Электронные формулы атомов

Атом – электронейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Электроны располагаются в атоме, образуя энергетические уровни и подуровни.

Электронная формула атома – это распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням в соответствии с принципом наименьшей энергии (Клечковского), принципом Паули, правилом Гунда.

Состояние электрона в атоме описывается с помощью квантово-механической модели – электронного облака, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности нахождения электрона. Обычно под электронным облаком понимают область околоядерного пространства, которая охватывает примерно 90% электронного облака. Эта область пространства называется также орбиталью.

Атомные орбитали образуют энергетический подуровень. Орбиталям и подуровням присвоены буквенные обозначения. Каждый подуровень имеет определенное число атомных орбиталей. Если атомную орбиталь изобразить в виде магнитно-квантовой ячейки, то атомные орбитали, находящиеся на подуровнях, можно представить следующим образом:

энергетический подуровень	s	p	d	f
атомные орбитали				.

На каждой атомной орбитали могут находиться одновременно не более двух электронов, различающихся спином (принцип Паули). Это различие обозначается стрелками ¯­. Зная, что на s-подуровне одна s-орбиталь, на р-подуровне три р-орбитали, на d-подуровне пять d-орбиталей, на f-подуровне семь f-орбиталей, можно найти максимальное количество электронов на каждом подуровне и уровне. Так, на s-подуровне, начиная с первого энергетического уровня, 2 электрона; на р-подуровне, начиная со второго энергетического уровня, 6 электронов; на d-подуровне, начиная с третьего энергетического уровня, 10 электронов; на f-подуровне, начиная с четвертого энергетического уровня, 14 электронов. Электроны на s-, p-, d-, f-подуровнях называются соответственно s-, р-, d-, f-электронами.

Согласно принципу наименьшей энергии, последовательное заполнение энергетических подуровней электронами происходит таким образом, что каждый электрон в атоме занимает подуровень с наиболее низкой энергией, отвечающей его прочной связи с ядром. Изменение энергии подуровней может быть представлено в виде ряда Клечковского или шкалы энергии:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d<7p...

Согласно правилу Гунда, каждая квантовая ячейка (орбиталь) энергетического подуровня сначала заполняется одиночными электронами с одинаковым спином, а затем – вторым электроном с противоположным спином. Два электрона с противоположным спином, находящиеся на одной атомной орбитали, называют спаренными. Одиночные электроны – неспаренные.

Пример 1.Разместите 7 электронов на d-подуровне с учётом правила Гунда.

Решение.На d-подуровне – пять атомных орбиталей. Энергия орбиталей, находящихся на одном и том же подуровне, одинаковая. Тогда d-подуровень можно представить так: d . После заполнения электронами атомных орбиталей с учётом правила Гунда d-подуровень будет иметь вид .

Используя теперь представления о принципах наименьшей энергии и Паули, распределим электроны в атомах по энергетическим уровням (табл. 1).

Таблица 1

Распределение электронов по энергетическим уровням атомов

Энергетический уровень (период)	Электронная формула	Максимальное число электронов (элементов)
	1s2
	2s22p6
	3s23p6
	4s23d104p6
	5s24d105p6
	6s24f145d106р6
	7s25f146d107p6

Используя данную схему, можно объяснить формирование электронных структур атомов элементов периодической системы, записанных в виде электронных формул. Общее число электронов в атоме определяется порядковым номером элемента.

Так, в атомах элементов первого периода будет заполняться электронами одна s-орбиталь первого энергетического уровня (табл. 1). Так как на этом уровне два электрона, то в первом периоде только два элемента (₁H и ₂He), электронные формулы которых следующие: ₁H 1s¹ и ₂Не 1s².

В атомах элементов второго периодапервый энергетический уровень полностью заполнен электронами. Последовательно будут заполняться электронами s- и р-подуровни второго энергетического уровня. Сумма s- и р-электронов, заполнивших этот уровень, равна восьми, поэтому во втором периоде 8 элементов (₃Li…₁₀nе).

В атомах элементов третьего периода первый и второй энергетические уровни полностью заполнены электронами. Последовательно будут заполняться s- и р-подуровни третьего энергетического уровня. Сумма s- и р-электронов, заполнивших третий энергетический уровень, равна восьми. Поэтому в третьем периоде 8 элементов (₁₁Na…₁₈Аr).

В атомах элементов четвертого периода заполнены первый, второй и третий 3s²3р⁶ энергетические уровни. На третьем энергетическом уровне свободным остается d-подуровень (3d). Заполнение этого подуровня электронами от одного до десяти начинается после того, как заполнится максимально электронами 4s-подуровень. Далее размещение электронов происходит на 4р-подуровне. Сумма 4s-, 3d- и 4р-электронов равна восемнадцати, что соответствует 18 элементам четвертого периода(₁₉К…₃₆Кr).

Аналогично происходит формирование электроных структур атомов элементов пятого периода с той лишь разницей, что s- и р-подуровни находятся на пятом, а d-подуровень на четвертом энергетическом уровнях. Так как сумма 5s-, 4d- и 5р-электронов равна восемнадцати, то в пятом периоде 18 элементов (₃₇Rb…₅₄Xе).

