Электронные конфигурации атомов
Три правила заполнения
Электронная конфигурация показывает, как электроны атома распределены по подуровням. Чтобы составить её, нужно определить порядок заполнения подуровней, а затем распределить электроны между орбиталями каждого подуровня. Для этого используют три правила.
functionПринцип Паули (1925)
В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел. Поэтому на одной орбитали находятся не более двух электронов, причём их спины противоположны.
functionПравило Хунда
Если подуровень содержит несколько орбиталей, электроны сначала занимают их по одному и имеют параллельные спины. Лишь после этого начинается спаривание. Поэтому у атома азота с конфигурацией \(\cfg{2p^3}\) на данном подуровне три неспаренных электрона, а не пара электронов и один неспаренный электрон.
functionПравило Клечковского (Маделунга)
Подуровни заполняются в порядке увеличения суммы \(n + l\). Если эта сумма одинакова, первым заполняется подуровень с меньшим \(n\). Так, 4s (\(4 + 0 = 4\)) заполняется раньше 3d (\(3 + 2 = 5\)). Подуровень 3d, в свою очередь, заполняется раньше 4p: у них одинаковая сумма (5), но для 3d значение \(n\) меньше.
Применим правила к сере (Z = 16). Её конфигурация — \(\cfg{1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4}\); сокращённая запись — \(\cfg{[Ne]\,3s^2 3p^4}\). Четыре электрона на трёх 3p-орбиталях распределяются по правилу Хунда: образуются одна пара и два неспаренных электрона.
history_eduКто установил порядок заполнения
Эмпирическое правило \(n + l\) сформулировал в 1936 году немецкий физик Эрвин Маделунг. В 1951 году это правило независимо сформулировал и теоретически обосновал советский химик Всеволод Клечковский; в русской литературе оно носит его имя. Принцип запрета Вольфганг Паули сформулировал в 1925 году, ещё до появления уравнения Шрёдингера, на основании анализа спектров. В 1945 году Паули получил Нобелевскую премию.
Короткая запись и блоки таблицы
В полной конфигурации приходится каждый раз перечислять электроны внутренних подуровней. В сокращённой записи их заменяют символом благородного газа с такой же конфигурацией внутренних электронов. Например, для хлора получают \(\cfg{[Ne]\,3s^2 3p^5}\), а для железа — \(\cfg{[Ar]\,3d^6 4s^2}\). Оставшаяся часть записи помогает определить валентные электроны — электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей.
По заполняемому подуровню элементы относят к s-, p-, d- или f-блоку. Таблица показывает характерные для этих блоков подуровни и конфигурации валентных электронов.
| Блок | Последним заполняется | Группы | Валентные электроны |
|---|---|---|---|
| s | Подуровень \(ns\). | Группы 1–2. | Характерная конфигурация — \(\cfg{ns^{1-2}}\). |
| p | Подуровень \(np\). | Группы 13–18. | Характерная конфигурация — \(\cfg{ns^2 np^{1-6}}\). |
| d | Подуровень \((n-1)d\). | Группы 3–12. | Типичная конфигурация — \(\cfg{(n-1)d^{1-10} ns^{1-2}}\); встречаются исключения. |
| f | Подуровень \((n-2)f\). | Лантаноиды и актиноиды. | В записи учитывают \((n-2)f\ (n-1)d\ ns\). |
Электронная конфигурация помогает объяснять химические свойства. У s-элементов один или два валентных электрона; щелочные и щёлочноземельные металлы сравнительно легко их отдают и потому являются сильными восстановителями. Например, натрий реагирует с водой: \(\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}\). У p-элементов число валентных электронов равно номеру группы минус 10. Для многих из них этому числу соответствует и высшая степень окисления, но исключения не позволяют применять такое правило ко всем p-элементам. У d-элементов в образовании связей могут участвовать как \(ns\)-, так и \((n-1)d\)-электроны. Поэтому для них характерны разные степени окисления: у марганца они изменяются от +2 до +7.
boltКак составить конфигурацию по таблице
Номер периода указывает наибольшее \(n\) в конфигурации атома. Для s- и d-элементов номер группы в таблице из 18 групп обычно равен числу электронов сверх конфигурации предшествующего благородного газа. Для p-элементов номер группы равен числу электронов внешнего слоя плюс 10; заполненный подуровень \(\cfg{(n-1)d^{10}}\), который появляется начиная с 4-го периода, при этом не учитывают. Например, мышьяк находится в 4-м периоде и группе 15, поэтому его конфигурация — \(\cfg{[Ar]\,3d^{10} 4s^2 4p^3}\). Гелий составляет особый случай: его электроны занимают s-подуровень, но сам элемент находится в группе 18.
