Правила заполнения. Электронные конфигурации
| Правило | Суть |
|---|---|
| Принцип наименьшей энергии | Подуровни заполняются в порядке роста энергии: \(\mathrm{1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to \mathbf{4s \to 3d} \to 4p \to 5s \to 4d \to 5p \to 6s \to 4f \to 5d \to 6p}\). Правило Клечковского: раньше заполняется подуровень с меньшей суммой \(n + l\), при равной сумме — с меньшим \(n\) (\(l\): \(s = 0\), \(p = 1\), \(d = 2\), \(f = 3\)). |
| Принцип Паули | На одной орбитали не более двух электронов, и их спины противоположны (\(\uparrow\downarrow\)). |
| Правило Хунда | В пределах подуровня электроны сначала занимают орбитали по одному с параллельными спинами, и лишь потом спариваются — неспаренных электронов как можно больше. |
Электронная конфигурация записывается подуровнями с числом электронов в показателе; заполненные оболочки предыдущих периодов сокращают символом благородного газа: \(\cfg{[Ne]} = \cfg{1s^2\,2s^2\,2p^6}\), \(\cfg{[Ar]} = \cfg{[Ne]\,3s^2\,3p^6}\).
| Элемент | Конфигурация | Валентные электроны | Неспаренных в основном состоянии |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C}\ (Z = 6)\) | \(\cfg{1s^2\,2s^2\,2p^2}\) | \(\cfg{2s^2\,2p^2}\) — 4 | 2 (в возбуждённом \(\cfg{2s^1\,2p^3}\) — 4) |
| \(\ce{N}\ (Z = 7)\) | \(\cfg{1s^2\,2s^2\,2p^3}\) | \(\cfg{2s^2\,2p^3}\) — 5 | 3; возбуждение невозможно — на 2-м уровне нет свободных орбиталей |
| \(\ce{O}\ (Z = 8)\) | \(\cfg{1s^2\,2s^2\,2p^4}\) | \(\cfg{2s^2\,2p^4}\) — 6 | 2 |
| \(\ce{S}\ (Z = 16)\) | \(\cfg{[Ne]\,3s^2\,3p^4}\) | \(\cfg{3s^2\,3p^4}\) — 6 | 2; в возбуждённых состояниях 4 и 6 (есть \(3d\)) |
| \(\ce{Cl}\ (Z = 17)\) | \(\cfg{[Ne]\,3s^2\,3p^5}\) | \(\cfg{3s^2\,3p^5}\) — 7 | 1; в возбуждённых 3, 5, 7 |
| \(\ce{Cr}\ (Z = 24)\) | \(\cfg{[Ar]\,3d^5\,4s^1}\) — «проскок» электрона | \(\cfg{3d^5\,4s^1}\) — 6 | 6 |
| \(\ce{Fe}\ (Z = 26)\) | \(\cfg{[Ar]\,3d^6\,4s^2}\) | \(\cfg{3d^6\,4s^2}\) — 8 | 4 |
| \(\ce{Cu}\ (Z = 29)\) | \(\cfg{[Ar]\,3d^{10}\,4s^1}\) — «проскок» | \(\cfg{3d^{10}\,4s^1}\) | 1 |
| \(\ce{Zn}\ (Z = 30)\) | \(\cfg{[Ar]\,3d^{10}\,4s^2}\) | \(\cfg{4s^2}\) (степень окисления только \(+2\)) | 0 |
«Проскок» электрона у хрома и меди объясняется устойчивостью наполовину (\(d^5\)) и полностью (\(d^{10}\)) заполненного подуровня: один \(4s\)-электрон переходит на \(3d\). То же у \(\ce{Mo}\), \(\ce{Ag}\), \(\ce{Au}\).
Конфигурации ионов. Катион образуется удалением электронов с внешнего уровня — у \(d\)-элементов сначала уходят \(4s\)-электроны, а не \(3d\): \(\ce{Fe^{2+}}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^6}\), \(\ce{Fe^{3+}}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^5}\), \(\ce{Cu+}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^{10}}\), \(\ce{Cu^{2+}}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^9}\), \(\ce{Zn^{2+}}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^{10}}\). Ионы \(\ce{S^{2-}}\), \(\ce{Cl-}\), \(\ce{K+}\), \(\ce{Ca^{2+}}\) имеют конфигурацию аргона \(\cfg{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6}\); \(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^{2+}}\), \(\ce{Al^{3+}}\), \(\ce{F-}\), \(\ce{O^{2-}}\) — конфигурацию неона \(\cfg{1s^2\,2s^2\,2p^6}\). Частицы с одинаковой конфигурацией называют изоэлектронными.
