"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Электронное строение показывает, как электроны распределены вокруг ядра атома по уровням, подуровням и орбиталям. Оно помогает объяснить свойства элементов и понять, как атомы образуют химические связи. У водорода один электрон, а у углерода — шесть; их конфигурации записывают как 1s¹ и 1s²2s²2p². По внешнему уровню и расположению электронов можно определить число валентных и неспаренных электронов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергетический уровень — совокупность состояний электронов с близкой энергией; уровень связывают с главным квантовым числом n. Чем больше n, тем дальше в среднем электрон находится от ядра и тем выше его энергия. Это понятие помогает описывать, на каком «слое» электронной оболочки расположен электрон.
Электронная оболочка — область вокруг ядра, в которой находятся электроны, распределённые по энергетическим уровням. Каждый уровень включает подуровни, а те состоят из орбиталей. Такое деление нужно, чтобы не просто пересчитать электроны, а показать их расположение и энергетические различия.
Атомная орбиталь — область пространства вокруг ядра, где вероятность обнаружить электрон особенно велика. Орбиталь не является точной траекторией движения электрона. На одной орбитали могут находиться не более двух электронов, поэтому её вместимость важна при составлении схем заполнения.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов по уровням и подуровням, а в орбитальной схеме — ещё и по отдельным орбиталям. Например, запись 1s² означает, что на s-подуровне первого уровня находятся два электрона. Конфигурация позволяет быстро увидеть, какие электроны расположены снаружи и могут участвовать в образовании связей.
Порядковый номер элемента показывает заряд ядра, то есть число протонов. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов: отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра. Поэтому у водорода с номером 1 один электрон, а у углерода с номером 6 — шесть; для иона равенство уже не действует.
Энергетические уровни делятся на подуровни, обозначаемые буквами s, p и другими. На первом уровне есть только s-подуровень, а на втором — s- и p-подуровни. Подуровень, в свою очередь, содержит орбитали: s включает одну, p — три; это позволяет уточнить, как именно электроны распределяются внутри уровня.
Каждая орбиталь вмещает максимум два электрона, потому что два электрона на ней должны различаться спинами. Спин — квантовое свойство электрона, которое в простых схемах обозначают стрелкой вверх или вниз. Если на подуровне есть несколько равных по энергии орбиталей, электроны сначала занимают их по одному; это правило Хунда уменьшает взаимное отталкивание электронов.
Чтобы получить конфигурацию, электроны размещают сначала на подуровнях с меньшей энергией, соблюдая вместимость орбиталей. У водорода один электрон занимает 1s-подуровень, поэтому запись — 1s¹. У углерода четыре электрона распределяются на первом и втором уровнях: два заполняют 1s, два — 2s, оставшиеся два занимают разные 2p-орбитали; получается 1s²2s²2p².
Внешний уровень — самый удалённый из занятых уровней; его электроны обычно называют валентными, поскольку они играют основную роль в связях. У водорода один валентный электрон, у углерода — четыре; в основном состоянии у углерода два из них неспарены. Число неспаренных электронов помогает оценить возможность образовать связи, но для углерода при объяснении четырёх связей учитывают переход электрона и гибридизацию орбиталей.
В таблице сопоставлены число электронов, уровни и орбитальные схемы атомов в основном состоянии. Стрелки показывают электроны на орбиталях, а ячейки с орбиталями одинаковой энергии расположены рядом. Сначала проверьте число электронов по порядковому номеру, затем сравните внешний уровень и число неспаренных электронов.
| Характеристика | Атом водорода H | Атом углерода C |
|---|---|---|
| Порядковый номер и число электронов | 1; 1 электрон | 6; 6 электронов |
| Число занятых энергетических уровней | 1 | 2 |
| Электронная конфигурация | 1s¹ | 1s²2s²2p² |
| Распределение электронов по уровням | 1 | 2, 4 |
| Число валентных электронов | 1 | 4 |
| Число неспаренных электронов в основном состоянии | 1 | 2 |
| Схема заполнения орбиталей внешнего уровня | 1s [↑] | 2s [↑↓] 2p [↑] [↑] [ ] |
Задача 1. Записать электронную конфигурацию атома водорода и изобразить заполнение его орбитали. Нужно учесть, что рассматривается нейтральный атом, а значит, его число электронов определяется порядковым номером. Первый уровень содержит только 1s-подуровень, поэтому дополнительный выбор между подуровнями здесь не требуется.
