Пособие по неорганической химии

Положение электронов в атоме принято обозначать так:

– сначала цифрой указывается номер слоя;

– затем буквой подуровень;

– сверху справа от буквы число электронов на данном подуровне.

Для правильного изображения электронных конфигураций атомов необходимо соблюдать следующие правила:

– каждый электрон занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией (принцип минимума энергии);

– с увеличением порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке возрастания их энергий

– на каждой орбитали максимально может находиться не более двух электронов, причем с противоположными спинами.

Электроны располагаются на орбиталях и уровнях в порядке возрастания их энергий: уровни заполняются от первого к седьмому, а подуровни – в последовательности s-p-d-f. Последовательность возрастания энергии называется шкалой энергии.

Последовательность заполнения электронами орбиталей можно представить следующим рядом:

Примеры электронных формул:

₁Н 1s¹;

₃Li 1s²2s¹;

₆C 1s²2s²2p²;

₇N 1s²2s²2p³;

₉F 1s²2s²2p⁵;

₁₀Ne 1s²2s²2p⁶;

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹;

₁₃Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹;

₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³;

₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵;

₁₉K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Орбиталь с минимальной энергией – это s-орбиталь. У атома водорода она занята его единственным электроном.

На одной орбитали могут находиться два электрона, поэтому оба электрона атома гелия размещаются на 1s-орбитали. Электронная оболочка завершена и очень устойчива – это благородный газ.

У элементов второго периода заполняется L-уровень (n = 2), причем сначала орбиталь s-подуровня, а затем три орбитали р-подуровня. Третий электрон в атоме ₃Li занимает 2s-орбиталь. Электрон 2s¹ намного слабее связан с ядром атома, чем 1s-электроны, поэтому атом лития может его свободно терять, образуя ион лития Li⁺.

Далее у атомов C, N, F идет заполнение 2р-орбиталей, которое заканчивается у атома Ne.

Начиная с элементов третьего периода у атомов идет заполнение третьего M-уровня (n = 3), состоящего из 3s-, 3p-, 3d-подуровней.

Порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней теоретически обосновывает периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.

Теоретическое обоснование периодического закона

Современная формулировка периодического закона следующая:

свойства атомов химических элементов, а также состав и свойства образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.

Сущность закона в свете современных представлений о строении атома

Период представляет собой последовательный ряд элементов, заряд ядер которых возрастает каждый раз на единицу. Очередной период начинается щелочным элементом (s-элементом) и заканчивается инертным (благородным) газом (р-элементом) с завершенной конфигурацией р-уровня.

В периодах с увеличением заряда ядра металлические свойства убывают и нарастают неметаллические свойства.

Первый период содержит два элемента: водород и гелий, у них заполняется первый электронный слой: ₁Н 1s¹, ₂Не 1s².

Во 2 периоде 8 элементов, и заполняется второй электронный слой:

₆С 1s²2²2p²; ₈O 1s²2s²2p⁴; ₁₀Ne 1s²2s²2p⁵; ₉F 1s²2s²2p⁵.

Третий период начинается с натрия (Na), электроны заполняют третий энергетический уровень: ₁₁Na1s²2s²2p⁶3s¹. Завершается его заполнение у инертного газа аргона: ₁₈Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Четвертый период начинается калием (₁₉К 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹), его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже энергии 4d-подуровня.

В конце периода находится элемент, у которого внешний электронный слой атома заполнен. Его конфигурация включает восемь электронов.

Таким образом, с увеличением заряда ядра наблюдается периодическая повторяемость электронных конфигураций внешнего слоя атомов s- и р-элементов.

Малые периоды отличаются от больших прежде всего числом элементов, а значит и их строением. Разное число элементов в периодах объясняется закономерностью заполнения электронных оболочек атомов.

Первые три периода малые (1–2 электрона, 2 и 3–8 электронов).

В 4-ом периоде 18 элементов, два первых – это s-элементы (К, Са), в атомах которых заполняется внешний электронный слой (4 s-орбиталь). Последние 6 элементов – это р-элементы. В их атомах заполняется внешний слой (4р-орбиталь). Между s- и р-элементами расположены 10 d-элементов. В их атомах заполняются d-орбитали предвнешнего электронного слоя.

Подобная же картина наблюдается в 5-ом периоде, состоящем из 18 элементов. В нем также 2 s-элемента, 10 d-элементов и 6 р-элементов.