§ 4. Состояние электронов в атоме

Определения и обозначения

Электронное облако — область пространства вокруг ядра, в которой наиболее вероятно обнаружить электрон. Оно не имеет резкой границы: ближе к ядру вероятность обычно выше, а дальше постепенно уменьшается. Это понятие заменяет наглядную, но неточную картину движения электрона по одной линии.

Атомная орбиталь — часть электронного облака, соответствующая определённому состоянию электрона и вмещающая не более двух электронов. Орбиталь характеризуется энергией, формой и ориентацией в пространстве. Она нужна, чтобы различать конкретные состояния электронов внутри уровня и подуровня.

Квантовые числа — числа, описывающие энергию, форму, ориентацию орбитали и состояние электрона. У каждого электрона есть набор из четырёх таких чисел, причём допустимые значения строго ограничены. С их помощью можно определить, какие электроны могут находиться в атоме и чем они отличаются.

Электронная конфигурация — распределение электронов атома по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. Её записывают, например, как 1s² 2s² 2p⁶, где число показывает уровень, буква — подуровень, а верхний индекс — число электронов. Конфигурация позволяет судить о строении внешнего уровня и химическом поведении элемента.

Как это устроено

Точно указать путь электрона вокруг ядра нельзя: микрочастица проявляет волновые свойства, а измерение меняет состояние системы. Поэтому используют электронное облако — модель, показывающую распределение вероятности обнаружения электрона. Чем плотнее участок облака, тем выше вероятность найти там электрон, но это не означает, что электрон неподвижен или размазан как вещество.

Электроны в атоме могут иметь только определённые значения энергии, поэтому говорят об энергетических уровнях. Уровень обозначают главным квантовым числом n = 1, 2, 3…; с увеличением n электрон в среднем находится дальше от ядра и обладает большей энергией. Внутри уровня возможны подуровни, отличающиеся формой орбиталей и энергией, например 2s и 2p.

Подуровни обозначают буквами s, p, d и f. s-подуровень имеет одну сферическую орбиталь, p — три гантелеобразные орбитали, ориентированные по разным направлениям, d — пять орбиталей более сложной, чаще «лепестковой» формы, а f — семь ещё более сложных орбиталей. Каждая орбиталь вмещает два электрона, поэтому вместимость этих подуровней равна соответственно 2, 6, 10 и 14 электронам.

Главное, орбитальное, магнитное и спиновое квантовые числа дополняют друг друга. Первое задаёт уровень, второе — форму подуровня, третье — ориентацию орбитали, а четвёртое показывает одно из двух направлений спина электрона. Благодаря этому набору можно однозначно описать состояние электрона и проверить, допустима ли конкретная электронная конфигурация.

Квантовые числа и характеристики электронных состояний

Таблица помогает быстро сопоставить каждое квантовое число с его смыслом и допустимыми значениями. Для определения числа орбиталей подуровня используют формулу 2l + 1, а для максимального числа электронов — удваивают этот результат. Вместимость всего уровня находят по формуле 2n².

Разбор задач

Задача 1. Третий энергетический уровень

Условие: определить число подуровней, орбиталей и максимальное число электронов на третьем энергетическом уровне. Главному квантовому числу соответствует n = 3. Сначала найдём возможные значения l, затем объединим вместимость всех подуровней.

1. Для n = 3 орбитальное число принимает значения l = 0, 1, 2, то есть уровень содержит 3s-, 3p- и 3d-подуровни.
2. Число орбиталей равно 1 + 3 + 5 = 9, поскольку s, p и d содержат соответственно 1, 3 и 5 орбиталей.
3. Максимальную вместимость вычислим по формуле 2n²: 2 · 3² = 18.

Ответ: третий уровень имеет 3 подуровня, 9 орбиталей и вмещает максимум 18 электронов. Проверка возможна и сложением вместимости: 2 + 6 + 10 = 18.

Задача 2. Фосфор

Условие: составить электронную конфигурацию атома фосфора и показать распределение электронов по орбиталям. Порядковый номер фосфора равен 15, значит, в нейтральном атоме 15 электронов. Заполняем подуровни по возрастанию энергии, не нарушая ограничения орбиталей.

1. Первые 2 электрона занимают 1s: 1s².
2. Следующие 2 и 6 электронов занимают 2s и 2p: 2s² 2p⁶.
3. Оставшиеся 5 электронов распределяются как 3s² 3p³.
4. Орбитальная схема имеет вид: 1s [↑↓], 2s [↑↓], 2p [↑↓][↑↓][↑↓], 3s [↑↓], 3p [↑][↑][↑].

Ответ: конфигурация фосфора — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³. На 3p-подуровне три неспаренных электрона, потому что три равные по энергии орбитали сначала заполняются по одному.

Задача 3. Железо

Условие: составить конфигурацию и орбитальную схему атома железа, определить число неспаренных электронов. У железа порядковый номер 26, поэтому нужно разместить 26 электронов. После заполнения 4s-подуровня электроны переходят на 3d-подуровень.

1. Записываем конфигурацию до аргона: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
2. Добавляем 4s² и затем 3d⁶: полная запись — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.
3. Схема 3d: [↑↓][↑][↑][↑][↑]. После одиночного размещения пяти электронов шестой спаривается с одним из них.

Ответ: у атома железа 4 неспаренных электрона. Положение пары внутри пяти d-орбиталей несущественно: важным является общее число одиночных стрелок.

Типичные ошибки

Ошибка: изображать электрон движущимся по фиксированной орбите. Так поступают из-за сравнения атома с Солнечной системой, но квантовая модель описывает вероятность обнаружения. Проверка: используйте термин «орбиталь» и изображение облака, а не замкнутую линию движения.

Ошибка: путать уровень, подуровень и орбиталь. Уровень включает подуровни, а подуровень включает одну или несколько орбиталей, поэтому это не равнозначные понятия. Проверка: для n = 3 перечислите 3s, 3p, 3d и посчитайте их орбитали.

Ошибка: помещать на одну орбиталь больше двух электронов или рисовать одинаковые спины в паре. Причина — механическое заполнение без применения принципа Паули. Проверка: каждая клетка схемы должна иметь не более двух стрелок, направленных противоположно.

Ошибка: сразу составлять пары на одном подуровне. Это нарушает правило Хунда, потому что равные по энергии орбитали сначала заполняются одиночными электронами. Проверка: на первом этапе в каждой свободной клетке должна стоять одна стрелка.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе ядра, заряде электрона и энергетических уровнях. Электронные конфигурации объясняют периодическое изменение свойств элементов и их положение в периодической системе. Позже они помогут определить валентность, строение химической связи и реакционную способность веществ.

Что запомнить

• Электрон в атоме характеризуется не траекторией, а вероятностью нахождения в определённой области пространства.
• Орбиталь вмещает не более двух электронов с противоположными спинами.
• Энергетический уровень определяется главным квантовым числом, а подуровень — орбитальным квантовым числом.
• s-, p-, d- и f-подуровни содержат соответственно 1, 3, 5 и 7 орбиталей.
• Электроны сначала занимают орбитали с меньшей энергией.
• На равных по энергии орбиталях электроны сначала располагаются по одному.
• Максимальное число электронов на уровне с номером n равно 2n².