Для данных элементов (см. далее)

Лекция 2. Электронная конфигурация элемента

В конце прошлой лекции нами на основании правил Клечковского был построен порядок заполнения электронами энергетических подуровней

1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶ 4s²3d¹⁰4p⁶ 5s²4d¹⁰5p⁶ 6s²5d¹4f¹⁴5d⁹6p⁶ 7s²6d¹5f¹⁴6d⁹7p⁶ …

Распределение электронов атома по энергетическим подуровням называется электронной конфигурацией. В первую очередь, при взгляде на ряд заполнения бросается в глаза некая периодичность-закономерность.

Заполнение электронами энергетических орбиталей в основном состоянии атома подчиняется принципу наименьшей энергии: вначале заполняются более выгодные низколежащие орбитали, а затем последовательно более высоколежащие орбитали согласно порядку заполнения.

Проанализируем последовательность заполнения.

Если в составе атома присутствует ровно 1 электрон, он попадает на самую низколежащую 1s -АО (АО – атомная орбиталь). Следовательно, возникающая электронная конфигурация может быть представлена записью 1s¹ или графически (См. ниже – стрелочка в квадратике).

Нетрудно понять, что если электронов в атоме больше одного, они последовательно занимают сначала 1s, а затем 2s и, наконец, переходят на 2p-подуровень. Однако уже для шести электронов (атом углерода в основном состоянии) возникают две возможности: заполнение 2p-подуровня двумя электронами с одинаковым спином или с противоположным.

Приведем простую аналогию: предположим, что атомные орбитали являются своеобразными «комнатами» для «жильцов», в роли которых выступают электроны. Из практики хорошо известно, что жильцы предпочитают по возможности занимать каждый отдельную комнату, а не тесниться в одной.

Аналогичное поведение характерно и для электронов, что находит отражение в правиле Гунда:

Правило Гунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором суммарный спин максимален.

Состояние атома с минимальной энергией называется основным, а все остальные – возбужденными состояниями атома.

Атомы элементов I и II период

Число e^- электронная конфигурация Распределение электронов

Полная Краткая

Элемент всего e^- электронная конфигурация Распределение электронов

Краткая конфигурация показывает, какие электроны являются валентными

для данных элементов (см. далее)

Тогда, на основании правила Гунда, для азота основное состояние предполагает наличие трех неспаренных p -электронов (электронная конфигурация …2p³). В атомах кислорода, фтора и неона происходит последовательное спаривание электронов и заполнение 2p-подуровня.

Обратим внимание, что третий период Периодической системы начинает атом натрия, конфигурация которого (₁₁Na … 3s¹) очень похожа на конфигурацию лития (₃Li … 2s¹) за тем исключением, что главное квантовое число n равно трем, а не двум.

Заполнение электронами энергетических подуровней в атомах элементов III периода в точности аналогично наблюдавшемуся для элементов II периода: у атома магния завершается заполнение 3s-подуровня, затем от алюминия до аргона электроны последовательно размещаются на 3p-подуровне согласно правилу Гунда: сначала на АО размещаются отдельные электроны (Al, Si, P), затем происходит их спаривание.

Атомы элементов III периода

Электронная конфигурация Распределение электронов

Полная Сокращенная Краткая

Элемент полная сокращенная краткая Распределение электронов

Четвертый период Периодической системы начинается с заполнения электронами 4s‑подуровня в атомах калия и кальция. Как следует из порядка заполнения, затем наступает очередь 3d -орбиталей.

Таким образом, можно заключить, что заполнение электронами d -АО «опаздывает» на 1 период: в IV периоде заполняется 3(!) d ‑подуровень).

Итак, от Sc до Zn происходит заполнение электронами 3d -подуровня (10 электронов), затем от Ga до Kr заполняется 4p -подуровень.

Атомы элементов IV периода

…

…

Элемент полная сокращенная краткая распределение e^-

Заполнение электронами энергетических подуровней в атомах элементов V периода в точности аналогично наблюдавшемуся для элементов IV периода (разобрать самостоятельно)

В шестом периоде сначала заполняется электронами 6s-подуровень (атомы ₅₅Cs и ₅₆Ba), а затем один электрон располагается на 5d -орбитали лантана (₅₇La [Xe] 6s²5d¹). У следующих 14 элементов (с 58 по 71) заполняется 4f -подуровень, т.е. заполнение f‑ орбиталей «опаздывает» на 2 периода, при этом электрон на 5d ‑подуровне сохраняется. Например, следует записать сокращенную электронную конфигурацию церия

₅₈Ce [Xe] 6s² 5d ¹ 4 f ¹

Начиная с 72-элемента (₇₂Hf) и до 80 (₈₀Hg) происходит «дозаполнение» 5d -подуровня.

Следовательно, электронные конфигурация гафния и ртути имеют вид

₇₂Hf [Xe] 6s² 5d ¹ 4 f ¹⁴ 5d ¹ или допустима запись ₇₂Hf [Xe] 6s² 4 f ¹⁴ 5d ²

₈₀Hg [Xe] 6s² 5d ¹ 4 f ¹⁴ 5d ⁹ или ₈₀Hg [Xe] 6s² 4 f ¹⁴ 5d ¹⁰