Электронная конфигурация атомов. Электронные формулы

Существует условное изображение электронных уровней и подуровней, называемое орбитальной диаграммой. На такой диаграмме орбитали условно изображаются квадратиками, а электроны - стрелочками. Если стрелочки направлены в разные стороны, это означает, что электроны различаются между собой особым свойством, которое назывется спином электрона.

На схеме вверху вы видите орбитальную диаграмму атома водорода, у которого единственный электрон размещается на самом близком к ядру 1-м уровне. На этом уровне только одна s-орбиталь (на схеме она показана квадратиком). Собственно, квадратик с изображением внутри электрона-стрелочки и является орбитальной диаграммой.

Теперь рассмотрим атом гелия:

В атоме гелия (2 протона в ядре) уже два электрона, причем оба еще могут поместиться на 1-м уровне. 1s² -эта короткая запись описывает электронное строение атома гелия. Поэтому такие записи называют электронными формулами или электронными конфигурациями. 1s¹ - электронная формула атома водорода. 1s² - электронная формула (конфигурация) атома гелия.

Рассмотрим атом лития:

У него три протона в ядре, поэтому литий содержит в своем электронном облаке 3 электрона, для чего занимает электронами сначала весь 1-й уровень (там помещается только 2 электрона), а оставшийся электрон вынужден переместиться на более высокий 2-й уровень, где займет ближайшую к ядру свободную 2s-орбиталь. 1s² 2s¹ - электронная формула для лития.

Из этих простых примеров становится ясен принцип минимума энергии при заполнения электронных оболочек: в первую очередь заполняются более низкие, ближайшие к ядру уровни и подуровни.

На рис. 4 показана более подробная орбитальная диаграмма для первых электронных уровней большинства атомов.

Рис. 4. Порядок заполнения орбиталей на первых, наиболее близких к ядру электронных уровнях у большинства атомов. Заполнение электронами происходит снизу вверх. Справа показано наибольшее количество электронов, способных разместиться на орбиталях данного подуровня. 4-й уровень показан не полностью.

Чем дальше от ядра располагаются уровни и подуровни, тем выше их энергия. По некоторым (до сих пор не вполне понятным) причинам 4s-подуровень многих атомов (за исключением атомов самых "легких" элементов) заполняется электронами раньше, чем 3d-подуровень. Такие аномалии встречаются и на более высоких уровнях. Вот как выглядит порядок заполнения уровней и подуровней в атомах большинства элементов:

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

Если говорить более строго, то относительное расположение подуровней обусловлено не столько их большей или меньшей энергией, сколько требованием минимума полной энергии атома. Исходя из этого требования, минимум энергии достигается у большинства атомов тогда, когда их подуровни заполняются в показанной выше последовательности. Но есть и исключения, которые вы можете найти в таблицах "Электронные конфигурации элементов" (см. меню слева). Однако эти исключения редко приходится принимать во внимание при рассмотрении химических свойств элементов.

Пользуясь рис. 4, мы можем приступить к заполнению электронных уровней атомов многих элементов. Как нам уже известно, атом каждого элемента содержит строго определенное число электронов, равное числу протонов в его ядре (то есть заряду ядра). Правила заполнения электронных оболочек следующие:

1. Сначала выясняем, сколько всего электронов содержит атом интересующего нас элемента. Для этого достаточно знать заряд его ядра, который, как мы увидим в главе 4, всегда равен порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д.И.Менделеева. Порядковый номер (число протонов в ядре) в точности равен и числу электронов во всем атоме.

2. Последовательно заполняем орбитали, начиная с нижней 1s-орбитали, имеющимися электронами (рис. 2-8). При этом нельзя располагать на каждой орбитали более двух электронов.

3. Записываем электронную формулу элемента.

Запись электронной формулы проще показать на конкретном примере. Допустим, нам надо выяснить электронную формулу элемента с порядковым номером 7. В атоме такого элемента должно быть 7 электронов. Заполним орбитали семью электронами, начиная с нижней 1s-орбитали.