В сверхбольшом шестом периоде 32 элемента (₅₅Cs…₈₆Rn). Это число соответствует сумме электронов на 6s-, 4f-, 5d- и 6р-подуровнях. Последовательность заполнения подуровней электронами такова. Сначала заполняется электронами 6s-подуровень. Затем, вопреки ряду Клечковского, заполнится одним электроном 5d-подуровень. После этого максимально заполнится 4f-подуровень. Далее будут заполняться 5d- и 6р-подуровни. Предыдущие энергетические уровни заполнены электронами.

Аналогичное явление наблюдается при формировании электронных структур атомов элементов седьмого периода.

Таким образом, чтобы написать электронную формулу атома элемента необходимо знать следующее.

1. Порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, соответствующий общему числу электронов в атоме.

2. Номер периода, который определяет общее число энергетических уровней в атоме. При этом номер последнего энергетического уровня в атоме соответствует номеру периода, в котором находится элемент. В атомах элементов второго и третьего периодов заполнение электронами последнего энергетического уровня происходит в такой последовательности: ns^1–2…nр^1–6. В атомах элементов третьего и четвертого периодов подуровни последнего и предпоследнего энергетических уровней заполняются электронами так: ns^1–2…(n–1)d^1–10…nр^1–6. В атомах элементов шестого и седьмого периодов последовательность заполнения электронами подуровней такая: ns^1–2…(n–1)d¹…(n-2)f^1–14…(n–1)d^2–10…nр^1–6.

3. В атомах элементов главных подгрупп сумма s- и р-электронов на последнем энергетическом уровне равна номеру группы.

4. В атомах элементов побочных подгрупп сумма d-электронов на предпоследнем и s-электронов на последнем энергетических уровнях равна номеру группы, кроме атомов элементов подгрупп кобальта, никеля, меди и цинка.

Размещение электронов в атомных орбиталях одного и того же энергетического подуровня происходит в соответствии с правилом Гунда:суммарное значение спина электронов, находящихся на одном и том же подуровне, должно быть максимальным, т.е. данный подуровень на каждую орбиталь вначале принимает по одному электрону с параллельными спинами, а затем – второй электрон с противоположным спином.

Пример 2. Напишите электронные формулы атомов элементов, имеющих порядковые номера 4, 13, 22.

Решение. Элемент с порядковым номером 4 – бериллий. Следовательно, в атоме бериллия 4 электрона. Бериллий находится во втором периоде, во второй группе главной подгруппы. Номер периода соответствует числу энергетических уровней, т.е. двум. На этих энергетических уровнях должны размещаться четыре электрона. На первом энергетическом уровне два электрона (1s²) и на втором тоже два электрона (2s²) (см. табл 1). Таким образом, электронная формула имеет следующий вид: ₄Ве 1s²2s². Число электронов на последнем энергетическом уровне соответствует номеру группы, в которой он находится.

В периодической системе порядковому номеру 13 соответствует элемент алюминий. Алюминий находится в третьем периоде, в третьей группе, вглавной подгруппе. Следовательно, на третьем энергетическом уровне должны находиться три электрона, которые разместятся таким образом: 3s²3р¹ (сумма s- и р-электронов равна номеру группы). Десять электронов находятся на первом и втором энергетических уровнях: 1s²2s²2p⁶ (см. табл. 1). В целом электронная формула алюминия следующая: ₁₃Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹.

В периодической системе элемент с порядковым номером 22 – титан. В атоме титана двадцать два электрона. Размещаются они на четырех энергетических уровнях, так как элемент находится в четвертом периоде. При размещении электронов по подуровням необходимо учесть, что это – элемент четвертой группы побочной подгруппы. Поэтому на четвёртом энергетическом уровне, s-подуровне находятся два электрона: 4s². Первый, второй, третий уровни s- и р-подуровни полностью заполнены электронами 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ (см. табл. 1). Оставшиеся два электрона разместятся на d-подуровне третьего энергетического уровня: 3d². В целом электронная формула титана такая: ₂₂Тi 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Проскок» электронов

При написании электронных формул следует учитывать «проскок» электронов с s-подуровня внешнего энергетического уровня ns на d-подуровень предвнешнего уровня (n – 1)d. Предполагают, что такое состояние наиболее энергетически выгодно. «Проскок» электрона происходит в атомах некоторых d-элементов, например, ₂₄Сr, ₂₉Cu, ₄₂Mo, ₄₇Ag, ₇₉Au, ₄₁Nb, ₄₄Ru, ₄₅Rh, ₄₆Pd.

Пример 3. Напишите электронную формулу атома хрома с учётом «проскока» одного электрона.

Решение. Электронная формула хрома, согласно принципу минимальной энергии, должна быть такой: ₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s². Однако, в атоме этого элемента наблюдается «проскок» одного s-электрона с внешнего 4s-подуровня на подуровень 3d. Поэтому расположение электронов в атоме хрома такое: ₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹.