Електронні конфігурації атомів хімічних елементів

Швейцарський фізик В. Паулі в 1925 р встановив, що в атомі на одній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів, що мають протилежні (антипаралельні) спини (в перекладі з англійської «веретено»), тобто володіють такими властивостями, які умовно можна уявити собі як обертання електрона навколо своєї уявної осі: за годинниковою або проти годинникової стрілки. Цей принцип носить назву принципу Паулі.

Якщо на орбіталі знаходиться один електрон, то він називається неспареним, якщо два, то це спарені електрони, тобто електрони з протилежними спинами.
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів

На малюнку 5 показана схема підрозділи енергетичних рівнів на підрівні.

s-Орбиталь, як ви вже знаєте, має сферичну форму. Електрон атома водню (s = 1) розташовується на цій ор-біта і неспарен. Тому його електронна формула або електронна конфігурація буде записуватися так: 1s1. В електронних формулах номер енергетичного рівня позначається цифрою, що стоїть перед буквою (1 …), латинською буквою позначають підрівень (тип орбіталі), а цифра, яка записується справа вгорі від букви (як показник ступеня), показує число електронів на підрівні.

Для атома гелію Нє, має два спарених електрона на одній s-орбіталі, ця формула: 1s2.

Електронна оболонка атома гелію завершена і дуже стійка. Гелій – це інертний газ.

На другому енергетичному рівні (n = 2) є чотири орбіталі: одна s і три р. Електрони s-орбіталі другого рівня (2s-орбіталі) мають більш високою енергією, так як знаходяться на більшій відстані від ядра, ніж електрони 1s-орбіталі (n = 2).

Взагалі, для кожного значення n існує одна s-орбіталь, але з відповідним запасом енергії електронів на ньому і, отже, з відповідним діаметром, зростаючим в міру збільшення значення n.

р-Орбиталь має форму гантелі або об’ємної вісімки. Всі три р-орбіталі розташовані в атомі взаємно перпендикулярно вздовж просторових координат, проведених через ядро атома. Слід підкреслити ще раз, що кожен енергетичний рівень (електронний шар), починаючи з n = 2, має три р-орбіталі. Зі збільшенням значення n електрони АНІМАЛ р-орбіталі, розташовані на великих відстанях від ядра і спрямовані по осях х, у, м

У елементів другого періоду (n = 2) заповнюється спочатку одна в-орбіталь, а потім три р-орбіталі. Електронна формула 1л: 1s22s1. Електрон слабкіше пов’язаний з ядром атома, тому атом літію може легко віддавати його (як ви, очевидно, пам’ятаєте, цей процес називається окисленням), перетворюючись на іон Li +.

В атомі берилію Ве0 четвертий електрон також розміщується на 2s-орбіталі: 1s22s2. Два зовнішніх електрона атома берилію легко відриваються – Ве0 при цьому окислюється в катіон Ве2 +.

У атома бору п’ятий електрон займає 2р-орбіталь: 1s22s22р1. Далі у атомів С, N, О, Е йде заповнення 2р-орбіталей, яке закінчується у благородного газу неону: 1s22s22р6.

У елементів третього періоду заповнюються відповідно Зв- і Зр-орбіталі. П’ять d-орбіталей третього рівня при цьому залишаються вільними:

11Nа 1s22s2Зв1; 17С11в22822р63р5; 18Аг П ^ ер ^ Зр6.

Іноді в схемах, що зображують розподіл електронів в атомах, вказують тільки число електронів на кожному енергетичному рівні, тобто записують скорочені електронні формули атомів хімічних елементів, на відміну від наведених вище повних електронних формул.

У елементів великих періодів (четвертого і п’ятого) перші два електрона займають відповідно 4я- і 5я-орбіталі: 19к 2, 8, 8, 1; 38Sr 2, 8, 18, 8, 2. Починаючи з третього елемента кожного великого періоду, наступні десять електронів надійдуть на попередні 3d- і 4d- орбіталі відповідно (у елементів побічних підгруп): 23V 2, 8, 11, 2; 26Tr 2, 8, 14, 2; 40Zr 2, 8, 18, 10, 2; 43Тг 2, 8, 18, 13, 2. Як правило, тоді, коли буде заповнений попередній d-підрівень, почне заповнюватися зовнішній (відповідно 4р- і 5р) р-підрівень.

