§ 39. Порядок заполнения орбиталей электронами. Малые и большие периоды

Определения и обозначения

Орбиталь — область пространства около ядра, где наиболее вероятно обнаружить электрон. На одной орбитали может находиться не более двух электронов. Это понятие помогает описывать не точную траекторию электрона, а область, в которой его можно найти.

Энергетический подуровень — совокупность орбиталей одного типа внутри энергетического уровня. Подуровень s состоит из одной орбитали и вмещает 2 электрона, p — из трёх орбиталей и вмещает 6, d — из пяти орбиталей и вмещает 10. Вместимость позволяет проверять, не записано ли на подуровне лишних электронов.

Порядок заполнения орбиталей — последовательность, в которой электроны занимают орбитали с учётом возрастания их энергии. Поэтому при составлении электронной схемы важно смотреть не только на номер уровня. Знание порядка заполнения помогает правильно распределить все электроны атома.

Малые и большие периоды — ряды периодической системы, различающиеся числом элементов и тем, какие подуровни заполняются. Малые периоды содержат 2 или 8 элементов, большие — 18 или 32. Их длина связана с вместимостью заполняемых подуровней.

Как это устроено

Электроны в атоме располагаются так, чтобы занять доступные состояния с наименьшей энергией. Если свободна орбиталь с меньшей энергией, электрон сначала занимает её, а уже затем переходит к более энергетически высокой. Поэтому заполнение определяется энергией подуровней, а не простым движением по уровням с первого по седьмой. Например, 4s заполняется раньше 3d, хотя номер уровня у 4s больше.

Вместимость подуровня зависит от числа входящих в него орбиталей. На каждой орбитали помещаются максимум два электрона, поэтому одна орбиталь s даёт вместимость 2, три орбитали p — 6, а пять орбиталей d — 10. Подуровень заполняется постепенно, и общее число электронов на нём не должно превышать эту границу. Для больших периодов также важен f-подуровень: он содержит семь орбиталей и может вместить 14 электронов.

Чтобы составить электронную схему, сначала определяют число электронов: у нейтрального атома оно равно порядковому номеру элемента. Затем подуровни заполняют по возрастанию энергии, соблюдая их вместимость. Например, для первых элементов последовательность начинается так: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. В конце нужно сложить все записанные электроны и убедиться, что сумма равна порядковому номеру атома.

Первый период содержит только два элемента, потому что в нём заполняется подуровень 1s, рассчитанный на два электрона. Во втором и третьем периодах заполняются s- и p-подуровни соответствующих уровней, вместе они вмещают восемь электронов. При переходе к следующим периодам появляются дополнительные подуровни, поэтому ряд становится длиннее. Именно смена набора заполняемых подуровней объясняет различную длину периодов.

Малый период включает заполнение только s-подуровня или s- и p-подуровней, поэтому в нём 2 либо 8 элементов. В большом периоде между s- и p-подуровнями заполняется d-подуровень, добавляющий место для десяти электронов: такие периоды содержат 18 элементов. В периодах по 32 элемента заполняется ещё и f-подуровень на 14 электронов. Так вместимость подуровней объясняет распределение элементов по рядам таблицы.

Периоды периодической системы и заполнение подуровней

Чтобы пользоваться таблицей, найдите период и проследите, какие подуровни в нём заполняются. Число элементов связано с суммарной вместимостью этих подуровней. Запись показывает порядок заполнения, поэтому номер подуровня может не идти подряд.

Разбор задач

Кислород

Определите число электронов в атоме кислорода и укажите подуровни, заполняемые при составлении электронной схемы. Нужно начать с порядкового номера, а затем распределить электроны в порядке возрастания энергии. После распределения полезно проверить общую сумму и вместимость каждого подуровня.

1. По периодической системе находим порядковый номер кислорода: 8. В нейтральном атоме кислорода также 8 электронов.
2. Заполняем подуровень 1s двумя электронами, затем 2s ещё двумя. Осталось распределить четыре электрона.
3. Оставшиеся электроны помещаем на 2p: запись получается 1s² 2s² 2p⁴. Сумма 2 + 2 + 4 равна 8.

