Электронная конфигурация атома

Что такое атом

Начиная изучать химию, мы понимаем, что все, что нас окружает — это вещества, состоящие из молекул, а молекулы, в свою очередь, образуются из атомов.

Атом — это мельчайшая частица химического элемента и источник его уникальных свойств. Эта фундаментальная единица материи играет ключевую роль в понимании химических реакций и взаимодействий, так как она определяет поведение и свойства различных веществ в природе.

Представление об атоме менялось на протяжении многих лет, и в конечном итоге современная модель строения атома включает следующие положения:

• В состав атома входит ядро и электроны.
• Ядро заряжено положительно и состоит из протонов, которые также заряжены положительно, и нейтрально заряженных нейтронов.
• Заряд ядра атома определяется количеством протонов.
• Масса ядра атома (массовое число) — это сумма нуклонов (протонов и нейтронов).
• Электроны — отрицательно заряженные частицы, которые вращаются вокруг ядра атома.
• Количество электронов в атоме равно количеству протонов.
• Атом электронейтрален.

Как выходит, что атом — это незаряженная частица? Все дело в том, что заряд ядра (а, соответственно, и количество протонов) численно равен количеству электронов в атоме, и таким образом они друг друга «компенсируют».

Выяснить состав атома очень просто: чтобы вычислить число нейтронов, необходимо вычесть из массового числа количество протонов. Заряд ядра атома, количество протонов и электронов определяется порядковым номером.

Для примера составим характеристику атома серы (S):

• Порядковый номер серы — 16, соответственно p = 16, e⁻ = 16, +Z = +16.
• Относительная атомная масса серы A_r(S) = 32, значит n = 32 − 16 = 16.

Таким образом, атом серы содержит 16 протонов, 16 нейтронов и 16 электронов.

В разнообразных химических превращениях участвуют непосредственно электроны, которые содержатся в атоме. Атом химического элемента может либо отдавать, либо принимать электроны — так мы получаем новые соединения. Давайте узнаем подробнее, что же такое электроны и почему они играют в химии большую роль.

Электроны

Электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые перемещаются с очень большой скоростью, образуя электронное облако. Масса электрона равна 9,1093 ⋅ 10⁻³¹ кг, а относительный заряд равен −1.

Для описания характеристики электронов применяются квантовые числа, с ними мы познакомимся по мере изучения электронов.

Атомные орбитали

Точное местоположение электрона в атоме определить невозможно, но существует пространство, в котором вероятность нахождения его максимальна. Такое место называется атомной орбиталью.

Атомная орбиталь — это участок, в котором вероятность нахождения электрона максимальна.

Атомные орбитали имеют четыре формы и различную ориентацию в пространстве. Форму орбитали, или, иначе, траекторию движения электрона, определяет орбитальное квантовое число l.

• s-орбиталь (шарообразная), l = 0;
• p-орбиталь (гантелеобразная или в форме восьмерки), l = 1;
• d-орбиталь (напоминает две скрещенные между собой p-орбитали), l = 2;
• f-орбиталь (орбиталь самой сложной формы, напоминает цветок), l = 3.

Энергетические уровни

Однако электроны могут перемещаться в атоме только в определенных ограниченных областях. Каждый электрон имеет свою энергию, и в зависимости от уровня этой энергии электроны располагаются на различном расстоянии от ядра, образуя электронные слои (энергетические уровни).

Энергетический уровень (ЭУ) — это совокупность электронов с близкой по значению энергией.

Энергетические уровни обозначаются номерами с 1 до 7, а определить количество уровней в атоме конкретного элемента можно по номеру периода, в котором он находится. Номер энергетического уровня также является главным квантовым числом — n.

Например, главное квантовое число для атома серы (S) равно 3, так как сера стоит в третьем периоде. Главное квантовое число всегда на единицу больше, чем орбитальное квантовое число: n = l + 1.

Каждый электронный слой делится на подуровни, которые образованы атомными орбиталями. Так, на первом энергетическом уровне могут располагаться только s-орбитали (s-подуровень), на втором — s- и p-орбитали (s- и p-подуровни), на третьем — s-, p- и d-орбитали (s-, p-, d-подуровни) и т. д.

Наибольшее число электронов, которое может вместить энергетический уровень, определяется по формуле:

N = 2n², где N — количество e⁻, n — номер ЭУ (главное квантовое число).

Таким образом, на первом электронном слое максимально возможно расположить 2 электрона, на втором — 8 электронов, на третьем — 18 электронов и т. д. Если на уровне находится наибольшее возможное число электронов, он называется завершенным.

Электроны, находящиеся на внешнем (то есть последнем, самом дальнем от ядра атома) энергетическом уровне, называются валентными электронами, и именно они принимают участие в химических реакциях. Их число равно номеру группы, в которой расположен химический элемент.

Выходит, что абсолютно все атомы имеют конкретное число электронов, которые располагаются на энергетических уровнях и занимают отдельное положение на атомных орбиталях.

Рассмотрим все тот же атом серы (S):

• Сера находится в VIA группе третьего периода, соответственно, атом серы содержит 3 энергетических уровня.
• Всего электронов в атоме серы 16, из которых 6 — валентные (т. е. находятся на внешнем ЭУ).
• На первом электронном слое всего одна атомная орбиталь (s), на втором — две, (s и p), на третьем — три (s, p, d).

Чтобы наглядно продемонстрировать, как именно располагаются в атоме электроны, необходимо составить своеобразный «паспорт» электрона — электронную конфигурацию.

Электронная конфигурация — это формула расположения электронов по энергетическим уровням и подуровням.

178.2K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

• Подтяни оценки на курсах по химии.

• Выбирай из 550+ репетиторов по химии.

• Записывайся на бесплатные курсы для детей.

Составление электронной конфигурации

Известно, что электроны описываются квантовыми числами, но помимо уже знакомых нам орбитального и главного квантовых чисел, есть еще две немаловажные характеристики, учитывающиеся при составлении конфигураций, — магнитное и спиновое квантовое число.

Магнитное квантовое число (ml) обусловливает число орбиталей на каждом подуровне и описывает их взаимное расположение. Принимает значения от −1 до +1.

Спиновое квантовое число (ms) определяет вектор вращения электрона вокруг собственной оси и принимает значения +½ и −½.

В конфигурации обязательно учитывается номер энергетического уровня, форма орбитали и количество электронов, на ней находящихся.

Электронная формула атома гелия (He) представляется в таком виде:

Приведем пример составления электронной конфигурации атома серы (S):

То есть сначала записывается номер ЭУ, затем — форма орбитали (подуровень) и количество электронов, находящихся на этой конкретной орбитали.

При составлении электронно-графической конфигурации необходимо соблюдать определенные правила:

1. Электроны стремятся заполнить ЭУ с минимумом энергии. Поэтому заполнение начинается от первого, самого ближайшего к ядру атома, и далее по порядку. Каждый последующий слой не заполняется, если предыдущий является незавершенным.
2. Если атом находится в основном состоянии, то электроны располагаются на атомных орбиталях в порядке возрастания энергии. Это означает, что электроны сначала заполняют подуровни с меньшей энергией, по порядку: s → p → d → f.
3. Принцип запрета Паули. На атомной орбитали может находиться не более двух электронов. Это возможно только при условии, что эти электроны имеют противоположные спины.
4. Правило Хунда. Заполнение орбиталей одного подуровня начинается с одиночных электронов, имеющих параллельные (одинаковые по знаку) спины. Только после того, как все орбитали будут заняты одиночными электронами, происходит окончательное заполнение орбиталей парами электронов с разнонаправленными спинами.

Для построения графической конфигурации необходимо учитывать, что:

• Каждая орбиталь имеет определенное количество квантовых ячеек: s-орбиталь — одну, p-орбиталь — три, d-орбиталь — пять, и f-орбиталь — семь.
• В каждой отдельной ячейке может быть не более двух электронов с различными спинами (то есть направленными в противоположные стороны).
• При этом на s-орбитали максимально возможно присутствие двух электронов, на p-орбитали — шести, на d-орбитали — десяти, на f-орбитали — четырнадцати.
• Если в квантовой ячейке находятся два электрона, то такие электроны называются спаренными. Если ячейку занимает только один электрон — он неспаренный.

Возбужденное состояние атома

Составляя электронную конфигурацию атома, мы принимаем, что атом находится в основном состоянии, то есть в состоянии с минимальной энергией. Однако некоторые атомы, получая дополнительно энергию из внешней среды, способны переходить в возбужденное состояние.

Возбужденное состояние атома возникает, когда электрон из электронной пары предыдущего уровня с меньшей энергией «расспаривается»и переходит на свободную орбиталь следующего уровня. Этот процесс позволяет атому временно повысить свою энергию и участвовать в химических превращениях, изменяя свою валентность и возможность образовывать химические связи.

В этом случае электронная конфигурация будет выглядеть так:

Атом серы имеет также спаренные электроны на 3s-подуровне, поэтому для него возможно еще одно возбужденное состояние:

Тем, что атомы некоторых химических элементов могут переходить в возбужденное состояние, определяются их валентные возможности. Так, сера в основном состоянии обладает валентностью, равной II. В возбужденном состоянии, когда «расспариваются» только два электрона на 3p-подуровне, сера имеет валентность, равную IV, а когда оказываются «расселены» все электроны на внешнем энергетическом уровне, валентность серы равна VI.

Следует помнить: возбужденное состояние характерно непосредственно для тех атомов, которые обладают свободными орбиталями. Например, известно, что третий уровень имеет три подуровня независимо от их заполнения (как у серы или фосфора).

Второй энергетический уровень характеризуется только двумя подуровнями, поэтому атомы азота (N), кислорода (O) или фтора (F) не смогут перейти в возбужденное состояние, так как не обладают свободными орбиталями.

Еще несколько примеров электронно-графической конфигурации для закрепления темы:

Понимание электронных конфигураций играет исключительную роль в химии. Знание о распределении электронов по энергетическим уровням и подуровням позволяет не только предсказывать, но и объяснять уникальные свойства химических элементов и их реакционную способность.

Пора проверить себя

1. Что не является частью атома?
1. Протоны
2. Нейроны
3. Нейтроны
4. Электроны
2. Какое максимальное число электронов может находиться на втором энергетическом уровне?
1. 8
2. 2
3. 16
4. 32
3. Внешний энергетический уровень…
1. Находится ближе всего к ядру атома
2. Содержит валентные электроны
3. Определяется номером группы
4. Свойственен только для элементов третьего периода
4. Электронная конфигурация атома Na:
1. 1s²2s²2p⁶3s¹
2. 1s²2s²2p⁵3s²
3. 1s¹2s²2p⁶3s¹
4. 1s²2s²2p⁶3s²

Ответы

1. b, 2. a, 3. b, 4. a.