Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.7. Электронные формулы

Распределение электронов в атоме на энергетическим уровням и подуровням изображают в виде электронных формул. Покажем, как их составить.

Каждый электрон в атоме занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией, что соответствует найміцнішому связи электрона с ядром, - принцип наименьшей энергии. С увеличением порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке возрастания их энергий: уровни заполняются от первого до седьмого, а подуровни - в последовательности s - г - d - f. Последовательность рост энергии определена опытным путем. Она называется шкалой энергии. В соответствии с ней составляется ряд последовательного заполнения электронами орбиталей атомов элементов периодической системы. Этот ряд, в котором вертикальными линиями обособленно периоды, обозначенные сверху римскими цифрами, имеет вид:

Орбиталь с минимальной энергией - это "1s-орбиталь. У атома водорода занимает единственный электрон атома. Поэтому электронная формула, а(ро электронная конфигурация атома водорода имеет вид:¹ 1s¹ .

Поскольку на одной орбитали могут находиться два электрона, то оба электрона атома гелия размещаются на 1s-орбитали. Следовательно, электронная формула гелия: 1s². Электронная оболочка Не завершена и очень устойчива, это - благородный газ.

¹ Напомним, что число спереди - номер уровня, буквой обозначается подуровень (тип орбитали), индекс справа вверху - число электронов на подуровне.

У элементов II периода заполняется L-уровень (n = 2), причем сначала - орбиталь s-подуровня, а затем - три орбитали р-подуровня. Третий электрон в атоме ₃Lи занимает: 2s-орбиталь. Электронная формула Li: 1s²2s¹ . Электрон 2s¹ связан с ядром атома значительно слабее, 1s-электроны,Li₊поэтому атом лития может легко терять его, образуя ион Li⁺ .

В атоме 4Ве четвертый электрон также расположен на 2s-орбитали: 1s² 2s² . Легче, чем другие электрoны, в Be отрываются 2s-электроны с образованием иона Be²⁺ .

Поскольку 2s-орбиталь заполнена, то пятый электрон у атома ₅В занимает 2р-орбиталь. Электронная формула атома бора: 1s² 2s² г¹.

Далее у атомов С, N, О, F заполняются 2р-орбитали, заканчивается заполнения атома Ne. Запишем их электронные формулы:

_быС 1s²2s²2p², ₇N 1s²2s²2p³, ₈O 1s²2s²2p⁴,

₉F 1s²2s²p⁵, ₁₀Ne 1s²2s²2p⁶.

Начиная с элементов III периода, в атомов заполняется третий M-уровень, который состоит из 3s-, Зр - и 3d - подуровней. Например:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹, ₁₇Сl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

Иногда в формулах, которые изображают распределение электронов в атомах, обозначают только число электронов на каждом энергетическом уровне. Тогда их записывают так:

₁₁Na - 2∙8∙1, ₁₇Сl - 2∙8∙7, ₂₆Fe - 2∙ 8∙14∙2.

Во время написания электронных формул следует учитывать так называемый проскок электрона. Так, электронная формула хрома должно быть 1s²2s²p⁶3s²3p⁶3d⁴4s² . Однако на внешнем уровне у атома хрома не два электрона, а один - второй электрон “проскочил” на d-подуровень второго снаружи уровня. В этом случае расположение электронов у атома хрома такое: 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 3а⁵ 4s¹. То же самое наблюдается для Nb, Мо и других элементов. В Pd электроны на уровнях размещаются так: 2.8.18.18.0 (здесь пятого энергетического уровня вообще нет - оба электроны “проскочили” на соседний уровень).

Очень часто структуру электронных оболочек изображают с помощью энергетических или квантовых, ячеек - это так называемые графические электронные формулы. Каждая такая ячейка обозначается ячейкой: ячейка - орбиталь, стрелка - электрон, направление стрелки - направленност спина¹ , свободная ячейка

- свободная орбиталь, которую может занимать электрон во время возбуждения. Согласно принципу Паули в ячейке может находиться один или два электрона (если два электроны, то они - спаренные).

¹ Спин (в переводе с английского - "веретено”) упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси - по часовой и против го динникової стрелки. Спаренными называются электроны с противоположными спинами: ↓↑.

Как пример напишем схему распределения электронов в квантовых ячейках для атома углерода:

Орбитали подуровня заполняются так: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а дальше - по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку на 2р-подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух 2р-электронов занимает по одной орбитали (например, р_х и p_в). Одна орбиталь остается свободной (p_z). В атоме углерода имеется два неспаренных электрона. Справа от схемы в электронной формуле подано детальное запись, в которой указано распределение электронов на р_х- и р_в-орбиталях. Такая запись тоже часто применяют.

В атоме азота все три 2р-орбитали (p_x, р_у, р_z) занято одиночными электронами:

Следовательно, у него три неспаренных электроны. Это отражено и в детальной электронной формуле (справа от схемы).

Начиная с атома кислорода, 2р-орбитали заполняются вторым электроном с противоположным спином:

В атоме кислорода два неспаренных электроны. В атоме фтора - один неспаренный электрон:

Следовательно, размещая электроны по квантовым ячейках, можно выявить число неспаренных электронов в атоме. В атоме Ne завершается заполнение второго уровня:

Восемь внешних электронов (s² г⁶ ) образуют очень устойчивую структуру из четырех двохелектронних облаков. Все электроны в атоме неона спаренные. Неон - благородный газ.