Читать онлайн учебники
на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на мобильную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Химия

       

§ 3. Электронные конфигурации атомов химических элементов

Знание возможных состояний электрона в атоме, правило Клечковского, принцип Паули и правило Гунда позволяют рассмотреть электронную конфигурацию атома. Для этого используют электронные формулы.

Электронной формулой обозначают состояние электрона в атоме, указывая цифрой главное квантовое число, характеризующее его состояние, а буквой — орбитальное квантовое число. Число, показывающее, сколько электронов находится в данном состоянии, записывают справа сверху от буквы, обозначающей форму электронного облака.

Для атома водорода (n = 1, l = 0, m = 0) электронная формула будет такой: 1s1. Оба электрона следующего элемента гелия Не характеризуются одинаковыми значениями n, l, m и отличаются лишь спинами. Электронная формула атома гелия ls2. Электронная оболочка атома гелия завершена и очень устойчива. Гелий — благородный газ.

У элементов 2-го периода {n = 2, l = 0 или l = 1) заполняется сначала 2s-состояние, а затем р-подуровень второго энергетического уровня.

Электронная формула атома лития: ls22s1. Электрон 2s1 слабее связан с ядром атома (рис. 6), поэтому атом лития может легко отдавать его (как вы, очевидно, помните, этот процесс называется окислением), превращаясь в ион Li+.

Рис. 6.
Сечения 1s- и 2s-электронных облаков плоскостью, проходящей через ядро

В атоме бериллия четвертый электрон также занимает 2s-состояние: ls22s2. Два внешних электрона атома бериллия легко отрываются — Be при этом окисляется в катион Ве2+.

У атома бора появляется электрон в 2р-состоянии: ls22s22p1. Далее у атомов углерода, азота, кислорода и фтора (в соответствии с правилом Гунда) идет заполнение 2р-подуровня, которое заканчивается у благородного газа неона: ls22s22p6.

Если хотят подчеркнуть, что электроны на данном подуровне занимают квантовые ячейки поодиночке, в электронной формуле обозначение подуровня сопровождает индеке. Например, электронная формула атома углерода

У элементов 3-го периода заполняется соответственно Зs-состояние (n = 3, l = 0) и Зр-подуровень (n = 3, l — 1). Зd-подуровень (n = 3, l = 2) при этом остается свободным:

Иногда в схемах, изображающих распределение электронов в атомах, указывают только число электронов на каждом энергетическом уровне, т. е. записывают сокращенные электронные формулы атомов химических элементов, в отличие от приведенных выше полных электронных формул, например:

У элементов больших периодов (4-го и 5-го), в соответствии с правилом Клечковского, первые два электрона внешнего электронного слоя занимают соответственно 4s-(n = 4, l = 0) и 5s-состояния (n = 5, l = 0):

Начиная с третьего элемента каждого большого периода, последующие десять электронов поступают на предыдущие 3d- и 4d-подуровни соответственно (у элементов побочных подгрупп):

Как правило, когда будет заполнен предыдущий d-подуровень, тогда начнет заполняться внешний (соответственно 4р- и 5р ) р-подуровень:

У элементов больших периодов — 6-го и незавершенного 7-го — энергетические уровни и подуровни заполняются электронами, как правило, так: первые два электрона поступают на внешний s-подуровень, например:

следующий один электрон (у La и Ас) — на предыдущий d-подуровень:

Затем последующие 14 электронов поступают на третий снаружи энергетический уровень на 4f- и 5f-подуровни соответственно у лантаноидов и актиноидов:

Затем снова начнет застраиваться второй снаружи энергетический уровень (d-подуровень) у элементов побочных подгрупп:

Только после полного заполнения десятью электронами d-подуровня будет снова заполняться внешний р-подуровень:

В заключение еще раз рассмотрим разные способы отображения электронных конфигураций атомов элементов по периодам таблицы Д. И. Менделеева.

Рассмотрим элементы 1-го периода — водород и гелий.

Электронные формулы атомов показывают распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням.

Графические электронные формулы атомов показывают распределение электронов не только по уровням и подуровням, но и по квантовым ячейкам (атомным орбиталям).

В атоме гелия первый электронный слой завершен — в нем 2 электрона.

Водород и гелий — s-элементы, у этих атомов заполняется электронами ls-подуровень.

У всех элементов 2-го периода первый электронный слой заполнен, и электроны заполняют 2s- и 2р-состояния в соответствии с принципом наименьшей энергии (сначала S-, а затем р) и правилами Паули и Хунда (табл. 2).

В атоме неона второй электронный слой завершен — в нем 8 электронов.

Таблица 2
Строение электронных оболочек атомов элементов 2-го периода


Литий Li, бериллий Be — s-элементы.

Бор В, углерод С, азот N, кислород О, фтор F, неон Ne — р-элементы, у этих атомов заполняется электронами р-подуровень.

У атомов элементов 3-го периода первый и второй электронные слои завершены, поэтому заполняется третий электронный слой, в котором электроны могут занимать 3s-, 3р- и Зd-состояния (табл. 3).