У елементів великих періодів – шостого і незавершеного сьомого – електронні рівні і підрівні заповнюються електронами, як правило, так: перші два електрона надійдуть на зовнішній по-підрівень: 56Ва 2, 8, 18, 18, 8, 2; 87Гг 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1; Наступного один електрон (у Nа і Ас) на попередній (p-підрівень: 57Lа 2, 8, 18, 18, 9, 2 і 89Ас 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2.

Потім наступні 14 електронів надійдуть на третій зовні енергетичний рівень на 4f- і 5f-орбіталі відповідно у лантаноїдів і актиноїдів.

Потім знову почне забудовуватися другий зовні енергетичний рівень (d-підрівень): у елементів побічних підгруп: 73Та 2, 8,18, 32,11, 2; 104Rf 2, 8,18, 32, 32,10, 2, – і, нарешті, тільки після повного заповнення десятьма електронами сйгоду-рівня буде знову заповнюватися зовнішній р-підрівень:

86Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8.

Дуже часто будова електронних оболонок атомів зображують за допомогою енергетичних або квантових осередків – записують так звані графічні електронні формули. Для цього запису використовують такі позначення: кожна квантова комірка позначається кліткою, яка відповідає одній орбіталі; кожен електрон позначається стрілкою, відповідної напрямку спина. При записи графічної електронної формули слід пам’ятати два правила: принцип Паулі, згідно з яким в осередку (орбіталі) може бути не більше двох електронів, але з антипаралельними спинами, і правило Ф. хунди, згідно з яким електрони займають вільні комірки (орбіталі), розташовуються в них спочатку по одному і мають при цьому однакове значення спина, а лише потім спаровуються, але спини при цьому за принципом Паулі будуть вже протилежно спрямованими.

На закінчення ще раз розглянемо відображення електронних конфігурацій атомів елементів за періодами системи Д. І. Менделєєва. Схеми електронної будови атомів показують розподіл електронів по електронним верствам (енергетичним рівням).
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
В атомі гелію перший електронний шар завершений – в ньому 2 електрона.

Водень і гелій – s-елементи, у цих атомів заповнюється електронами s-орбіталь.

Елементи другого періоду

У всіх елементів другого періоду перший електронний шар заповнений і електрони заповнюють е-і р-орбіталі другого електронного шару відповідно до принципу найменшої енергії (спочатку s-, а потім р) і правилами Паулі і хунди (табл. 2).

В атомі неону другий електронний шар завершений – в ньому 8 електронів.

Таблиця 2 Будова електронних оболонок атомів елементів другого періоду
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
Закінчення табл. 2
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
Li, Ве – в-елементи.

В, С, N, О, F, Nе – р-елементи, у цих атомів заповнюються електронами р-орбіталі.

Елементи третього періоду

У атомів елементів третього періоду перший та другий електронні шари завершені, тому заповнюється третій електронний шар, в якому електрони можуть займати Зs-, 3р- і Зd-підрівні (табл. 3).
Таблиця 3 Будова електронних оболонок атомів елементів третього періоду

Електронні конфігурації атомів хімічних елементів

У атома магнію добудовується Зs-електронна орбіталь. Nа і Mg- s-елементи.
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
В атомі аргону на зовнішньому шарі (третьому електронному шарі) 8 електронів. Як зовнішній шар, він завершений, але все в третьому електронному шарі, як ви вже знаєте, може бути 18 електронів, а це значить, що у елементів третього періоду залишаються незаповненими Зd-орбіталі.

