"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Электронная конфигурация показывает, как электроны атома распределены по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. Она помогает понять строение внешней электронной оболочки и объяснить, почему элементы отличаются химическими свойствами. Записывая конфигурацию, учитывают энергию подуровней, их вместимость и правила размещения электронов. Для хрома и меди простая схема заполнения имеет известные исключения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. Она позволяет увидеть, какие состояния заняты электронами, и понять строение электронной оболочки. По конфигурации можно сравнивать атомы и объяснять различия в их свойствах.
Энергетический подуровень — группа орбиталей одного типа, обозначаемая буквами s, p, d или f. Буква указывает тип подуровня, а цифра перед ней — номер энергетического уровня. Такое обозначение помогает упорядоченно записывать состояния электронов, например 2p.
Орбиталь — состояние электрона в атоме, характеризуемое определённым набором квантовых чисел; на одной орбитали может находиться не более двух электронов. Орбиталь не следует представлять как точную траекторию электрона: она описывает его состояние. Понятие орбитали нужно, чтобы показывать, как именно электроны занимают подуровень.
Электронная формула — условная запись конфигурации, например 1s²2s²2p⁶, где число после буквы показывает число электронов на подуровне. Верхний индекс относится к подуровню, а не к номеру уровня. По формуле удобно проверять общее число электронов и сравнивать конфигурации разных атомов.
Порядок заполнения подуровней связан с их энергией: в основном состоянии электроны занимают сначала доступные подуровни с меньшей энергией. Энергия определяется не только номером уровня, но и типом подуровня, поэтому нельзя заполнять их просто по порядку цифр. Для нахождения очередности пользуются правилом Клечковского: обычно раньше заполняется подуровень с меньшей суммой n + l, а при равенстве суммы — с меньшим n.
Число электронов, которое может разместиться на подуровне, зависит от количества входящих в него орбиталей. На s-подуровне одна орбиталь, на p — три, на d — пять, на f — семь. Поскольку каждая орбиталь вмещает максимум два электрона, вместимость подуровней составляет соответственно 2, 6, 10 и 14 электронов.
Заполнение каждой орбитали ограничивает принцип Паули: в атоме не бывает двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами. Если два электрона находятся на одной орбитали, их квантовые числа, кроме спина, совпадают, поэтому спины должны быть противоположными. Это правило объясняет, почему третьему электрону нельзя занять ту же орбиталь, где уже расположилась пара.
Орбитали одного подуровня имеют одинаковую энергию, поэтому электроны распределяются между ними особым образом. По правилу Хунда сначала на каждой такой орбитали размещается по одному электрону, причём их спины параллельны. Лишь когда свободных орбиталей не остаётся, начинают образовываться пары; такое распределение энергетически выгоднее преждевременного спаривания.
Чтобы составить конфигурацию нейтрального атома, сначала находят число электронов: оно равно порядковому номеру элемента. Затем электроны последовательно распределяют по подуровням с учётом их энергии, вместимости, принципа Паули и правила Хунда. Простая схема имеет исключения: у хрома и меди электрон с 4s переходит на 3d, так как полузаполненный 3d⁵ или заполненный 3d¹⁰ подуровень обладает особой устойчивостью.
| Подуровень | Число орбиталей | Максимальное число электронов | Обозначение электронов на подуровне |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | sⁿ, где 0 ≤ n ≤ 2 |
| p | 3 | 6 | pⁿ, где 0 ≤ n ≤ 6 |
| d | 5 | 10 | dⁿ, где 0 ≤ n ≤ 10 |
| f | 7 | 14 | fⁿ, где 0 ≤ n ≤ 14 |
Сначала по числу орбиталей определяют максимальную вместимость подуровня: это число орбиталей, умноженное на два. Верхний индекс в записи показывает фактическое число электронов, поэтому он может быть меньше максимума. Например, p⁴ означает четыре электрона на трёх p-орбиталях.
Таблица не задаёт порядок заполнения подуровней: он зависит от их энергии и определяется отдельно. Используйте её, чтобы проверить, не превышена ли вместимость при составлении электронной формулы. Для распределения внутри подуровня также применяйте правила Паули и Хунда.
Задача 1. Запишите электронную конфигурацию атома фтора (Z = 9). Нужно распределить девять электронов по подуровням, не превышая их вместимость. Каждый следующий электрон помещаем на доступный подуровень с меньшей энергией.
Ответ: 1s²2s²2p⁵. Сумма верхних индексов равна 9, значит, число электронов соответствует атомному номеру фтора.
