Способы записи электронных конфигураций атомов и ионов

В зависимости от преследуемой цели практикуются различные способы записи электронных конфигураций атомов и ионов.

Электронные оболочки. Наиболее простой способ – запись по электронным оболочкам. При этом указываются заряд ядра и количество электронов на каждый электронной оболочке по мере увеличения её номера. Например, для атома азота и его иона N⁺ электронная конфигурация по оболочкам выглядит так

_{\ \ \ \}

₇N (7ē) 2 5 ₇N⁺ (6ē) 2 4

/ / / /

Как было показано ранее, максимальное число электронов по n электронной оболочке равно 2n². Тогда на первой оболочке может разместиться максимум два электрона, а на второй не более 8. Однако, у атома азота всего семь электронов (общее число электронов в атоме равно заряду ядра), поэтому на второй оболочке разместятся остальные 7 – 2 = 5 электронов. В положительно заряженном ионе азота заряд ядра превышает суммарный заряд электронов на +1, поэтому число электронов в данном ионе на один меньше, чем в атоме. При этом удаляют электрон с внешней электронной оболочки.

Электронные оболочки и подоболочки. Этот метод записи электронных конфигураций используют наиболее часто. Номер электронной оболочки (главное квантовое число) указывают цифрой, а тип подоболочки (орбитальное квантовое число) – буквой s-, p-, d- или f-. Количество электронов указывается цифрой справа вверху у символа подоболочки. Для атома и иона азота данная запись имеет следующий вид:

₇N 1s²2s²2p³ ₇N⁺ 1s²2s²2p².

В соответствии с максимальной возможной заселенностью s-подоболочек, равной 2, первые четыре электрона полностью заполняют первую и вторую подоболочки. Оставшиеся электроны размещаются на р-подоболочке.

Электронные оболочки, подоболочки и заселенность орбиталей. При обсуждении валентности атомов и ионов, изучении природы химической связи, исследовании магнитных и других свойств атомов, молекул или их ионов применяют способ записи по электронным оболочкам, подоболочкам с указанием заселенности орбиталей электронами. Опираясь на запись электронных конфигураций по оболочкам и подоболочкам, в данном способе учитывают максимальное количество атомных орбиталей (АО) электронной подоболочки и производят размещение электронов среди них в соответствии с правилом Фридриха Хунда (Гунда) (1896-1989): электроны в атоме размещаются таким образом, чтобы занять возможно большее число атомных орбиталей, чтобы абсолютное значение суммарного спина было максимальным.

Три электрона на р-подуровне можно разместить по разному

или

-↑- -↑- -↑- -↑- -↓- -↑- -↑↓- -↑- ---

Однако верным будет первый способ размещения, отвечающий правилу Хунда.

Существует другая форма записи графических электронных формул в виде ячеек.

Каждая такая ячейка обозначается: клетка – орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки – направление спина, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении.

Согласно принципу Паули, в ячейке может быть один или два электрона (если два электрона, то они спарены). В таком случае, например, схема распределения электронов по квантовым ячейкам в атоме углерода следующая:

n =2 p_x p_y p_z

₆C 1s²2s²2p_x¹2p_y¹

n = 1

Орбитали р-подуровня заполняются так: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку на 2р-подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух 2р-электро-нов занимает по одной орбитали (например, р_х и р_у). Одна орбиталь остается свободной (р_z). Таким образом, у атома углерода два неспаренных электрона. Справа от схемы в электронной формуле дана более подробная запись с указанием расположения электронов на р_х и р_у-орбиталях.

В атоме азота все три 2р-орбитали заняты электронами

n =2 p_x p_y p_z

₇N 1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p_z¹

n = 1

s

Согласно принципу наименьшей энергии во многих случаях электрону энергетически выгоднее занять подуровень «вышележащего» уровня, хотя подуровень «нижележащего» уровня не заполнен. Именно поэтому у элементов четвертого периода периодической системы элементов Д.И. Менделеева, сначала заполняется подуровень 4s- и лишь после этого подуровень 3d-. Элементы, у которых идет заполнение d- и f-подуровней, обычно называют переходными.

Дата добавления: 2014-01-04