Электронная конфигурация атома – это распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. Для условной записи электронной конфигурации применяют электронные формулы.
Электронные формулы составляют на основании принципа наименьшей энергии и принципа Паули с использованием такого алгоритма:
для каждого электрона указывают номер энергетического уровня с помощью численного значения главного квантового числа n (табл. 3.6);
указывают энергетический подуровень с помощью буквенного обозначения орбитального квантового числа l (табл. 3.6);
указывают общее количество электронов на энергетическом подуровне с помощью маленькой цифры, которую записывают вверху справа над буквенным символом орбитального квантового числа l.
Например, запись 1s1 – это электронная формула, в которой маленькой цифрой обозначен один электрон, который находится на первом энергетическом уровне (n = 1), s-подуровне (l = 0). Следовательно, электронная формула отражает электронную конфигурацию атома элемента водорода H, в котором имеется один электрон.
Электронную конфигурацию атома элемента скандия 21Sc, в котором имеется 21 электрон, можно записать электронной формулой 1s22s22р63s23р64s23d1 или в другом виде, обобщая все подуровни в соответствующие энергетические уровни:
.
Из электронной формулы атома элемента 21Sc видно, что электронная оболочка содержит два электрона на s-подуровне первого энергетического уровня (1s2), два электрона на s-подуровне и шесть электронов на р-подуровне второго энергетического уровня, то есть восемь электронов на втором уровне (2s22р6), два электрона на s-подуровне, шесть электронов на р-подуровне, один электрон на d-подуровне третьего энергетического уровня, то есть девять электронов на третьем энергетическом уровне (3s23р63d1) и два электрона на s-подуровне четвертого энергетического уровня (4s2).
Иногда для упрощения электронных формул вместо внутренних электронных слоев атома в скобках записывается символ предыдущего инертного элемента. Ближайшим к скандию 21Sc предыдущим инертным элементом является Аргон 18Ar, поэтому сокращенная электронная формула скандия имеет вид
21Sc: [Ar] 4s23d1.
Для атома можно составить электронно-графическую схему, которая показывает размещение электронов по квантовым ячейкам, обозначающим орбитали. С учетом принципа наименьшей энергии внизу размещают ячейки-орбитали первого энергетического уровня (n = 1), над ним – второго (n = 2), затем – третьего (n = 3) и т.д. Для атома скандия 21Sc электронно-графическую схему изображают так:
Используют и сокращенные электронно-графические схемы, в которых изображают квантовые ячейки только внешних электронных слоев. Их количество определяется расположением формирующего электрона, то есть того электрона, который последним заполняет электронную оболочку атома. Для атома скандия формирующий электрон (№ 21) находится на 3d-подуровне, поэтому сокращенная электронно-графическая схема должна показывать два уровня:
Или еще проще:
В зависимости от того, на какой энергетический подуровень поступает формирующий электрон, элементы делятся на s-, р-, d- и f-электронные семейства, объединяющие s-, р-, d- и f-элементы соответственно.
Элементы, в атомах которых заполняется s-подуровень внешнего энергетического уровня, называются s-элементами.
Например, литий и бериллий относятся к s-элементам:
Элементы, в атомах которых заполняется р-подуровень внешнего энергетического уровня, называются р-элементами.
Например, элементы углерод и неон являются р-элементами:
Элементы, в атомах которых заполняется d-подуровень второго снаружи энергетического уровня, называются d-элементами.
Например, десять элементов – от скандия до цинка – относятся к d-электронному семейству и являются d-элементами, потому что формирующие электроны в их атомах находятся на d-подуровне:
Элементы, в атомах которых заполняется f-подуровень третьего снаружи уровня, называются f-элементами.
Например, элементы церий и протактиний относятся к f-элементам:
Пример 3.11. Составьте электронную формулу и электронно - графическую схему двух внешних энергетических уровней для таких частиц: а) атома Ar; б) иона S2–; в) иона K+; г) иона Zn2+. Укажите изоэлектронные частицы.
Решение. Изоэлектронными называются частицы, которые имеют одинаковые электронные конфигурации, поэтому их строение описывается одинаковыми электронными формулами и одинаковыми электронно-графическими схемами.
а) Порядковый номер элемента Аргона (18) показывает, что атом Ar имеет 18 электронов; расположение в третьем периоде – на наличие трех энергетических уровней, нахождение в восьмой группе – на количество электронов внешнего уровня, равное восьми, а главная подгруппа (VIIIА) свидетельствует о принадлежности Ar к р-электронному семейству. Отсюда электронная формула и электронно-графическая схема для двух внешних уровней атома элемента Аргона имеет вид
,
б) Порядковый номер химического элемента Сульфура S равен 16, поэтому электронная формула атома S
1s22s22p63s23p4.
Однако заряд иона (–2) показывает, что в ионе S2– на два электрона больше, чем в атоме S, т.е. 16+2=18. Благодаря одинаковому количеству электронов атом Ar и ион S2– являются изоэлектронными частицами и имеют одинаковые электронные формулы и электронно-графические схемы:
в) Порядковый номер химического элемента Калия – 19, поэтому атом К содержит 19 электронов, а ион K+ – на один электрон меньше (19–1=18). Значит, ион K+ является изоэлектронной частицей по отношению к атому Ar и иону S2–, что видно из электронной формулы иона K+ и его электронно - графической схемы:
г) Ион Zn2+ (№ 30) имеет на два электрона меньше, чем атом цинка, поэтому в ионе Zn2+ количество электронов составляет 30–2=28. Их размещение в электронной оболочке описывается электронной формулой
,
а электронно-графическая схема двух внешних энергетических уровней имеет вид
Следовательно, ион Zn2+ не является изоэлектронной частицей атома Ar и ионов S2– и K+.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
электронная конфигурация атома
електронна конфігурація атома
electronic configuration of an atom
configuration ?lectronique
??????? ??????????
Контрольные вопросы
Что такое электронная конфигурация атома, электронная формула?
Какие элементы называются: а) s-элементами; б) р-элементами; в) d-элементами;
Составьте электронные формулы для атомов элементов с порядковыми номерами: а) 5; б) 7; в) 9; г) 12; д) 16; е) 21; ж) 23; з) 30.
Последний электрон (формирующий) атома элемента описывается такими квантовыми числами: n = 4, l = 1, m = 0, s = + 1/2. Какой это элемент: а) Ga; б) Ti; в) Ge; г) Ca?
Последний электрон (формирующий) атома элемента описывается такими квантовыми числами: n = 3, l = 2, m = – 1, s = –1/2. Какой это элемент: а) Fe; б) Co; в) Ni; г) Na?
Последний электрон (формирующий) в атоме какого-то элемента описывается такими квантовыми числами:
а) n = 3, l = 1, m = – 1, s = – 1/2; б) n= 2, l = 0, m = 0, s = + 1/2; в) n = 3, l = 2, m = + 2,
s = + 1/2; г) n = 3, l = 0, m = 0, s = + 1/2; д) n= 3, l = 0, m = 0, s = – 1/2.
Составьте электронную формулу атома каждого элемента.
.
,
,