§ 42. Орбитали и валентные электроны. Электронные формулы

Определения и обозначения

Атомная орбиталь — область пространства вокруг ядра, где наиболее вероятно обнаружить электрон. Это не определённая дорожка: электрон нельзя представить как шарик, движущийся по заранее заданной линии. Понятие орбитали помогает описывать вероятное положение электрона.

s- и p-орбитали различаются формой и числом орбиталей в подуровне. s-орбиталь похожа на шар, а p-орбиталь — на гантель из двух областей по разные стороны ядра. Эти обозначения нужны, чтобы записывать строение атома.

Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, которые могут участвовать в образовании химических связей. Именно они сильнее всего влияют на химические свойства атома. Для элементов главных подгрупп число таких электронов удобно определять по внешнему уровню и группе.

Электронная формула — запись распределения электронов по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. Например, запись 2p⁴ означает четыре электрона на p-подуровне второго уровня. По формуле можно восстановить строение атома и найти его валентные электроны.

Как это устроено

Электрон в атоме нельзя описать как маленькую планету, которая движется по точной орбите. Его состояние подчиняется законам квантовой физики, поэтому заранее можно определить только вероятность обнаружения в разных местах. Орбиталь и есть область, в которой эта вероятность особенно велика.

Энергетический уровень объединяет электроны с близкими значениями энергии и обозначается числом 1, 2, 3 и так далее. Внутри уровня есть подуровни, которые обозначают буквами s, p, d, f. Каждый подуровень, в свою очередь, состоит из одной или нескольких орбиталей.

s-подуровень содержит одну орбиталь, поэтому в нём может находиться максимум два электрона. p-подуровень содержит три орбитали, и каждая из них вмещает по два электрона, значит, общий максимум равен шести. Разное число орбиталей связано с различием форм и возможных ориентаций областей в пространстве.

Электроны сначала занимают подуровни с меньшей энергией, а затем переходят на более энергоёмкие. В одной орбитали не может быть больше двух электронов, причём они имеют противоположные спины. На равных по энергии орбиталях электроны сначала располагаются по одному, и только потом начинают образовывать пары.

Для определения формулы сначала находят порядковый номер элемента: он равен числу электронов в нейтральном атоме. Затем электроны распределяют в порядке 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, учитывая вместимость подуровней. Валентными обычно считают электроны самого внешнего уровня: например, в записи 1s² 2s² 2p⁴ внешним является второй уровень, на котором шесть электронов.

Сравнение s- и p-подуровней

Сначала определите по таблице число орбиталей, а затем умножьте его на два, чтобы найти максимальное число электронов. В электронной формуле буква показывает подуровень, а верхний индекс — количество электронов на нём. Например, 3s² и 3p⁵ описывают подуровни третьего энергетического уровня.

Разбор задач

Задача 1. Кислород

Условие: запишите электронную формулу атома кислорода и укажите число его валентных электронов.

1. У кислорода порядковый номер 8, значит, в нейтральном атоме восемь электронов.
2. Заполняем подуровни по порядку: сначала 1s², затем 2s². Остались четыре электрона, поэтому получаем 2p⁴.
3. Внешний уровень — второй. На нём находятся 2s² и 2p⁴, всего 2 + 4 = 6 электронов.

Ответ: электронная формула кислорода — 1s² 2s² 2p⁴; валентных электронов 6.

Задача 2. Определение элемента

Условие: по формуле 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ определите элемент и число его валентных электронов.

1. Складываем верхние индексы: 2 + 2 + 6 + 1 = 11. Значит, порядковый номер элемента равен 11.
2. Элемент с номером 11 — натрий Na.
3. Самый внешний уровень — третий, а на нём записан только один электрон в 3s¹.

Ответ: это натрий; он имеет 1 валентный электрон.

Задача 3. Магний и хлор

Условие: сравните формулы атомов магния и хлора, найдите число валентных электронов и объясните различие свойств.

1. У магния 12 электронов: 1s² 2s² 2p⁶ 3s². На внешнем уровне два электрона.
2. У хлора 17 электронов: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. На внешнем уровне семь электронов.
3. Магнию сравнительно легко отдать два внешних электрона, а хлору выгоднее принять один электрон до завершения уровня.

Ответ: у магния 2 валентных электрона, у хлора 7. Разная заполненность внешнего уровня определяет различие их химической активности и типов образуемых связей.

Типичные ошибки

Орбиталь принимают за траекторию. Так происходит из-за привычной планетарной модели атома. Проверьте себя: орбиталь описывает область вероятного нахождения, а не линию движения электрона.

В одну орбиталь помещают больше двух электронов. Ошибка возникает, когда путают орбиталь и весь подуровень. Сначала посчитайте отдельные орбитали: каждая из них вмещает максимум два электрона.

Число орбиталей p-подуровня путают с числом электронов. У p-подуровня три орбитали, но каждая принимает по два электрона, поэтому максимум равен шести. Проверка проста: 3 · 2 = 6.

Валентными считают все электроны атома. Для элементов главных подгрупп обычно рассматривают электроны внешнего уровня, а не внутренние, уже прочно связанные с ядром. Найдите наибольший номер уровня в формуле и посчитайте электроны только на нём.

Связь с другими темами

Для работы с электронными формулами нужны знания о строении атома, энергетических уровнях, порядковом номере элемента и периодической таблице. Порядковый номер показывает число электронов в нейтральном атоме.

Электронное строение помогает объяснить валентность и образование химической связи. Число и расположение внешних электронов влияют на то, будет ли атом отдавать, принимать или совместно использовать электроны.

Позже электронные формулы пригодятся при изучении ионной и ковалентной связи. С их помощью легче понять строение, состав и свойства различных веществ.

Что запомнить

• Орбиталь — область наиболее вероятного нахождения электрона, а не его траектория.
• На одной орбитали может находиться не более двух электронов.
• s-подуровень состоит из одной орбитали и вмещает два электрона.
• p-подуровень состоит из трёх орбиталей и вмещает шесть электронов.
• Электронная формула показывает распределение электронов по уровням и подуровням.
• Валентные электроны находятся на внешнем энергетическом уровне и определяют химические свойства атома.