Итак, 2 электрона расположатся на 1s-орбитали, еще 2 электрона - на 2s-орбитали, а оставшиеся 3 электрона смогут разместиться на трех 2p-орбиталях.

Электронная формула элемента с порядковым номером 7 (это элемент азот, имеющий символ “N”) выглядит так:

Существует правило (оно называется правилом Гунда), по которому электроны предпочитают расселяться на одинаковых по энергии орбиталях (например, на трех p-орбиталях) сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами, такие электроны называют спаренными.

Посмотрим действие правила Гунда на примере элемента азота (1s² 2s² 2p³). На 2-м электронном уровне есть три одинаковых p-орбитали: 2p_x, 2p_y, 2p_z. Электроны заселят их так, что на каждой из этих p-орбиталей окажется по одному электрону. Объясняют это тем, что в соседних ячейках электроны меньше отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные частицы.

Рис. 5. Правильная (а) и неправильная (б) орбитальная диаграмма азота. В соответствии с правилом Гунда орбитали заселяются сначала одиночными, а не спаренными электронами.

По правилу Гунда при заполнении электронами одинаковых по энергии орбиталей электроны располагаются в первую очередь по одиночке на каждой орбитали, и лишь потом начинается заселение этих орбиталей вторыми электронами.

Полученная нами электронная формула азота несет очень важную информацию: 2-й (внешний) электронный уровень азота заполнен электронами не до конца (на нем 2 + 3 = 5 электронов) и до полного заполнения не хватает трех электронов.

Внешним (валентным) уровнем атома называется самый далекий от ядра уровень, на котором еще есть электроны. Именно эта оболочка соприкасается при столкновении с внешними уровнями других атомов в химических реакциях. При взаимодействии с другими атомами азот способен принять 3 дополнительных электрона на свой внешний уровень. При этом атом азота получит завершенный, то есть максимально заполненный внешний электронный уровень, на котором расположатся 8 электронов.

Завершенный уровень энергетически выгоднее незавершенного. Поэтому атом азота должен легко реагировать с любым другим атомом, способным предоставить ему 3 дополнительных электрона для завершения его внешнего уровня.

Другой пример: элемент с порядковым номером 18. Действуя так же, как и в первом случае, мы с помощью рис. 4 расположим 18 электронов в следующую электронную формулу:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Элемент с порядковым номером 18 - это аргон. Он уже имеет полностью завершенный внешний уровень и, следовательно, не склонен реагировать с другими элементами. Действительно, химическое поведение аргона настолько выделяется своей пассивностью среди других элементов, что он получил название инертного газа или благородного газа (последнее, вероятно, за свою "химическую лень"). Аргон (в переводе с греческого "недеятельный") не реагирует ни с одним химическим элементом. В свободном состоянии он существует не в виде двухатомных молекул (как другие газы), а в виде отдельных атомов.

Аргон является не единственным благородным или инертным газом. Существуют также элементы гелий (He, заряд ядра 2), что означает "солнечный" (впервые обнаружен на Солнце спектральными методами и только потом - в минерале клевеите); неон (Ne, "новый", заряд ядра 10); криптон (Kr, "скрытный", заряд ядра 36); ксенон (Xe, "странный", заряд ядра 54). Существует также радиоактивный благородный газ радон (Rn, заряд ядра 86), медленно выделяющийся из горных пород. Все эти газы в небольших количествах имеются в атмосфере.

Из-за своей химической инертности благородные газы долго не были известны химикам. Аргон был открыт первым благодаря наблюдательности английского ученого Джона Уильяма Рэлея.

Мы получили электронную формулу аргона. Рассмотрим электронные формулы двух других благородных элементов с зарядом ядра 10 и 36 - неона и криптона. В их атомах содержится соответственно 10 и 36 электронов. Используя рис. 2-8 и правила заполнения электронных уровней получим:

Итак, электронные формулы этих благородных газов показывают, что неон имеет заполненный 2-й внешний уровень (n = 2), а криптон - заполненный 4-й внешний уровень (n = 4). На каждом таком полностью заполненном уровне находится по 8 электронов.

