"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Электронная конфигурация показывает, как электроны атома распределены по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. По ней определяют число неспаренных электронов, объясняют химические свойства элемента, его валентность и магнитные особенности. Для записи конфигураций используют порядок возрастания энергии, принцип Паули и правило Хунда. Однако для некоторых атомов, например хрома и меди, встречаются исключения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная конфигурация атома — запись распределения его электронов по энергетическим уровням и подуровням. Например, 1s2 означает первый уровень, s-подуровень и два электрона на нём. Такая запись помогает увидеть строение внешнего слоя и предсказать химические свойства элемента.
Атомная орбиталь — состояние электрона, описываемое волновой функцией, то есть математическим описанием вероятности обнаружить его в разных областях пространства. Орбиталь нельзя представлять как точную траекторию движения. На одной орбитали может находиться не более двух электронов.
Энергетический подуровень — совокупность орбиталей одного типа внутри энергетического уровня. Выделяют подуровни s, p, d и f, различающиеся числом орбиталей и формой электронного облака. Это обозначение позволяет уточнить, где именно внутри уровня находятся электроны.
Спиновое квантовое число характеризует собственный момент импульса электрона и имеет два значения: +½ и −½. Условно противоположные спины обозначают стрелками ↑ и ↓. Поэтому два электрона на одной орбитали записывают как (↑↓).
Энергетические уровни и подуровни возникают из квантового описания атома: электрон может иметь только определённые значения энергии. Состояние электрона задаётся квантовыми числами, которые определяют уровень, тип подуровня, конкретную орбиталь и спин. Поэтому электронные оболочки имеют не произвольное, а строго закономерное строение.
В основном состоянии электроны занимают доступные орбитали в порядке возрастания энергии. Номер уровня сам по себе не задаёт энергию орбитали: на неё влияют притяжение к ядру и взаимное отталкивание электронов. Поэтому 4s обычно заполняется раньше 3d, хотя число 4 больше числа 3.
Принцип Паули запрещает двум электронам в одном атоме иметь одинаковый набор четырёх квантовых чисел. Для одной орбитали первые три числа уже совпадают, поэтому электроны могут различаться только спином. Отсюда следует ограничение: на одной орбитали помещаются максимум два электрона, причём их спины противоположны.
Правило Хунда относится к равноэнергетическим орбиталям одного подуровня. Например, три p-орбитали при заполнении p3 сначала получают по одному электрону: (↑) (↑) (↑), а не так: (↑↓) (↑) ( ). Такое распределение уменьшает взаимное отталкивание электронов и оказывается энергетически более выгодным.
Порядок заполнения подуровней служит практической схемой для записи конфигураций, но не является безусловным законом. У хрома один электрон переходит с 4s на 3d, образуя более устойчивое 3d54s1. У меди наблюдается похожая перестройка: 3d104s1 устойчивее ожидаемого 3d94s2.
| Подуровень | Число орбиталей | Максимальное число электронов | Обозначение орбиталей |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | 1s, 2s, 3s и далее |
| p | 3 | 6 | 2p, 3p, 4p и далее |
| d | 5 | 10 | 3d, 4d, 5d и далее |
| f | 7 | 14 | 4f, 5f, 6f и далее |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите тип подуровня, затем умножьте число его орбиталей на два. Верхний индекс в конфигурации не может превышать максимальную вместимость соответствующего подуровня.
Задача 1. Записать конфигурацию атома кислорода и распределить электроны по орбиталям. У кислорода порядковый номер 8, значит, в нейтральном атоме восемь электронов. Нужно распределить их по подуровням, соблюдая вместимость и правило Хунда.
Ответ: 1s22s22p4; у кислорода два неспаренных электрона.
Задача 2. Составить конфигурацию железа и определить число неспаренных электронов. Железо имеет порядковый номер 26, поэтому его атом содержит 26 электронов. После заполнения внутренних подуровней определяем распределение пяти электронов на 3d.
Ответ: конфигурация Fe — [Ar]4s23d6; неспаренных электронов 4.
Задача 3. Составить конфигурацию хрома и сравнить её с ожидаемой. У хрома 24 электрона. Простое заполнение дало бы [Ar]4s23d4, но близость энергий 4s и 3d позволяет получить более устойчивое распределение.
Ответ: фактическая конфигурация Cr — [Ar]3d54s1, а не [Ar]3d44s2.
Ошибка: считать, что подуровни заполняются строго по номерам уровней. Так делают, потому что номера кажутся естественным порядком, но энергия 4s ниже 3d. Проверяйте себя по ряду заполнения, а не только по номерам.
Ошибка: помещать на орбиталь больше двух электронов или рисовать одинаковые спины. Это нарушает принцип Паули. Проверьте каждую орбиталь: в ней должно быть не более двух стрелок, направленных противоположно.
Ошибка: спаривать электроны на p- или d-орбиталях слишком рано. Причина — механическое заполнение первой изображённой ячейки. Сначала поставьте по одному электрону на все равноэнергетические орбитали.
Ошибка: считать порядок заполнения исключений не имеющим. У хрома и меди энергии 4s и 3d близки, поэтому конфигурация перестраивается. Для проверки сверяйте результат с известными исключениями и числом электронов.
Для изучения конфигураций нужны знания о строении атома, заряде ядра и числе электронов в нейтральном атоме. Конфигурация объясняет периодические изменения свойств элементов и помогает понять положение элемента в периодической системе. В дальнейшем она понадобится при изучении химической связи, строения ионов, валентности и магнитных свойств веществ.
Что означает верхний индекс в записи электронной конфигурации?
Верхний индекс показывает число электронов на указанном подуровне. Например, запись 1s2 означает, что на подуровне 1s находятся два электрона.
Почему подуровень 4s заполняется раньше 3d?
В многоэлектронном атоме энергия подуровней зависит не только от номера уровня, но и от их типа. В нейтральных атомах подуровень 4s обычно имеет немного меньшую энергию, чем 3d, поэтому заполняется раньше.
Сколько электронов может находиться на одной орбитали?
На одной орбитали может находиться не более двух электронов. Их спины должны быть противоположными, иначе нарушается принцип Паули.
Почему электроны сначала занимают орбитали по одному?
Равноэнергетические орбитали сначала заполняются по одному электрону с одинаковыми спинами согласно правилу Хунда. Такое распределение энергетически выгоднее, чем преждевременное спаривание.
Почему конфигурации хрома и меди называют исключениями?
Энергии подуровней 4s и 3d очень близки, поэтому небольшая перестройка электронов может сделать атом устойчивее. У хрома формируется 3d54s1, а у меди — 3d104s1, а не простые ожидаемые варианты.
1.3. Электронные конфигурации атомов
