Квантовые числа и электронные конфигурации: полный разбор
Строение атома — фундамент, на котором держится вся химия. В ЕГЭ по химии задание №1 напрямую проверяет ваше понимание электронных конфигураций. От того, насколько хорошо вы усвоите эту тему, зависят ваши баллы за первые несколько заданий тестовой части. В этой статье мы подробно разберем, как описывается состояние электрона в атоме, и научимся безошибочно составлять электронные конфигурации.
1. Квантовые числа: «адрес» электрона
Чтобы найти человека, мы используем страну, город, улицу и номер квартиры. Чтобы найти электрон в атоме, физики и химики используют четыре квантовых числа. Они полностью описывают энергетическое состояние и положение электрона.
Значения \(l\) принято обозначать буквами:
- \(l = 0\) — s-орбиталь (форма сферы)
- \(l = 1\) — p-орбиталь (форма объемной восьмерки/гантели)
- \(l = 2\) — d-орбиталь (форма четырехлопастной фигуры)
- \(l = 3\) — f-орбиталь (сложная форма)
Например, для p-подуровня (\(l = 1\)): \(m_l\) может быть -1, 0, +1. То есть на p-подуровне 3 орбитали.
| Подуровень (\(l\)) | Количество орбиталей | Максимум электронов |
|---|---|---|
| s (0) | 1 ячейка | 2 |
| p (1) | 3 ячейки | 6 |
| d (2) | 5 ячеек | 10 |
| f (3) | 7 ячеек | 14 |
2. Три главных правила заполнения
Электроны в атоме не могут располагаться как попало. Их распределение строго подчиняется трем законам.
Принцип минимума энергии (Правило Клечковского)
Электроны заполняют орбитали в порядке возрастания их энергии. Сумма \((n + l)\) должна быть минимальной. При равенстве сумм сначала заполняется орбиталь с меньшим \(n\).
Ряд Клечковского (порядок заполнения):
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → ...
Принцип Паули
В одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. Проще говоря: в одной орбитали (ячейке) может находиться не более двух электронов, и они должны иметь противоположные спины.
Правило Хунда (Гунда)
В пределах одного подуровня электроны располагаются так, чтобы суммарный спин был максимальным. Сначала они рассаживаются в ячейки по одному (все стрелочки вверх), и только когда все ячейки заняты одиночными электронами, начинается спаривание (добавляются стрелочки вниз).
Пример заполнения p-подуровня атома азота (3 электрона):
3. Провал (перескок) электрона
В ЕГЭ по химии регулярно встречаются элементы, у которых электронная конфигурация нарушает стандартное правило Клечковского. Это явление называют «провалом» или «перескоком» электрона.
Причина: полностью заполненный (\(d^{10}\)) или наполовину заполненный (\(d^5\)) d-подуровень обладает повышенной энергетической стабильностью. Поэтому один электрон с s-подуровня «перескакивает» на d-подуровень.
Элементы с провалом электрона, которые нужно знать для ЕГЭ:
- Хром (\(_{24}Cr\)): вместо ожидаемого \(...4s^2 3d^4\) конфигурация имеет вид \(...4s^1 3d^5\).
- Медь (\(_{29}Cu\)): вместо ожидаемого \(...4s^2 3d^9\) конфигурация имеет вид \(...4s^1 3d^{10}\).
- Серебро (\(_{47}Ag\)): \(...5s^1 4d^{10}\).
- Молибден (\(_{42}Mo\)): \(...5s^1 4d^5\).
4. Практика для Задания 1
Посмотрим, как эти знания применяются в реальных задачах ЕГЭ.
Определите атомы каких из указанных в ряду элементов в основном состоянии имеют электронную формулу внешнего энергетического уровня \(ns^1\).
1) Na
2) K
3) Cu
4) Ca
5) Mg
Конфигурация внешнего уровня \(ns^1\) означает, что на внешнем s-подуровне находится ровно 1 электрон. Это характерно для щелочных металлов (IА группа), а также для элементов с провалом электрона.
- Na (щелочной металл, 3 период): внешний уровень \(3s^1\). Подходит.
- K (щелочной металл, 4 период): внешний уровень \(4s^1\). Подходит.
- Cu (побочная подгруппа I группы): из-за провала электрона конфигурация \(...4s^1 3d^{10}\). Внешним уровнем является 4-й, на нем \(4s^1\). Подходит.
- Ca и Mg — щелочноземельные металлы (IIА группа), их внешний уровень \(ns^2\). Не подходят.
Ответ: 1, 2, 3 (на ЕГЭ обычно просят выбрать 2 элемента, но здесь показаны все подходящие варианты для тренировки).
Определите атомы каких из указанных в ряду элементов в основном состоянии имеют на внешнем уровне ровно два неспаренных электрона.
1) C
2) O
3) S
4) N
5) F
Для решения нужно расписать внешние уровни и нарисовать орбитали.
1) C (Углерод). \(2s^2 2p^2\). На p-подуровне 2 электрона, по правилу Хунда они занимают разные ячейки. Итого 2 неспаренных электрона. Подходит.
2) O (Кислород). \(2s^2 2p^4\). На p-подуровне 4 электрона. Три рассаживаются по одному, четвертый образует пару в первой ячейке. Остается 2 неспаренных электрона. Подходит.
3) S (Сера). Аналог кислорода, \(3s^2 3p^4\). Тоже 2 неспаренных. Подходит.
4) N (Азот). \(2s^2 2p^3\). Три неспаренных электрона. Не подходит.
5) F (Фтор). \(2s^2 2p^5\). Один неспаренный электрон. Не подходит.
Ответ: 1, 2, 3.
Атом какого элемента в основном состоянии имеет конфигурацию валентных электронов \(3d^5 4s^1\)?
Перед нами типичная конфигурация с «провалом» электрона. Посчитаем общее число валентных электронов: 5 + 1 = 6. Это означает, что элемент находится в VI группе побочной подгруппы. Период 4-й (максимальное главное квантовое число равно 4). Элемент, у которого суммарно 24 электрона (с учетом остова \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6\)) — это Хром (Cr).
Ответ: Хром.