Ответ: в атоме кислорода 8 электронов; заполняются подуровни 1s, 2s и 2p.

Натрий

Для натрия нужно записать распределение электронов по подуровням и определить подуровень внешнего электрона. Внешним называют электрон на самом удалённом занятом энергетическом уровне. Сначала находим общее число электронов, затем последовательно распределяем их по вместимости подуровней.

1. Порядковый номер натрия равен 11, значит, в нейтральном атоме 11 электронов.
2. Заполняем подуровни: 1s² вмещает первые два электрона, 2s² — следующие два, 2p⁶ — ещё шесть. Остался один электрон.
3. Следующий по энергии подуровень — 3s, на него помещаем оставшийся электрон. Получаем 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.

Ответ: распределение электронов — 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹; внешний электрон находится на подуровне 3s.

Калий и кальций

Сопоставьте калий и кальций с периодами таблицы и объясните появление 3d после 4s. Порядковые номера элементов равны 19 и 20, поэтому в их нейтральных атомах столько же электронов. Важно учитывать энергии подуровней: заполнение 4s начинается раньше, чем 3d.

1. У калия 19 электронов: после заполнения до 3p записываем 4s¹. Схема заканчивается на уровне 4, значит, калий относится к четвёртому периоду.
2. У кальция 20 электронов: подуровень 4s получает ещё один электрон, запись заканчивается на 4s². Кальций также находится в четвёртом периоде.
3. Когда 4s заполнен, следующий по энергии электрон занимает 3d. Появление d-подуровня объясняет, почему четвёртый период длиннее малого.

Ответ: калий — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹, кальций — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²; оба элемента находятся в четвёртом периоде, а после 4s начинает заполняться 3d.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что уровни заполняются строго по номерам: сначала все подуровни первого, потом второго и так далее. Так получают неверный порядок для 4s и 3d, потому что ориентируются на номера, а не на энергию. Эту ошибку допускают, когда воспринимают номер уровня как готовую очередь заполнения. Проверяйте себя по последовательности подуровней: 4s заполняется перед 3d.

Не следует путать орбиталь и подуровень: первая вмещает максимум два электрона, второй состоит из одной или нескольких орбиталей. Путаница возникает из-за того, что оба понятия описывают расположение электронов. Чтобы проверить запись, отдельно посчитайте число орбиталей и умножьте его на два. Например, подуровень p состоит из трёх орбиталей, поэтому его предел — шесть электронов.

Неверно указывать одинаковое число элементов во всех периодах: их длина зависит от заполняемых подуровней. Такая ошибка появляется, если не учитывать, что d и f добавляют места для электронов. Сверьте период с таблицей и сложите вместимости подуровней, которые в нём заполняются. Тогда станет ясно, почему одни ряды содержат 8 элементов, а другие 18 или 32.

Нельзя размещать на подуровне электронов больше, чем допускает его вместимость. Обычно это происходит, когда считают только общее число электронов атома, но не проверяют каждый подуровень отдельно. После записи сравните показатели у s, p и d соответственно с пределами 2, 6 и 10. Если число выше, распределение нужно исправить.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома, заряде ядра и числе электронов: они позволяют определить, сколько электронов распределять. Порядок заполнения применяют при составлении электронных конфигураций и объяснении положения элемента в периодической системе. Когда электронное строение сопоставляют с периодом, становится понятнее, почему свойства элементов закономерно изменяются при движении по таблице. Это подготавливает к изучению периодического изменения свойств химических элементов.

Что запомнить

• Электроны занимают орбитали в порядке возрастания их энергии.
• На одной орбитали могут находиться не более двух электронов.
• Подуровень s вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10.
• Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру элемента.
• Периоды различаются числом элементов и набором заполняемых подуровней.
• Малые периоды содержат 2 или 8 элементов, большие — 18 или 32.