде последовательно представлены s-, d- и p-блоки.
В последующих больших периодах повторяется заполнение внешних s- и p-подуровней и внутренних d-подуровней, а в шестом и седьмом периодах добавляются f-подуровни. Различная вместимость этих подуровней и определяет разную длину периодов: s вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10, f — 14. Когда в периоде заполняется больше подуровней, для перехода к следующему периоду требуется больше элементов. Поэтому шестой и седьмой периоды длиннее четвёртого и пятого.
Электронная конфигурация объясняет, где элемент расположен в периодической системе. Номер периода соответствует числу занятых энергетических уровней, а блок показывает тип подуровня, который заполняется у атомов элемента. Например, у элемента p-блока добавляются электроны на p-подуровень, а у переходного элемента — на d-подуровень. Сравнивая конфигурации, можно увидеть, почему свойства элементов периодически повторяются: сходные внешние электронные строения встречаются через определённые промежутки.
Для некоторых атомов простое последовательное заполнение даёт не наиболее устойчивую конфигурацию. У хрома и меди один электрон с 4s переходит на 3d: так образуется наполовину заполненный 3d⁵ у Cr и полностью заполненный 3d¹⁰ у Cu. Эти конфигурации энергетически выгоднее ожидаемых 3d⁴ 4s² и 3d⁹ 4s² соответственно. Поэтому общий порядок заполнения задаёт основу, но для отдельных элементов нужно учитывать известные исключения.
| Период | Заполняемые подуровни | Блоки элементов | Число элементов |
|---|---|---|---|
| 4-й период | 4s, 3d, 4p | s, d, p | 18 |
| 5-й период | 5s, 4d, 5p | s, d, p | 18 |
| 6-й период | 6s, 4f, 5d, 6p | s, f, d, p | 32 |
| 7-й период | 7s, 5f, 6d, 7p | s, f, d, p | 32 |
Таблица показывает последовательность подуровней, которые заполняются при движении по периоду слева направо. Сравните число блоков и элементов: появление f-блока увеличивает длину периода. Запись отражает порядок заполнения, а не то, что все подуровни одного уровня обязательно заполняются подряд.
Задание: запишите электронную конфигурацию атома калия и укажите, какой подуровень заполняется последним. У калия порядковый номер 19, следовательно, в нейтральном атоме 19 электронов. Нужно распределить их по подуровням в порядке возрастания энергии, не переходя пределы вместимости.
Заполняем подуровни до аргоновой конфигурации: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Здесь находятся 18 электронов, что соответствует предыдущему благородному газу аргону. Такой шаг сокращает запись дальнейшей конфигурации.
Девятнадцатый электрон занимает 4s, потому что на этом этапе он имеет меньшую энергию, чем 3d. Получаем конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹, или [Ar] 4s¹. Последним заполняется подуровень 4s.
Ответ: K — [Ar] 4s¹; последним заполняется 4s. Внешний уровень у калия четвёртый, что соответствует его положению в начале четвёртого периода. Электрон на этом подуровне — первый после завершённой конфигурации аргона.
Задание: составьте конфигурацию железа и определите число электронов на внешнем уровне и на 3d-подуровне. У железа порядковый номер 26, значит, электронов в нейтральном атоме тоже 26. Сначала учитываем заполнение 4s, после чего добавляем электроны на 3d.
Первые 18 электронов записываем как [Ar], затем два электрона занимают 4s. Остаётся 26 − 18 − 2 = 6 электронов. Они располагаются на 3d-подуровне.
Полная конфигурация железа — [Ar] 3d⁶ 4s². Внешним является уровень с наибольшим номером, то есть четвёртый, на нём находятся два электрона 4s. На 3d-подуровне шестого уровня? Нет: его номер — 3, и на нём находятся шесть электронов.
Ответ: Fe — [Ar] 3d⁶ 4s²; на внешнем уровне 2 электрона, на 3d-подуровне — 6. Здесь особенно важно различать номер подуровня и номер внешнего уровня. Электроны 3d относятся к третьему уровню, хотя заполняются после 4s.
Задание: составьте конфигурации Cr и Cu, сравните с ожидаемыми по общей схеме и объясните отклонения. У хрома порядковый номер 24, у меди — 29; после [Ar] и заполнения 4s простая схема дала бы соответственно 3d⁴ 4s² и 3d⁹ 4s². Однако для этих атомов устойчивее конфигурации с переносом одного электрона с 4s на 3d.