Ответ: электронная конфигурация H — 1s¹, схема орбитали — 1s [↑]. Одна стрелка соответствует одному неспаренному электрону, который может участвовать в образовании связи.
Задача 2. Записать электронную конфигурацию атома углерода и представить её орбитальной схемой. Углерод имеет порядковый номер 6, поэтому в нейтральном атоме нужно разместить шесть электронов. Особое внимание требуется для 2p-подуровня: три его орбитали равны по энергии, и их заполняют по правилу Хунда.
Ответ: конфигурация углерода — 1s²2s²2p². В основном состоянии на внешнем уровне у него четыре электрона, из них два неспаренные.
Задача 3. Сравнить атомы водорода и углерода по числу валентных и неспаренных электронов и сделать вывод об их способности образовывать связи. Для этого нужно смотреть не на все электроны подряд, а на внешний уровень и орбитальную схему. Затем следует отделить картину основного состояния от модели образования связей углерода.
Ответ: у H один валентный и один неспаренный электрон; у C — четыре валентных и два неспаренных в основном состоянии. Число и состояние электронов помогают объяснить химические связи, а четыре связи углерода описывают с учётом перестройки его электронных орбиталей.
Порядковый номер принимают за число электронов и у иона. Это верно только для нейтрального атома: у иона электронов может быть меньше или больше из-за потери или присоединения электронов. Проверьте себя, сравнив заряд частиц: при нейтральном атоме число протонов и электронов одинаково, а у иона учитывайте его заряд.
Для углерода записывают 1s²2s²2p⁴, будто на втором уровне непременно должно быть восемь электронов. Но у углерода всего шесть электронов, и после заполнения 1s и 2s на 2p остаются только два. Проверка простая: сложите показатели степеней и сравните сумму с порядковым номером.
Два электрона помещают на одну p-орбиталь до заполнения остальных. Так нарушается правило Хунда: равные по энергии p-орбитали сначала занимают по одному электрону. Проверьте схему: пока есть свободная p-орбиталь того же подуровня, электроны должны разместиться на ней, а не образовывать пару.
Все электроны атома считают валентными. Однако внутренние электроны обычно не участвуют в образовании химических связей, в отличие от электронов внешнего уровня. Чтобы проверить число валентных электронов, найдите самый высокий занятый уровень в конфигурации и посчитайте электроны именно на нём.
Для этой темы нужны знания о строении атома, составе ядра и значении порядкового номера. Электронные конфигурации помогают объяснять периодическое изменение свойств элементов и положение водорода и углерода в периодической системе. Позже они понадобятся для изучения ковалентной связи, валентности углерода, строения органических молекул и гибридизации орбиталей.
Почему у нейтрального атома углерода именно шесть электронов?
Порядковый номер углерода в периодической системе равен 6 и показывает заряд его ядра: в нём шесть протонов. В нейтральном атоме отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядра, поэтому электронов тоже шесть.
Чем энергетический уровень отличается от орбитали?
Энергетический уровень — это слой электронной оболочки с определённой энергией, связанный с главным квантовым числом. Орбиталь — область внутри уровня, где наиболее вероятно обнаружить электрон; на одной орбитали помещается не более двух электронов.
Почему два электрона на одной орбитали имеют противоположные спины?
Согласно принципу Паули, два электрона в атоме не могут иметь одинаковый набор квантовых чисел. На одной орбитали их состояния различаются спином, поэтому он направлен противоположно.
Почему электроны углерода на p-подуровне сначала занимают разные орбитали?
Три p-орбитали имеют одинаковую энергию. По правилу Хунда электроны сначала занимают такие орбитали по одному и с одинаковым направлением спина, а уже затем образуют пары.
Как электронное строение углерода связано с его способностью образовывать четыре химические связи?
В основном состоянии у углерода два неспаренных электрона, но при образовании связей один электрон может перейти с 2s-подуровня на 2p-подуровень. Тогда появляются четыре неспаренных электрона; в молекулах их орбитали могут гибридизоваться, что позволяет углероду образовывать четыре ковалентные связи.
2. Электронное строение атомов углерода и водорода