Таблица 3
Строение электронных оболочек атомов элементов 3-го периода

У атома магния достраивается Зs-подуровень. Натрий Na и магний Mg — s-элементы.

У алюминия и последующих за ним элементов заполняется электронами Зр-подуровень.

В атоме аргона на внешнем слое (третьем электронном слое) 8 электронов. Как внешний слой, он завершен, но всего в третьем электронном слое, как вы уже знаете, может быть 18 электронов, а это значит, что у элементов 3-го периода остается незаполненным 3d-состояние.

Все элементы от алюминия Аl до аргона Аr — р-элементы.

s- и p-элементы образуют главные подгруппы в Периодической системе.

У атомов элементов 4-го периода — калия и кальция — появляется четвертый энергетический уровень, заполняется 48-подуровень (табл. 4), так как, согласно правилу Клечковского, он имеет меньшую энергию, чем Зd-подуровень.

Таблица 4
Строение электронных оболочек атомов элементов 4-го периода


Для упрощения графических электронных формул атомов элементов 4-го периода:

  1. обозначим условно графическую электронную формулу аргона так:
  2. не будем изображать подуровни, которые у этих атомов не заполняются.

Калий К и кальций Са — s-элементы, входящие в главные подгруппы. У атомов от скандия Sc до цинка Zn заполняется электронами 3d-подуровень. Это 3d-элементы. Они входят в побочные подгруппы, у них заполняется предвнешний электронный слой, их относят к переходным элементам.

Обратите внимание на строение электронных оболочек атомов хрома и меди. В них происходит «провал» одного электрона с 4s- на Зd-подуровень, что объясняется большей энергетической устойчивостью образующихся при этом электронных конфигураций 3d5 и 3d10:

В атоме цинка третий энергетический уровень завершен, в нем заполнены все подуровни — 3s, 3р и 3d, всего на них 18 электронов.

У следующих за цинком элементов продолжает заполняться четвертый энергетический уровень, 4р-подуровень.

Элементы от галлия Ga до криптона Кr — р-элементы.

У атома криптона Кr внешний слой (четвертый) завершен, имеет 8 электронов. Но всего в четвертом электронном слое, как вы знаете, может быть 32 электрона; у атома криптона пока остаются незаполненными 4d- и 4f-состояния.

У элементов 5-го периода, в соответствии с правилом Клечковского, идет заполнение подуровней в следующем порядке: 5s ⇒ 4d ⇒ 5р. И также встречаются исключения, связанные с «провалом» электронов, у 41Nb, 42Мо, 44Ru, 45Rh, 46Pd, 47Аg.

В 6-м и 7-м периодах появляются f-элементы, т. е. элементы, у которых идет заполнение соответственно 4f- и 5f-подуровней третьего снаружи энергетического уровня.

4f-Элементы называют лантаноидами.

5f-Элементы называют актиноидами.

Порядок заполнения электронных подуровней в атомах элементов 6-го периода: 55Cs и 56Ва — бs-элементы; 57La ...6s25d1 — 5d-элeмeнт; 58Се — 71Lu — 4f-элементы; 72Hf — 80Нg — 5d-элементы; 81Тl — 86Rn — бр-элементы. Но и здесь встречаются элементы, у которых «нарушается» порядок заполнения энергетических подуровней, что, например, связано с большей энергетической устойчивостью наполовину и полностью заполненных f-подуровней, т. е. nf7 и nf14.

В зависимости от того, какой подуровень атома заполняется электронами последним, все элементы, как вы уже поняли, делят на четыре электронных семейства или блока (рис. 7):

Рис. 7.
Деление Периодической системы (таблицы) на блоки элементов

  1. s-элементы; заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня атома; к s-элементам относят водород, гелий и элементы главных подгрупп I и II групп;
  2. p-элементы; заполняется электронами р-подуровень внешнего уровня атома; к p-элементам относят элементы главных подгрупп III—VIII групп;
  3. d-элементы; заполняется электронами d-подуровень предвнешнего уровня атома; к d-элементам относят элементы побочных подгрупп I—VIII групп, т. е. элементы вставных декад больших периодов, расположенные между s- и p-элементами. Их также называют переходными элементами;
  4. f-элементы; заполняется электронами f-подуровень третьего снаружи уровня атома; к ним относят лантаноиды и актиноиды.

Вопросы и задания к § 3

  1. Составьте схемы электронного строения, электронные формулы и графические электронные формулы атомов следующих химических элементов:
        а) кальция;
        б) железа;
        в) циркония;
        г) ниобия;
        д) гафния;
        е) золота.
  2. Напишите электронную формулу элемента № 110, используя символ соответствующего благородного газа.
  3. Что такое «провал» электрона? Приведите примеры элементов, у которых это явление наблюдается, запишите их электронные формулы.
  4. Как определяется принадлежность химического элемента к тому или иному электронному семейству?
  5. Сравните электронную и графическую электронную формулы атома серы. Какую дополнительную информацию содержит последняя формула?

Рейтинг@Mail.ru