Электронные конфигурации и провал электрона
Как расставить электроны по уровням и почему у хрома и меди правило нарушается.
5. Составление электронных конфигураций
Электроны в атоме стремятся занять состояние с минимальной энергией. Порядок заполнения орбиталей подчиняется Правилу Клечковского (правилу n+l):
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → ...
Важно заметить, что 4s уровень заполняется раньше, чем 3d, так как имеет более низкую энергию (4+0=4 против 3+2=5).
Графическая формула (квантовые ячейки) показывает распределение электронов по орбиталям с учетом принципа Паули (не более 2 электронов в ячейке) и правила Хунда (сначала по одному электрону в каждую ячейку подуровня).
Вопрос 1: Электронная конфигурация
ПроверкаКакому элементу в основном состоянии соответствует электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^23p^4$?
Ответ: Сера (S).
Пояснение: Подсчитаем общее число электронов: $2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16$. Элемент с порядковым номером 16 в таблице Менделеева — это сера.
Вопрос 2: Порядок заполнения
ПроверкаСогласно правилу Клечковского, какой подуровень заполняется электронами сразу после $4s$?
- $4p$
- $3d$
- $5s$
- $4d$
Ответ: 2. $3d$.
Пояснение: Заполнение идет по мере возрастания суммы $(n + l)$. Для $4s$: $4 + 0 = 4$. Для $3d$: $3 + 2 = 5$. Для $4p$: $4 + 1 = 5$. Сначала заполняется подуровень с меньшей суммой, а при равных суммах — с меньшим $n$. Поэтому после $4s$ (4) идет $3d$ (5), а затем $4p$ (5).
6. Особенности заполнения (Провал электрона)
В химии элементы подгрупп меди и хрома ведут себя "не по правилам". Это связано с особой стабильностью полностью заполненных (d10) или наполовину заполненных (d5) подуровней. Симметричное распределение заряда энергетически более выгодно атома.
Хром (Cr, №24)
Теоретически ожидалось: ...4s23d4.
Однако один электрон с 4s "проваливается" на 3d, чтобы создать стабильную конфигурацию d5.
Реально: ...4s13d5 (6 неспаренных электронов! Это объясняет высокую валентность хрома).
Медь (Cu, №29)
Теоретически ожидалось: ...4s23d9.
Один электрон переходит с 4s на 3d, завершая слой.
Реально: ...4s13d10.
Аналогичные явления наблюдаются у Молибдена (Mo), Серебра (Ag), Золота (Au).
Вопрос 1: Провал электрона
ПроверкаДля атома какого из перечисленных элементов характерен «провал» («проскок») электрона в основном состоянии?
- Железо (Fe)
- Никель (Ni)
- Медь (Cu)
- Цинк (Zn)
Ответ: 3. Медь (Cu).
Пояснение: Ожидаемая конфигурация меди: $3d^94s^2$. Однако полностью заполненный d-подуровень энергетически более выгоден, поэтому один электрон переходит с 4s на 3d. Истинная конфигурация: $3d^{10}4s^1$.
Вопрос 2: Конфигурация Хрома
ПроверкаНапишите электронную конфигурацию внешних подуровней атома хрома (Cr) в основном состоянии.
Ответ: $3d^5 4s^1$
Пояснение: У хрома (Z=24) происходит проскок электрона для образования наполовину заполненного d-подуровня, что обеспечивает дополнительную стабильность.