Хром и медь, у которых \(4s\)-электрон один, при образовании иона \(\mathrm{Э}^{2+}\) отдают \(4s\)-электрон и один \(3d\)-электрон: \(\ce{Cr^{2+}}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^4}\), \(\ce{Cu^{2+}}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^9}\). Марганец, железо, кобальт, никель и цинк, как и кальций, теряют только \(4s\)-электроны. Анион неметалла достраивает внешний уровень до октета: \(\ce{Br-}\) — \(\cfg{[Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^6}\); гидрид-ион \(\ce{H-}\) достраивает первый уровень до двух электронов \((\cfg{1s^2})\).
| Конфигурация иона | Ионы | Электронов на внешнем уровне |
|---|---|---|
| как у гелия \((\cfg{1s^2})\) | \(\ce{H-}\), \(\ce{Li+}\), \(\ce{Be^{2+}}\) | 2 |
| как у неона | \(\ce{N^{3-}}\), \(\ce{O^{2-}}\), \(\ce{F-}\), \(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^{2+}}\), \(\ce{Al^{3+}}\) | 8 |
| как у аргона | \(\ce{P^{3-}}\), \(\ce{S^{2-}}\), \(\ce{Cl-}\), \(\ce{K+}\), \(\ce{Ca^{2+}}\), \(\ce{Sc^{3+}}\) | 8 |
| как у криптона | \(\ce{Se^{2-}}\), \(\ce{Br-}\) | 8 |
| \(\cfg{[Ar]\,3d^{10}}\) — это не конфигурация благородного газа | \(\ce{Cu+}\), \(\ce{Zn^{2+}}\), \(\ce{Ga^{3+}}\) | 18 \((\cfg{3s^2\,3p^6\,3d^{10}})\) |
Катион может потерять внешний уровень целиком — тогда уровней у него на один меньше, чем у атома, и внешним становится прежний предвнешний: у \(\ce{K+}\) и \(\ce{Ca^{2+}}\) три уровня, у \(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^{2+}}\), \(\ce{Al^{3+}}\) — два, у \(\ce{Fe^{2+}}\) — три. У анионов число уровней не меняется. Неспаренные электроны ионов \(d\)-элементов находятся на \(3d\)-подуровне: у \(\ce{Fe^{3+}}\) и \(\ce{Mn^{2+}}\) \((\cfg{3d^5})\) их 5, у \(\ce{Fe^{2+}}\) и \(\ce{Cr^{2+}}\) — 4, у \(\ce{Cr^{3+}}\) и \(\ce{Co^{2+}}\) — 3, у \(\ce{Ni^{2+}}\) — 2, у \(\ce{Cu^{2+}}\) — 1, у \(\ce{Zn^{2+}}\) и \(\ce{Cu+}\) — ни одного. Остальные признаки иона (число \(s\)- или \(p\)-электронов, электроны внешнего уровня) определяются по его конфигурации так же, как у атома: у \(\ce{Na+}\) четыре \(s\)-электрона, как у атомов от бериллия до неона.
Одинаковая и сходная конфигурация внешнего слоя — разные признаки. Одинаковая — совпадает всё, вместе с номером уровня. Во 2-м и 3-м периодах внешние конфигурации всех элементов различны; совпадать они могут только в 4-м периоде, где у \(d\)-элементов на внешнем уровне лишь \(4s\)-электроны: \(\cfg{4s^1}\) — у \(\ce{K}\), \(\ce{Cr}\), \(\ce{Cu}\); \(\cfg{4s^2}\) — у \(\ce{Ca}\), \(\ce{Sc}\), \(\ce{Ti}\), \(\ce{V}\), \(\ce{Mn}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Co}\), \(\ce{Ni}\), \(\ce{Zn}\). Сходная — совпадает общая формула внешнего уровня (\(\cfg{ns^1}\), \(\cfg{ns^2\,np^4}\) и т. п.), а номер уровня разный: у элементов одной А-группы из разных периодов (\(\ce{O}\) и \(\ce{S}\), \(\ce{N}\) и \(\ce{As}\)), а также у \(s\)- и \(d\)-элементов разных периодов: \(\ce{Na}\) \((\cfg{3s^1})\) и \(\ce{Cr}\) \((\cfg{4s^1})\), \(\ce{Mg}\) \((\cfg{3s^2})\) и \(\ce{Fe}\) \((\cfg{4s^2})\). Водород и гелий в заданиях о сходных конфигурациях не используют.
Закрепите теорию: 13 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.
Пройти урок arrow_forward