Всі елементи від Аl до Аг – р-елементи. s- і р-елементи утворюють головні підгрупи в Періодичній системі.
У атомів калію і кальцію з’являється четвертий електронний шар, заповнюється 4s-підрівень (табл. 4), так як він має меншу енергію, ніж Зй-підрівень. Для спрощення графічних електронних формул атомів елементів четвертого періоду: 1) позначимо умовно графічну електронну формулу аргону так:
Аr;

2) не будемо зображати підрівні, які у цих атомів не заповнюються.
Таблиця 4 Будова електронних оболонок атомів елементів четвертого періоду

Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
К, Са – s-елементи, що входять до головні підгрупи. У атомів від Sс до Zn заповнюється електронами Зй-підрівень. Це Зй-елементи. Вони входять в побічні підгрупи, у них заповнюється предвнешнего електронний шар, їх відносять до перехідних елементів.

Зверніть увагу на будову електронних оболонок атомів хрому і міді. У них відбувається «провал» одного електрона з 4я- на Зй-підрівень, що пояснюється більшою енергетичною стійкістю утворюються при цьому електронних конфігурацій Зd5 і Зd10:
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
В атомі цинку третій електронний шар завершений – в ньому заповнені всі підрівні 3s, Зр і Зd, всього на них 18 електронів.

У наступних за цинком елементів продовжує заповнюватися четвертий електронний шар, 4р-підрівень: Елементи від Gа до Кr – р-елементи.
Електронні конфігурації атомів хімічних елементів
У атома криптону зовнішній шар (четвертий) завершений, має 8 електронів. Але все в четвертому електронному шарі, як ви знаєте, може бути 32 електрона; у атома криптону поки залишаються незаповненими 4d- і 4f- підрівні.

У елементів п’ятого періоду йде заповнення підрівнів в наступному порядку: 5s-> 4d -> 5р. І також трапляються винятки, пов’язані з «провалом» електронів, у 41Nb, 42MO і т.д.

У шостому і сьомому періодах з’являються елементи, тобто елементи, у яких йде заповнення відповідно 4f- і 5f-підрівнів третього зовні електронного шару.

4f-Елементи називають лантаноїдами.

5f-Елементи називають актиноіда.

Порядок заповнення електронних підрівнів в атомах елементів шостого періоду: 55Сs і 56Ва – 6s-елементи;

57Lа … 6s25d1 – 5d-елемент; 58Се – 71Lu – 4f-елементи; 72Hf – 80Нg – 5d-елементи; 81Тl- 86Rn – 6р-елементи. Але і тут зустрічаються елементи, у яких «порушується» порядок заповнення електронних орбіталей, що, наприклад, пов’язано з більшою енергетичною стійкістю наполовину і повністю заповнених f підрівнів, тобто nf7 і nf14.

Залежно від того, який підрівень атома заповнюється електронами останнім, все елементи, як ви вже зрозуміли, ділять на чотири електронних сімейства або блоку (рис. 7).

1) s-Елементи; заповнюється електронами в-підрівень зовнішнього рівня атома; до s-елементів відносяться водень, гелій і елементи головних підгруп I і II груп;

2) р-елементи; заповнюється електронами р-підрівень зовнішнього рівня атома; до р елементів відносяться елементи головних підгруп III-VIII груп;

3) d-елементи; заповнюється електронами d-підрівень предвнешнего рівня атома; до d-елементів відносяться елементи побічних підгруп I-VIII груп, тобто елементи вставних декад великих періодів, розташовані між s- і р-елементами. Їх також називають перехідними елементами;

4) f-елементи, заповнюється електронами f-підрівень третього зовні рівня атома; до них відносяться лантаноїди і актиноїди.

1. Що було б, якби принцип Паулі не дотримувався?

2. Що було б, якби правило Хунда не дотримувалося?

3. Складіть схеми електронного будови, електронні формули і графічні електронні формули атомів наступних хімічних елементів: Са, Fе, Zr, Sn, Nb, Hf, Ра.

4. Напишіть електронну формулу елемента № 110, використовуючи символ відповідного благородного газу.

5. Що таке «провал» електрона? Наведіть приклади елементів, у яких це явище спостерігається, запишіть їх електронні формули.

6. Як визначається приналежність хімічного елемента до тієї чи іншої електронного сімейства?

7. Порівняйте електронну та графічну електронну формули атома сірки. Яку додаткову інформацію містить остання формула?

����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½������°����¯�¿�½������³����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½������·����¯�¿�½������º����¯�¿�½������°...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Властивості йоду