Энергетические уровни, подуровни, орбитали

Электроны в атоме распределены по энергетическим уровням (слоям). Номер уровня \(n\) равен номеру периода, в котором стоит элемент; число уровней в атоме = номер периода. Уровень с номером \(n\) состоит из \(n\) подуровней, каждый подуровень — из орбиталей: областей пространства, где вероятность найти электрон наибольшая.

Ёмкость уровня — \(2n^2\) электронов: 1-й уровень вмещает 2, 2-й — 8, 3-й — 18, 4-й — 32. На внешнем уровне любого атома не бывает больше 8 электронов (у благородных газов, кроме гелия, их ровно 8 — октет).

Электронные семейства — по подуровню, который заполняется последним:

• \(s\)-элементы — IА и IIА группы, а также \(\ce{H}\) и \(\ce{He}\);
• \(p\)-элементы — IIIА–VIIIА группы (\(\ce{B}\), \(\ce{C}\), \(\ce{N}\), \(\ce{O}\), \(\ce{F}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Al}\), \(\ce{Si}\), …);
• \(d\)-элементы — все Б-группы (побочные подгруппы): \(\ce{Sc}\) … \(\ce{Zn}\), \(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Cr}\), \(\ce{Mn}\);
• \(f\)-элементы — лантаноиды и актиноиды.

Внешний уровень — уровень с наибольшим номером \(n\), на котором есть электроны; предвнешний — уровень с номером \(n - 1\). У \(s\)- и \(p\)-элементов последний заполняемый подуровень принадлежит внешнему уровню, поэтому электронов на внешнем уровне столько, каков номер группы (у гелия — два). У \(d\)-элементов 4-го периода заполняется \(3d\)-подуровень предвнешнего уровня, а на внешнем уровне остаются только \(4s\)-электроны: два, а у хрома и меди — один. Поэтому \(3d\)-электроны к внешнему уровню не относятся: у марганца \((\cfg{3d^5\,4s^2})\) на внешнем уровне два электрона, а не семь.

Третий уровень у элементов 3-го периода внешний, а у элементов 4-го периода — предвнешний. Восемь электронов на нём у аргона, калия и кальция; от скандия до никеля их больше за счёт \(3d\)-электронов, а начиная с меди третий уровень заполнен полностью — 18 электронов.

Завершённый внешний уровень — восемь электронов \((\cfg{ns^2\,np^6})\), октет, а для первого уровня — два \((\cfg{1s^2})\). Он есть только у благородных газов: \(\ce{He}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Ar}\), \(\ce{Kr}\). У магния \((\cfg{3s^2})\) и цинка \((\cfg{4s^2})\) заполнен лишь \(s\)-подуровень внешнего уровня, и уровень не завершён. Атомам других элементов А-групп, кроме водорода, до октета не хватает \(8 - N\) электронов, где \(N\) — номер группы: галогенам — одного, кислороду, сере и селену — двух, азоту, фосфору и мышьяку — трёх, углероду, кремнию и германию — четырёх, щелочным металлам — семи.

Число \(s\)-, \(p\)- и \(d\)-электронов во всём атоме складывается по всем уровням: каждый заполненный \(s\)-подуровень даёт 2 электрона, \(p\)-подуровень — 6, \(3d\)-подуровень — 10, и к ним прибавляются электроны незаполненного подуровня.

• \(s\)-электронов: \(\ce{H}\) — 1, \(\ce{He}\) — 2; \(\ce{Li}\) — 3, от \(\ce{Be}\) до \(\ce{Ne}\) — 4; \(\ce{Na}\) — 5, от \(\ce{Mg}\) до \(\ce{Ar}\) — 6; \(\ce{K}\) — 7, от \(\ce{Ca}\) до \(\ce{Kr}\) — 8. Исключения — \(\ce{Cr}\) и \(\ce{Cu}\): из-за «проскока» у них 7, как у калия.
• \(p\)-электронов: до бора нет; от \(\ce{B}\) до \(\ce{Ne}\) — от 1 до 6; у \(\ce{Na}\) и \(\ce{Mg}\) — 6; от \(\ce{Al}\) до \(\ce{Ar}\) — от 7 до 12; от \(\ce{K}\) до \(\ce{Zn}\) — 12; от \(\ce{Ga}\) до \(\ce{Kr}\) — от 13 до 18. Отсюда же видно, на скольких уровнях есть \(p\)-электроны: на одном — от бора до магния, на двух — от алюминия до цинка, на трёх — от галлия до криптона.
• \(d\)-электронов: до кальция нет; от \(\ce{Sc}\) до \(\ce{Zn}\) — от 1 до 10 (у \(\ce{Cr}\) — 5, у \(\ce{Cu}\) — 10); у элементов от \(\ce{Ga}\) до \(\ce{Kr}\) тоже 10: это \(p\)-элементы, но заполненный \(3d\)-подуровень у них есть. Наполовину \((\cfg{3d^5})\) он заполнен у хрома и марганца, полностью — у меди, цинка и элементов от галлия до криптона.