5.3 Электронные конфигурации атомов и Периодическая система.

Электронная конфигурация атома – это распределение всех электронов атомов по уровням, подуровням и орбиталям.

Существуют 2 способа описания электронной конфигурации:

1 – электронные формулы,

2– электроно-графические конфигурации.

Для атома характерно основное состояние (с минимумом энергии) или состояние покоя и возбужденное.

5.3.1 Элементы первого периода (h, He)

Порядковый номер элемента в периодической таблице равен заряду ядра атома Z, а следовательно, и общему числу электронов в атоме.

Наиболее устойчивое (невозбуждённое) состояние электрона в атоме соответствует минимально возможному значению энергии данного электрона. Любое другое состояние является возбуждённым; из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией.

В невозбуждённом атоме водорода (Z = 1) единственный электрон находится на самом низком из возможных энергетических уровней: n = 1. В этом случае орбитальное квантовое число может принимать только одно значение l = 0. Следовательно, первый энергетический уровень образован единственной s-орбиталью, на которой и находится электрон.

Э лектронно-графическая схема атома водорода:

Электронная формула атома водорода: 1s¹.

В атоме гелия (Z = 2) второй электрон также находится на 1s орбитали. Электронная формула атома гелия: 1s².

Электронно-графическая схема атома гелия:

5 .3.2 Элементы второго периода (Li – Ne)

У следующего за гелием элемента – лития (Z = 3) – третий электрон уже не может разместиться на первом энергетическом уровне, так как на одной орбитали не может находиться более двух электронов. Поэтому третий электрон должен располагаться на втором энергетическом уровне n = 2 .

При n = 2 орбитальное квантовое число может принимать два значения: l = 0; 1. Таким образом, второй энергетический уровень образован орбиталями двух типов: одной s-орбиталью и тремя p-орбиталями.

Заполнение орбиталей электронами происходит таким образом, что сначала заполняется более низкая по энергии орбиталь. Поэтому третий электрон в невозбужденном атоме лития располагается на 2s-орбитали, так как 2s-орбиталь имеет более низкую энергию, чем 2p-орбиталь. Полная электронная формула атома лития: 1s²2s¹. Ниже показана полная электронно-графическая схема невозбуждённого атома лития:

Для понимания химических свойств элемента достаточно рассмотреть электронные формулы и электронно-графические схемы, на которых показаны только валентные электроны (т.е. электроны, участвующие в образовании химических связей). Такие электронные формулы и электронно-графические схемы называют сокращёнными. Для элементов второго периода валентными являются электроны и орбитали внешнего энергетического уровня. Сокращённая электронная формула атома лития: 2s¹.

Ниже показана сокращённая электронно-графическая схема атома лития.

2s¹.

Иногда, чтобы подчеркнуть наличие в атоме не заполненных электронами орбиталей, сокращённую электронную формулу записывают так: Li 2s¹2p⁰.

Сокращённая электронно-графическая схема и сокращённая электронная формула следующего за литием атома бериллия (Z = 4) выглядят следующим образом:

Be 2s²

Элементы, в атомах которых электронами заполняются s-орбитали, называются s-элементами (т.е. H, He, Li, Be – это s-элементы). Следует отметить, что все s-элементы, за исключением водорода и гелия, являются металлами.

Следующие за бериллием элементы второго периода – бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон – являются p-элементами: у них заполняются электронами p-орбитали. Ниже представлены сокращённые электронно-графические схемы и сокращённые электронные формулы этих элементов.

B 2s^22p^1	C 2s^22p^2
N 2s^22p^3	O 2s^22p^4
F 2s^22p^5	N e 2s^22p^6

Устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спина максимально (правило Хунда). Поэтому при заполнении p-орбиталей атомов углерода и азота каждый электрон заполняет свободную орбиталь, а не спаривается с другим электроном.

Правило Хунда не запрещает другого распределения электронов в пределах подуровня. Оно лишь утверждает, что максимальное абсолютное значение суммарного спина соответствует невозбуждённому состоянию; любое другое распределение электронов в пределах подуровня соответствует возбуждённому состоянию.

абсолютное значение абсолютное значение

суммарного спина: суммарного спина:

| +1/2 +1/2 +1/2 | = 3/2; | +1/2 – 1/2 + 1/2 | = 1/2;

максимальное значение; не является максимальным;

(возбуждённое состояние); (невозбуждённое состояние).