Электронная конфигурация элемента - это запись распределения электронов в его атомах по уровням, подуровням и орбиталям. При записи электронной конфигурации элемента следует руководствоваться следующими принципами и правилами.
Принцип наименьшей энергии или принцип заполнения: в невозбужденном атоме электроны расположены таким образом, чтобы энергия атома была минимальной. Электроны в основном состоянии атома заполняют орбитали в последовательности повышения орбитальных энергетических уровней.Низшие по энергии орбитали заполняются первыми. В соответствии с принципом наименьшей энергии энергетические уровни должны заполняться в последовательности от 1 к 7, а подуровни в последовательности s - p - d - f. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней без учета возможных «проскоков» электронов должен быть следующим:
1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 64 s 23 d 104 p 65 s 24 d 105 p 66 s 24 f 145 d 106 p 67 s 25 f 146 d 107 p 6.
«Проскоки» электронов наблюдаются у тех атомов, которые имеют на d -орбиталях по 4 и 9 электронов (d 4 и d 9). Это обусловлено более низкой энергией конфигурацийd5 и d10 по сравнению с энергиями конфигураций d4 и d9. Поэтому в тех случаях, когда до образования конфигурацийd5 иd10 не хватает одного электрона, иногда наблюдается «проскок» электрона с внешнего s- подуровня на предвнешнюю d -орбиталь.
Принцип наименьшей энергии справедлив только для основных состояний атомов. Если атом находится в возбужденном состоянии, электроны могут находиться на любых орбиталях атомов.
Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.
В соответствии с принципом Паули каждая орбиталь не может содержать более двух электронов.
¯ - разрешенное расположение спинов; ¯¯ - неразрешенное расположение спинов.
Следствие из принципа Паули: максимальное число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату главного квантового числа 2 n 2.
Следствие из принципа Паули позволяет определить емкость энергетических уровней:
первый 2 × 12 = 2 электрона;
второй 2 × 22 = 8 электронов;
третий 2 × 32 = 18 электронов;
четвертый 2 × 42 = 32 электрона.
Правило Хунда: электроны стремятся избегать одной и той же орбитали, насколько это совместимо с энергетическими требованиями. Электроны, занимающие орбитали поодиночке, имеют одинаковые спины. Такие электроны называются неспаренными.
В соответствии с этим правиломзаселение орбиталей парами электронов начинается только тогда, когда все орбитали подуровня содержат по одному электрону.
Для изображения распределения электронов по орбиталям обычно используют электронные формулы (конфигурации) атомов или энергетические диаграммы, на которых орбитали изображают в виде клеток. Квадрат является символом отдельной орбитали. Электроны изображают в виде стрелок ¯, имеющих различное направление. Стрелки, направленные вверх, соответствуют электронам, имеющим положительное значение спинового квантового числа, а направленные вниз - отрицательное. Клетки располагают в порядке увеличения энергии. Такие схемы распределения электронов в атомах называют электронно-графическими.
Пример: Распределите электроны по энергетическим уровням и подуровням для атома хлора.
Решение. Хлор находится в третьем периоде, порядковый номер 17, значит его 17 электронов распределены на трех энергетических уровнях.
В соответствии с последовательностью заполнения уровней и подуровней электронная формула хлора имеет вид:
17Cl 1s22s22p63s23p5
Сокращенная электронная формула: 17Cl … 3s23p5.
Электронно-графическая формула отражает распределение электронов по квантовым ячейкам:
Запись электронной конфигурации атома может быть полной или сокращенной. В случае записи полной электронной конфигурации указывают распределение всех электронов, имеющихся в атоме, по уровням и подуровням. В случае записи сокращенной электронной конфигурации указывают распределение электронов только внешнего электронного уровня. Например, полная электронная конфигурация атома мышьяка с порядковым номером 33 записывается: 1 s 22 s 22 p 63 s 23 p 64 s 23 d 104 p 3, сокращенная электронная конфигурация включает информацию только о внешнем электронном уровне: 4 s 24 p 3. Из этой записи следует, что элемент находится в 4-м периоде (арабская цифра 4), в 5-й группе (5 электронов на внешнем четвертом энергетическом уровне) и в главной подгруппе, так как внешний электронный слой содержит только s -и p -электроны.