Внимательный читатель может возразить, что внешняя оболочка криптона, строго говоря, не является заполненной, поскольку свободны 4d-орбитали. Действительно, правильнее говорить о завершенных 4s и 4p-подуровнях криптона.

Чтобы полностью заполнить 4-й уровень, следующие за криптоном элементы вынуждены перед 4d-орбиталями заполнить сначала более "низкий" (по энергии) 5s-подуровень. В результате элемент, даже имеющий полный набор 4d-электронов, должен обязательно иметь 5s-электроны. Такой элемент имеет незавершенный 5-й уровень и может не быть благородным газом.

Причины необычайной устойчивости атомов с полностью заполненными s- и p-подуровнями до сих пор не совсем ясны. Нам полезно воспринять этот очень важный факт как известный химикам из природы, из опыта. В дальнейшем завершенность или незавершенность внешних уровней атомов позволит оценить многие химические свойства элементов.

Отметим, что каждый заполненный внешний электронный уровень благородных элементов содержит (s² + p⁶) то есть 8 электронов. Логично предположить, что именно заполненные внешние электронные уровни являются причиной химической инертности благородных элементов, поскольку все другие элементы имеют частично незаполненные внешние электронные уровни.

Но тогда логично выглядит и другое предположение: химические свойства "не благородных" элементов связаны с их стремлением завершить свои внешние электронные оболочки. Это предположение подтверждается многочисленными фактами и получило название правила октета (восьмерка - октет).

Более строгая формулировка правила октета может выглядеть так:

Атомы элементов стремятся к наиболее устойчивой электронной конфигурации. Устойчивой является электронная конфигурация с завершенным внешним электронным уровнем из (s² + p⁶), т.е. из октета электронов.

С правилом октета тесно связаны донорные и акцепторные свойства атомов. Атомы - доноры электронов - склонны достигать октета, отдавая "лишние" электроны со своих внешних электронных уровней. Это атомы, у которых внешние электронные уровни только начинают застраиваться. Наоборот, атомы- акцепторы электронов легче достраивают свои внешние уровни до октета, принимая на них электроны других атомов. Обычно это элементы с уже почти завершенными внешними электронными уровнями. Как мы уже знаем, принимая или отдавая электроны, атомы могут превращаться в ионы.

Например:

₁₁Na (металл натрий: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹) - e^- = ₁₁Na⁺ (ион натрия: 1s² 2s²2p⁶ - октет)

₉F(газ фтор: 1s² 2s² 2p⁵) + e^- = ₉F^- (ион фтора: 1s² 2s²2p⁶ - октет)

Для атомов со сходными электронными оболочками донорные и акцепторные свойства - при прочих равных условиях - зависят еще и от удаленности внешнего уровня от ядра. У маленьких атомов с небольшим числом уровней внешний уровень подвергается заметному влиянию ядра (электроны удерживаются крепче), а у больших (тяжелых) элементов внешние уровни как бы отделены от ядра "экраном" из нижних электронных уровней, поэтому электроны внешнего уровня удерживаются слабее. При прочих равных условиях - то есть при одинаковом строении внешних уровней, более акцепторные свойства проявляют более "легкие" элементы.

Например, два близких по свойствам газа - фтор (порядковый номер 9) и хлор (порядковый номер 17) - имеют одинаковое строение внешних электронных уровней:

Фтор (F): 1s² 2s²2p⁵ ;

Хлор (Cl): 1s² 2s² 2p⁶ 3s²3p⁵

Акцепторные свойства фтора выше, потому что его внешний электронный уровень находится ближе к ядру, чем у хлора. Это означает, что фтор (по сравнению с хлором) в химических реакциях ведет себя более "агрессивно" и легче заполняет свой внешний уровень до октета, забирая недостающий электрон у какого-либо другого элемента. Подтверждение этому факту мы уже знаем: существуют соединения фтора даже с благородными элементами ксеноном и криптоном, но до сих пор не известно соединений благородных газов с хлором.

Донорные и акцепторные свойства относительны. Донорные свойства элементов проявляются обычно в присутствии акцепторов, а акцепторные - в присутствии доноров.

Поиск по сайту: