"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Электронные подуровни показывают, как устроен каждый энергетический уровень атома и где находятся электроны. Их обозначают буквами s, p, d и f, а электронная конфигурация отражает распределение электронов. По конфигурации можно определить число электронов внешнего уровня, номер группы и подгруппу элемента. Для главных подгрупп действует одно правило, а для переходных элементов учитывают ещё d-подуровень предпоследнего уровня.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронный подуровень — часть энергетического уровня, на которой электроны имеют близкие значения энергии. Подуровни обозначают буквами s, p, d и f. Это понятие помогает точнее описать расположение электронов внутри уровня.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 3p⁵ означает пять электронов на p-подуровне третьего уровня. По конфигурации определяют строение внешней части электронной оболочки.
Номер группы показывает положение элемента в периодической системе. У элементов главных подгрупп он связан с числом электронов на внешнем энергетическом уровне. Поэтому конфигурация помогает определить химически важную часть положения элемента.
Главная и побочная подгруппы — два типа элементов одной группы. У элементов главных подгрупп заполняются внешние s- или p-подуровни, а у элементов побочных подгрупп — d-подуровни предпоследнего уровня. Такое различие позволяет правильно определить положение переходных элементов.
Энергетический уровень делится на подуровни, потому что электроны внутри одного уровня могут иметь неодинаковую энергию. Они по-разному распределены в пространстве вокруг ядра, поэтому их объединяют в типы s, p, d и f. Чем сложнее атом, тем больше подуровней может появляться на его уровнях.
Электроны занимают подуровни в порядке возрастания энергии, чтобы атом имел наиболее устойчивое состояние. Поэтому после 3p начинает заполняться 4s, а затем 3d, хотя номер уровня у 3d меньше. Удобный ряд начала заполнения выглядит так: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p.
Чтобы определить группу элемента главной подгруппы, находят электроны на самом внешнем уровне. Один внешний электрон соответствует I группе, два — II группе, а от трёх до восьми электронов — III–VIII группам. Причина такого соответствия в том, что именно внешние электроны сильнее всего участвуют в образовании химических связей.
Для элементов главных и побочных подгрупп используют разные правила, поскольку у них заполняются разные подуровни. У главных подгрупп последними заполняются внешний s- или p-подуровень, а у побочных — d-подуровень уровня, который расположен перед внешним. Поэтому одних электронов самого внешнего уровня для переходных элементов недостаточно.
У переходных элементов d-подуровень предпоследнего уровня заполняется постепенно. Например, у железа внешняя часть конфигурации имеет вид 4s² 3d⁶. Для определения номера группы учитывают два электрона 4s и шесть электронов 3d, получая восемь; поэтому железо относят к VIII группе побочной подгруппы.
В таблице сначала определите, какой подуровень заполняется у элемента. Затем посмотрите, какие электроны нужно учитывать для этой категории элементов. У водорода и гелия есть особые случаи, поэтому их нельзя определять только механическим подсчётом внешних электронов.
| Тип элемента | Заполняемый подуровень | Какие электроны учитывают | Пример электронной конфигурации | Группа | Подгруппа |
|---|---|---|---|---|---|
| Элементы главной подгруппы I группы | Внешний s | 1 электрон внешнего уровня | Na: 3s¹ | I | Главная |
| Элементы главной подгруппы II группы | Внешний s | 2 электрона внешнего уровня | Mg: 3s² | II | Главная |
| Элементы главных подгрупп III–VIII групп | Внешний p после заполнения s | От 3 до 8 электронов внешнего уровня | Cl: 3s² 3p⁵ | III–VIII | Главная |
| Переходные элементы побочных подгрупп | d предпоследнего уровня | Электроны внешнего s и незавершённого d-подуровня | Fe: 4s² 3d⁶ | III–VIII, I или II | Побочная |
| Исключение для водорода и гелия | 1s | Учитывают строение и положение элемента | H: 1s¹; He: 1s² | H — I, He — VIII | Главная |
Условие: для атома натрия составьте распределение электронов по уровням и подуровням и определите его группу и подгруппу. У натрия порядковый номер 11, значит, в нейтральном атоме 11 электронов. Нужно распределить их по подуровням и найти внешний электрон.
Ответ: натрий имеет конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, распределение по уровням 2, 8, 1 и относится к I группе главной подгруппы.
Условие: для атома хлора запишите электронную конфигурацию и определите число внешних электронов, группу и подгруппу. Порядковый номер хлора равен 17, поэтому в его атоме 17 электронов. Последний электрон должен попасть на p-подуровень третьего уровня.
Ответ: конфигурация хлора — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵; внешних электронов 7; хлор находится в VII группе главной подгруппы.
Условие: для атома железа запишите электронную конфигурацию и объясните его принадлежность к VIII группе побочной подгруппы. Порядковый номер железа равен 26, поэтому нейтральный атом содержит 26 электронов. В отличие от хлора, у железа начинает заполняться d-подуровень предпоследнего уровня.
Ответ: железо относится к VIII группе побочной подгруппы; основание — два электрона 4s и шесть электронов 3d.
Ошибка 1. Номер группы пытаются определить по общему числу электронов в атоме. Так делают из-за смешения порядкового номера и строения внешней оболочки; нужно считать только подходящие для данного типа элемента электроны.
Ошибка 2. Считают, что номер группы всегда равен числу электронов на самом внешнем уровне. Это правило подходит главным подгруппам, но не переходным элементам; для них добавляют электроны незавершённого d-подуровня.
Ошибка 3. Запись 3p называют третьим подуровнем. На самом деле это p-подуровень третьего энергетического уровня: первая цифра обозначает уровень, а буква — вид подуровня.
Ошибка 4. Переходный элемент относят к главной подгруппе только потому, что у него есть внешние электроны. Проверка проста: если заполняется d-подуровень предпоследнего уровня, элемент относится к побочной подгруппе.
До изучения темы нужно знать строение атома, энергетические уровни, электронную оболочку и устройство периодической системы. Эти сведения позволяют понимать, что именно обозначают цифры и буквы в конфигурации.
Знание подуровней помогает объяснить периодическое изменение свойств элементов и правильно составлять электронные формулы атомов. По мере заполнения оболочки меняются число внешних электронов и химические свойства.
Тема связана с последующим изучением валентности, образования химической связи, а также свойств металлов и неметаллов. Строение внешней оболочки объясняет, почему атомы по-разному взаимодействуют друг с другом.
Почему один энергетический уровень разделяется на несколько подуровней?
Электроны на одном уровне могут иметь немного различающуюся энергию и по-разному двигаться около ядра. Поэтому уровень разделяют на подуровни, обозначаемые s, p, d и f.
Как понять, какой подуровень заполняется последним?
Нужно использовать порядок возрастания энергии подуровней: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d и далее. Последняя запись в конфигурации показывает подуровень, который заполнялся последним.
Почему число внешних электронов не всегда совпадает с номером группы?
Для элементов главных подгрупп это соответствие обычно выполняется. У переходных элементов заполняется d-подуровень предпоследнего уровня, поэтому учитывают не только внешние электроны.
Как отличить главную подгруппу от побочной?
В главных подгруппах заполняется внешний s- или p-подуровень. В побочных подгруппах находятся переходные элементы, у которых заполняется d-подуровень предпоследнего энергетического уровня.
Как по электронной конфигурации определить группу элемента?
Сначала находят электроны на внешнем уровне и смотрят, какой подуровень заполняется. Для главных подгрупп число внешних электронов указывает группу, а для переходных элементов складывают электроны внешнего и незавершённого d-подуровня.
§ 41. Электронные подуровни и номер группы и подгруппы