Задача 2. Запишите электронную конфигурацию серы (Z = 16) и изобразите заполнение 3p-орбиталей ячейками. Сначала распределяем все электроны по подуровням, затем отдельно показываем три орбитали p-подуровня. В ячейке-орбитали может быть не более двух электронов.
Ответ: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴; заполнение 3p-орбиталей — [↑↓] [↑] [↑]. Два неспаренных электрона соответствуют двум орбиталям с одиночным электроном.
Задача 3. Запишите электронные конфигурации атомов хрома и меди и объясните исключения. Сначала полезно получить ожидаемый результат простого заполнения, а затем сопоставить его с наблюдаемыми конфигурациями. Для перехода одного электрона между 4s и 3d важна устойчивость заполненного или наполовину заполненного d-подуровня.
Ответ: Cr — [Ar] 3d⁵4s¹; Cu — [Ar] 3d¹⁰4s¹. Обозначение [Ar] заменяет внутреннюю часть конфигурации, совпадающую с конфигурацией аргона.
Ошибка — заполнять подуровни строго по возрастанию главного квантового числа, например считать, что любой подуровень третьего уровня должен заполниться раньше четвёртого. Так делают, потому что цифра уровня кажется единственным показателем энергии, хотя на неё влияет и тип подуровня. Проверяйте очередность по правилу Клечковского: именно поэтому перед 3d обычно заполняется 4s.
Нельзя помещать на одну орбиталь более двух электронов или записывать электроны пары с одинаковыми спинами. Такая запись нарушает принцип Паули, но ошибка может возникнуть, если воспринимать орбиталь как ячейку без ограничений. Проверьте каждую ячейку: в ней максимум две стрелки, направленные противоположно.
Ошибка при заполнении p-, d- или f-подуровня — образовать пары, пока остаются свободные орбитали той же энергии. Иногда ученик спаривает электроны сразу, потому что переносит порядок записи электронной формулы на рисунок ячеек. Сверьтесь с правилом Хунда: сначала по одному электрону на каждую орбиталь с параллельными спинами, только потом — спаривание.
Механически применять общий порядок заполнения к Cr и Cu нельзя: так получаются ожидаемые, но неверные для этих атомов формулы. Ошибка возникает, когда правило Клечковского считают схемой без исключений. Проверяйте результат для хрома и меди отдельно: у них соответственно 3d⁵4s¹ и 3d¹⁰4s¹.
Для работы с электронными конфигурациями нужно знать строение атома, заряд ядра и порядковый номер элемента. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому Z задаёт количество частиц, которые предстоит распределить. Электронные конфигурации помогают объяснять периодическое изменение свойств элементов и их положение в периодической системе.
Представление об орбиталях и заполнении подуровней понадобится при изучении химической связи и образования ионов. Оно также помогает разбирать магнитные свойства веществ: наличие неспаренных электронов влияет на магнитное поведение атомов и частиц. Поэтому правила заполнения связывают строение отдельного атома с наблюдаемыми свойствами вещества.
Как определить число электронов в атоме элемента?
В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента Z: у фтора с Z = 9 девять электронов. У иона число электронов меняется на величину заряда: катион теряет электроны, анион приобретает.
Почему после 4s заполняется 3d-подуровень?
В основном состоянии электроны занимают доступные подуровни в порядке возрастания энергии, а не просто по номеру уровня. Для нейтральных атомов в начале заполнения 4s имеет немного меньшую энергию, чем 3d, поэтому сначала заполняется 4s.
Сколько электронов может находиться на s-, p-, d- и f-подуровнях?
Максимальная вместимость s-, p-, d- и f-подуровней составляет соответственно 2, 6, 10 и 14 электронов. Она получается из числа орбиталей каждого подуровня: 1, 3, 5 и 7, если на каждой разместить по два электрона.
Почему электроны на одинаковых орбиталях сначала располагаются по одному?
Орбитали одного подуровня равны по энергии. Согласно правилу Хунда, электронам энергетически выгоднее занять их по одному с одинаковыми спинами, прежде чем образовывать пары.
Почему электронные конфигурации хрома и меди считаются исключениями?
При простом заполнении ожидались бы конфигурации Cr: [Ar] 3d⁴4s² и Cu: [Ar] 3d⁹4s². На практике один электрон 4s переходит на 3d: получаются более устойчивые наполовину заполненный 3d⁵ у Cr и полностью заполненный 3d¹⁰ у Cu.
§ 31. Электронные конфигурации атом
