Строение электронных оболочек атомов и ионов
Уровни, подуровни и квантовые ячейки; порядок заполнения по Клечковскому, принцип Паули и правило Хунда; s-, p-, d-элементы и два знаменитых провала электрона.
1Уровни, подуровни, орбитали
Электроны в атоме распределены по энергетическим уровням. Номер уровня — это главное квантовое число n, и он совпадает с номером периода, в котором стоит элемент. Каждый уровень делится на подуровни: s, p, d, f. Подуровень состоит из орбиталей (квантовых ячеек), а в одной орбитали помещается максимум два электрона.
| Подуровень | Число орбиталей | Максимум электронов | Появляется с уровня |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | n = 1 |
| p | 3 | 6 | n = 2 |
| d | 5 | 10 | n = 3 |
| f | 7 | 14 | n = 4 |
- Число заполненных энергетических уровней = номер периода.
- Число электронов на внешнем уровне у элементов главных подгрупп = номер группы.
- Общее число электронов в нейтральном атоме = порядковому номеру Z = числу протонов.
- Орбиталь вмещает не больше двух электронов — и только с противоположными спинами.
2Три правила заполнения
Электроны занимают орбитали не как попало: порядок задают три правила, и на задании 1 проверяется именно их знание.
Принцип Паули: в одной орбитали не может быть больше двух электронов, и их спины противоположны (↑↓). Правило Хунда: внутри одного подуровня электроны сначала занимают все ячейки по одному с параллельными спинами и только потом начинают спариваться.
3Собираем конфигурацию своими руками
Двигайте ползунок или нажимайте на символы элементов: диаграмма перестраивается, стрелки расставляются по правилу Хунда, а внизу собирается готовая электронная формула. Переключатель заряда показывает, что происходит при образовании иона.
Выберите элемент (Z = 1…36) и заряд частицы — схема и формула обновятся
Таблица прокручивается вбок →
1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²
короткая запись: [Ar]3d⁶4s²
На внешнем (последнем) энергетическом уровне — 2 e⁻. Число уровней равно номеру периода, а число электронов внешнего слоя у элементов главных подгрупп — номеру группы.
Какая электронная конфигурация соответствует атому кальция?
У кальция Z = 20. После аргонового остова (18 e⁻) два оставшихся электрона идут на 4s, а не на 3d: сумма (n + l) для 4s равна 4, для 3d — 5. Вариант с 3p⁸ невозможен в принципе: p-подуровень вмещает максимум 6 электронов.
4s-, p-, d-элементы: как читать таблицу
Семейство элемента определяется тем, какой подуровень заполняется последним. Это мгновенно даёт положение элемента в Периодической системе — и наоборот.
| Семейство | Что заполняется | Где в таблице | Примеры |
|---|---|---|---|
| s-элементы | ns¹ или ns² | IA и IIA группы (+ He) | H, Li, Mg, K, Ca |
| p-элементы | от np¹ до np⁶ | IIIA…VIIIA группы | B, C, O, Al, S, Cl, Br |
| d-элементы | (n−1)d¹…(n−1)d¹⁰ | побочные подгруппы (Б) | Sc, Cr, Fe, Cu, Zn |
| f-элементы | (n−2)f | лантаноиды и актиноиды | Ce, U |
У d-элементов внешним остаётся уровень с s-электронами (например, у железа это 4s²), а достраивается предвнешний 3d-подуровень. Поэтому у всех металлов побочных подгрупп на внешнем уровне 1 или 2 электрона.
5Правило Хунда на схеме
Отличить корректную схему от некорректной — типовая проверка понимания. Здесь ошибка бывает двух видов: нарушение принципа Паули (лишний электрон или одинаковые спины в ячейке) и нарушение правила Хунда (преждевременное спаривание).
Нажмите на вариант — откроется разбор всех трёх схем
Перед вами три варианта заполнения 2p-подуровня атома углерода (2 электрона). Только один соответствует основному состоянию — выберите его.
Вариант 1: Нарушено правило Хунда: электроны спарились в одной ячейке, хотя рядом есть две свободные. Суммарный спин должен быть максимальным.
Вариант 2: Верно: два электрона заняли разные орбитали 2p-подуровня, спины параллельны. Так выглядит основное состояние атома углерода.
Вариант 3: Нарушен принцип Паули: в одной ячейке два электрона с одинаковыми спинами. В одной орбитали могут быть только два электрона с противоположными спинами.
6Провал электрона и ионы
Два исключения из школьного курса нужно просто запомнить: хром (Z = 24) и медь (Z = 29). У них один электрон «проваливается» с 4s-подуровня на 3d, потому что наполовину (d⁵) или полностью (d¹⁰) заполненный d-подуровень энергетически выгоднее.
| Элемент | Ожидаемая запись | Реальная запись | Неспаренных e⁻ |
|---|---|---|---|
| Cr (Z = 24) | 3d⁴4s² | 3d⁵4s¹ | 6 |
| Cu (Z = 29) | 3d⁹4s² | 3d¹⁰4s¹ | 1 |
При образовании катиона электроны уходят с внешнего уровня, то есть у d-элементов сначала с 4s, а не с 3d. Отсюда Fe²⁺ — это 3d⁶ (а не 3d⁴4s²), Fe³⁺ — 3d⁵, Cu⁺ — 3d¹⁰. Анионы, наоборот, достраивают внешний уровень до октета: Cl⁻ и S²⁻ имеют конфигурацию аргона.
Сколько неспаренных электронов в основном состоянии атома хрома?
Из-за провала электрона конфигурация хрома — 3d⁵4s¹. Все пять d-электронов сидят по одному в пяти ячейках (правило Хунда), плюс один одиночный электрон на 4s. Итого 6 неспаренных электронов — рекорд для 4-го периода.
7Тренажёр: элемент по конфигурации
Обратная задача встречается на экзамене не реже прямой: по формуле нужно узнать элемент. Приём один — сложить все верхние индексы, получить число электронов и, если частица нейтральна, приравнять его к Z.
Восемь вопросов подряд; после ответа появляется разбор и кнопка «Дальше»
полная конфигурация
1s²2s²2p⁶3s²3p⁴
Всего 2+2+6+2+4 = 16 электронов, значит Z = 16 — сера. Три уровня → 3-й период, 6 e⁻ на внешнем уровне → VIA группа.
Какие частицы имеют одинаковую электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶?
У K⁺ 19 − 1 = 18 электронов, у Ca²⁺ 20 − 2 = 18. Обе частицы изоэлектронны аргону. У нейтрального хлора 17 электронов, у Na⁺ и Mg²⁺ — по 10 (конфигурация неона), а у ионов железа конфигурации 3d⁶ и 3d⁵.
8Что забрать с собой
- Порядок заполнения: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p — 4s раньше 3d.
- Правило Хунда: сначала по одному электрону в каждую ячейку подуровня.
- Принцип Паули: не больше двух электронов в орбитали, спины противоположны.
- Провал электрона только у Cr (3d⁵4s¹) и Cu (3d¹⁰4s¹) в пределах 4-го периода.
- У катионов электроны отрываются с внешнего уровня: у d-элементов сначала с 4s.
- Проверка: сумма верхних индексов = числу электронов частицы.
Теория закончилась — теперь руки
Понимание закрепляется только на задачах. Прорешайте тему в тренажёре, пока материал свежий: 40 задач с разбором каждого решения.
Перейти в тренажёр