Исключения и их химия
Правило Клечковского позволяет предсказать порядок заполнения подуровней, однако конфигурации некоторых d-элементов отличаются от ожидаемых. У ряда атомов один электрон переходит с \(ns\)-подуровня на \((n-1)d\)-подуровень; у палладия на d-подуровень переходят два электрона.
| Элемент | Ожидаемая по правилу конфигурация | Конфигурация основного состояния |
|---|---|---|
| Cr (24) | \(\cfg{[Ar]\,3d^4 4s^2}\) | \(\cfg{[Ar]\,3d^5 4s^1}\) |
| Cu (29) | \(\cfg{[Ar]\,3d^9 4s^2}\) | \(\cfg{[Ar]\,3d^{10} 4s^1}\) |
| Mo (42) | \(\cfg{[Kr]\,4d^4 5s^2}\) | \(\cfg{[Kr]\,4d^5 5s^1}\) |
| Ag (47), Au (79) | Ожидается распределение \(d^9 s^2\). | Наблюдается распределение \(d^{10} s^1\). |
| Pd (46) | \(\cfg{[Kr]\,4d^8 5s^2}\) | \(\cfg{[Kr]\,4d^{10}}\) |
Эти исключения часто связывают с устойчивостью наполовину или полностью заполненного d-подуровня. Более точное объяснение учитывает близость энергий \(ns\)- и \((n-1)d\)-подуровней. При такой близости выигрыш в энергии, связанный с обменным взаимодействием электронов с параллельными спинами (\(d^5\)) или с заполнением подуровня (\(d^{10}\)), может изменить конфигурацию основного состояния. Однако это происходит не всегда: вольфрам, аналог хрома, имеет конфигурацию \(\cfg{5d^4 6s^2}\).
Конфигурации помогают понять и различия в химии перечисленных металлов:
- У хрома шесть валентных электронов. Его высшая степень окисления +6 формально соответствует участию всех шести электронов; соединениями хрома(VI) являются \(\ce{CrO3}\) и хроматы.
- У меди есть один 4s-электрон, что согласуется с существованием соединений меди(I). Степени окисления +2 соответствует участие ещё одного d-электрона.
- Для серебра наиболее характерна степень окисления +1. Отрыв электрона от заполненного \(d^{10}\)-подуровня требует больших затрат энергии, хотя соединения серебра в других степенях окисления тоже существуют.
- У золота конфигурация \(\cfg{5d^{10}6s^1}\). С учётом релятивистских эффектов, которые рассматриваются в уроке 15, для него характерны степени окисления +1 и +3.
scienceВысокие и низкие степени окисления в реакциях
- \(\ce{Cr2O3 + 3KNO3 + 2K2CO3 ->[t] 2K2CrO4 + 3KNO2 + 2CO2}\) — при окислительном сплавлении хром(III) превращается в хром(VI), а нитрат восстанавливается до нитрита.
- \(\ce{Cr + 2HCl -> CrCl2 + H2 ^}\) — без доступа воздуха хром реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида хрома(II) и водорода.
- \(\ce{4CuO ->[1100^\circ C] 2Cu2O + O2 ^}\) — при сильном нагревании оксид меди(II) разлагается с образованием оксида меди(I) и кислорода.
- \(\ce{2AgNO3 ->[t] 2Ag + 2NO2 ^ + O2 ^}\) — при нагревании нитрат серебра разлагается до металлического серебра, поскольку оксид серебра(I) при этой температуре неустойчив.
- \(\ce{Au + HNO3 + 4HCl -> H[AuCl4] + NO ^ + 2H2O}\) — при растворении золота в царской водке образуется соединение золота(III) и выделяется оксид азота(II).
history_eduОпыт Штерна — Герлаха
В 1922 году Отто Штерн и Вальтер Герлах пропустили пучок атомов серебра через неоднородное магнитное поле. Пучок разделился на два. У серебра конфигурация \(\cfg{4d^{10} 5s^1}\), то есть один неспаренный электрон. Позднее расщепление связали с тем, что измеряемая проекция его магнитного момента может принимать два значения. В 1925 году Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит предложили представление о спине электрона, которое позволило объяснить физический смысл четвёртого квантового числа.
push_pinГлавное
При составлении электронной конфигурации подуровни располагают в порядке увеличения \(n + l\), а при равной сумме первым выбирают подуровень с меньшим \(n\): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s. Принцип Паули ограничивает число электронов на орбитали двумя и требует противоположных спинов, а правило Хунда определяет порядок занятия орбиталей одного подуровня. Исключения, в том числе конфигурации Cr и Cu (\(\cfg{3d^5 4s^1}\), \(\cfg{3d^{10} 4s^1}\)) и Pd (\(\cfg{4d^{10}}\)), связаны с близостью энергий \(ns\)- и \((n-1)d\)-подуровней. Конфигурация помогает объяснять химические свойства, а магнитные свойства позволяют обнаруживать неспаренные электроны.
Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.