Электронные конфигурации атомов
Электронная конфигурация показывает, как электроны распределены по энергетическим уровням и подуровням атома. Чтобы составить её, нужно знать число электронов, порядок заполнения подуровней, вместимость каждого подуровня и правила размещения электронов.
Что записывает электронная формула
В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента \(Z\). Электронную формулу записывают по уровням и подуровням: сначала номер энергетического уровня \(n\), затем букву подуровня \(s\), \(p\), \(d\) или \(f\), а верхний индекс показывает число электронов на этом подуровне. Например, \(1s^2\) означает: на первом уровне находится два электрона на \(s\)-подуровне.
Электронная конфигурация — распределение электронов атома по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям.
Энергетический уровень обозначают главным квантовым числом \(n=1,2,3...\). Внутри уровня находятся подуровни. Уровень с номером \(n\) может содержать подуровни от \(s\) до соответствующего значения: первый — только \(s\), второй — \(s\) и \(p\), третий — \(s\), \(p\) и \(d\), четвёртый — \(s\), \(p\), \(d\) и \(f\).
| Подуровень | Число орбиталей | Максимум электронов |
|---|---|---|
| s | 1 | 2 |
| p | 3 | 6 |
| d | 5 | 10 |
| f | 7 | 14 |
Для школьных задач достаточно помнить: \(s^2\), \(p^6\), \(d^{10}\), \(f^{14}\). Понятие электронная конфигурация рассматривается подробнее на отдельной странице.
Порядок заполнения подуровней
Электроны занимают сначала подуровни с меньшей энергией. Этот порядок называют принципом наименьшей энергии. Перед решением полезно повторить принцип наименьшей энергии. В школьной записи подуровни заполняются так:
При составлении электронной формулы электроны последовательно размещают на подуровнях в порядке возрастания их энергии, не превышая вместимость каждого подуровня.
Важная особенность: после \(3p\) заполняется \(4s\), а затем \(3d\). Поэтому для элементов четвёртого периода запись начинается с \(...3p^6 4s^2\), а не с \(...3p^6 3d^2\).
- Определите порядковый номер элемента \(Z\).
- Примите \(Z\) за число электронов нейтрального атома.
- Заполняйте подуровни в установленном порядке.
- Остановитесь, когда сумма верхних индексов станет равна \(Z\).
- Проверьте, что вместимость каждого подуровня не превышена.
Электроны по энергетическим уровням
Чтобы получить распределение по уровням, сложите показатели степеней у подуровней с одинаковым первым числом. Например, для формулы \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1\): на первом уровне \(2\) электрона, на втором \(2+6=8\), на третьем \(2+1=3\). Получается схема \(2,8,3\).
Максимальное число электронов на уровне теоретически определяется формулой \(2n^2\), но в конкретном атоме уровень может быть заполнен не полностью. Например, третий уровень способен вместить до 18 электронов, однако у алюминия на нём находится только 3 электрона.
Сколько электронов содержит атом фосфора и какова его электронная формула?
Внешние и валентные электроны
Внешний энергетический уровень — уровень с наибольшим номером \(n\), содержащий электроны. Электроны на нём называют внешними. Для элементов главных подгрупп именно внешние электроны обычно совпадают с валентными электронами, участвующими в химической связи.
Внешние электроны — электроны, расположенные на энергетическом уровне с наибольшим номером в электронной формуле атома.
Чтобы определить число внешних электронов, найдите наибольший номер уровня и сложите показатели всех его подуровней. Например, у серы \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4\) внешний уровень — третий, а внешних электронов \(2+4=6\).
Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы: у элементов групп 1 и 2 это обычно 1 и 2 электрона, у элементов групп 13–18 — соответственно 3–8 электронов. У гелия внешний уровень завершён двумя электронами. У переходных элементов ситуация сложнее: при образовании связей могут участвовать электроны не только самого внешнего уровня, но и незавершённого \(d\)-подуровня предыдущего уровня.
В сокращённой формуле достаточно посмотреть на часть после символа благородного газа. В ней видны подуровни внешнего уровня и, при необходимости, незаполненный d-подуровень.
Разобранный пример: фосфор
Составьте электронную формулу атома фосфора и определите число электронов на внешнем уровне.
Ответ: электронная формула фосфора — \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3\); распределение по уровням — \(2,8,5\); внешних электронов — 5. Составление полной записи и её сокращённого варианта также разобрано на странице составление электронной конфигурации.
Сокращённые формулы и особые случаи
Сокращённую конфигурацию начинают с символа ближайшего предыдущего благородного газа в квадратных скобках. Например, для фосфора: \([Ne]3s^2 3p^3\), потому что конфигурация неона равна \(1s^2 2s^2 2p^6\).
У некоторых атомов переходных элементов наблюдаются исключения из ожидаемого порядка. Например, хром записывают как \([Ar]3d^5 4s^1\), а не \([Ar]3d^4 4s^2\). В школьных заданиях такие случаи обычно должны быть известны отдельно или указаны в условии.
1. Принимают номер группы за число всех электронов атома: число электронов нейтрального атома равно порядковому номеру. 2. Записывают \(3d\) раньше \(4s\): в обычном порядке заполнения сначала идёт \(4s\). 3. Считают внешними только электроны последнего записанного подуровня, забывая остальные подуровни того же уровня. 4. Превышают вместимость: \(s\) — максимум 2, \(p\) — 6, \(d\) — 10, \(f\) — 14. 5. Путают атом с ионом: у иона число электронов изменяется.
Для нейтрального атома \(N_e=Z\). Порядок начала заполнения: \(1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p\). Внешние электроны находятся на уровне с наибольшим номером.
Проверка усвоения
Quick-test
Главное
- Число электронов нейтрального атома равно его порядковому номеру \(Z\).
- Подуровни вмещают: \(s^2\), \(p^6\), \(d^{10}\), \(f^{14}\).
- Заполнение начинают в порядке возрастания энергии: \(1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d...\).
- Внешние электроны находятся на уровне с наибольшим номером; нужно сложить показатели всех его подуровней.
- Перед решением задач проверьте сумму электронов, порядок заполнения и допустимую вместимость подуровней.