Для хрома из 24 электронов 18 входят в [Ar], а оставшиеся 6 распределяются как 3d⁵ 4s¹. На d-подуровне получается пять электронов, то есть он наполовину заполнен. Конфигурация Cr — [Ar] 3d⁵ 4s¹.
Для меди после [Ar] остаётся 11 электронов. Вместо ожидаемых 3d⁹ 4s² один электрон переходит с 4s, и получается 3d¹⁰ 4s¹, где d-подуровень заполнен полностью. Конфигурация Cu — [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.
Ответ: Cr — [Ar] 3d⁵ 4s¹, Cu — [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Оба результата отличаются от простого порядка заполнения, потому что наполовину заполненный и заполненный d-подуровни обеспечивают более устойчивое строение. Проверка: в каждой записи общее число электронов должно совпадать с порядковым номером элемента.
Ошибка: считать, что подуровни заполняются строго по возрастанию номера уровня, и поэтому записывать 3d раньше 4s. Так рассуждают, перенося привычный порядок нумерации на порядок энергии. Проверка: сверяйте заполнение с последовательностью подуровней; в начале четвёртого периода после 4s идёт 3d.
Ошибка: принимать номер периода за число электронов на внешнем уровне. Путаница возникает потому, что оба значения связаны с положением элемента в таблице. Проверка: номер периода показывает число занятых уровней, а электроны внешнего уровня нужно отдельно посчитать по конфигурации.
Ошибка: записывать подуровень полностью заполненным, не проверив число электронов в атоме. Тогда сумма электронов может оказаться больше или меньше порядкового номера элемента. Проверяйте итоговый счёт и вместимость: s — не более 2, p — 6, d — 10, f — 14 электронов.
Ошибка: механически применять общий порядок заполнения к хрому и меди. Простая схема подсказывает ожидаемые 3d⁴ 4s² и 3d⁹ 4s², но не учитывает устойчивость особых конфигураций d. Проверка: для Cr и Cu учитывайте перенос одного электрона с 4s на 3d и убедитесь, что общее число электронов сохранилось.
Для работы с конфигурациями нужно знать строение атома, энергетические уровни и вместимость s-, p-, d- и f-подуровней. Периодический закон и устройство таблицы помогают связывать электронное строение с положением элемента и повторением свойств. Эти знания пригодятся при изучении свойств переходных металлов, образования их ионов и химических связей. По конфигурации можно понять, какие электроны участвуют в изменениях атома при химических процессах.
Почему в атомах калия и кальция заполняется 4s, а не 3d?
В нейтральных атомах калия и кальция подуровень 4s имеет меньшую энергию, чем 3d, поэтому электроны сначала занимают его. У калия конфигурация заканчивается на 4s¹, у кальция — на 4s². После этого в атомах следующих элементов начинается заполнение 3d.
Как понять, какой подуровень заполняется последним?
Нужно записать электроны по порядку возрастания энергии подуровней, пока их общее число не станет равным порядковому номеру элемента. Последняя добавленная часть записи показывает подуровень, который заполняется у этого атома. Например, у железа это 3d⁶.
Почему периоды в периодической системе имеют разную длину?
Подуровни имеют разную вместимость: s вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10, f — 14. В разных периодах заполняется разное число подуровней, поэтому на завершение периода требуется неодинаковое количество электронов. Например, в шестом периоде добавляется f-подуровень.
Чем переходные элементы отличаются по электронному строению от элементов главных подгрупп?
У переходных элементов заполняется d-подуровень предыдущего энергетического уровня, а не только подуровни внешнего уровня. Поэтому у элементов одного переходного ряда меняется число электронов на d-подуровне, тогда как внешний уровень часто остаётся похожим. Это особенность их строения связана с характерными свойствами переходных металлов.
Почему электронные конфигурации хрома и меди отличаются от ожидаемых?
Для хрома и меди конфигурация с переносом одного электрона с 4s на 3d оказывается энергетически выгоднее простой схемы. У хрома получается наполовину заполненный 3d-подуровень, а у меди — заполненный. Поэтому их записи отличаются от ожидаемых Cr: [Ar] 3d⁴ 4s² и Cu: [Ar] 3d⁹ 4s².
§ 4. Распределение электронов в атомах элементов больших периодов
