Электронные формулы и электронно-графические схемы

Распределение электронов в атомах выражается с помощью электронных формул (электронных конфигураций) или электронно-графических схем.

В электронно-графических схемах любую электронную орбиталь изображают клеточкой , а электрон в ней стрелкой «» или «». Направление стрелки указывает значение m_s. Электрон с m_s=+12 условно обозначают , а с m_s= 12 условно обозначают .

Д ва электрона, размещенные в одной орбитали, обязательно должны иметь противоположные спины:

Номер энергетического уровня, на котором располагается орбиталь, обозначают цифрой, а вид подуровня – соответствующей буквой: s, p, d или f.

Так электронно-графическая схема атомов водорода и гелия выглядит следующим образом:

При составлении электронно-графических схем других атомов сначала записывают их так называемый «орбитальный скелет», т.е. рисуют в виде клеточек все их электронные орбитали, сгруппированные в соответствующие уровни и подуровни, а затем распределяют электроны данного атома по орбиталям в соответствии с правилами Клечковского и Хунда.

«Орбитальный скелет» атома можно графически изображать разными способами. Покажем это на примере электронно-графических схем элементов 2 периода:

Мы в дальнейшем будем придерживаться схемы атома Li.

При составлении электронных формул или электронных конфигураций сначала цифрой указывают номер энергетического уровня, затем буквой – вид подуровня и в виде показателя степени – количество электронов на данном подуровне.

Например:

₁H 1s¹; ₃Li 1s²2s¹; ₅B 1s²2s²2p¹; ₇N 1s²2s²2p³;

₉F 1s²2s²2p⁵; ₁₀Ne 1s²2s²2p⁶.

У элементов He и Ne на внешнем электронном слое содержится максимально возможное число электронов (2 – у гелия и 8 у – неона). Такой электронный слой полностью заполнен и поэтому является весьма устойчивым.

У атомов элементов третьего периода начинает формироваться третий электронный слой. Причем сначала электронами заполняется 3s-подуровень у натрия и магния:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹ и ₁₂Mg 1s²2s²2p⁶3s².

Электронно-графические схемы этих элементов выглядят следующим образом:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹ ₁₂Mg 1s²2s²2p⁶3s²

Затем в соответствии с правилом Хунда заполняется 3р-подуровень:

₁₅Р 1s²2s²2p⁶3s²3р³ ₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3р⁴

₁₈Ar 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶

У аргона на внешнем электронном слое содержится 8 электронов. Такая электронная конфигурация тоже будет устойчивой, хотя, как следует из таблицы 3, на третьем энергетическом уровне максимально может содержаться 18 электронов. Недостающие 10 электронов должны заполнить 3d-подуровень, но его формирование (в соответствии с первым правилом Клечковского) будет происходить у элементов 4 периода, после заполнения 4s-подуровня нового электронного слоя.

₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s²

Дальше, в соответствии со вторым правилом Клечковского, будет заполняться не 4р-подуровень, а 3d-подуровень, только в отличие от аргона, у следующих за кальцием 10 элементов (Sc, Ti, V, Cr …) этот подуровень будет располагаться уже не на внешнем слое, а на предвнешнем.

₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d³4s²

У Zn заполнение 3d-подуровня завершается:

₃₀Zn 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d¹⁰4s²

И у последующих 6 элементов (Ga, Ge, As …), согласно второго правила Клечковского, начинает формироваться 4р-подуровень внешнего слоя.

₃₃As 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d¹⁰4s²4p³

У криптона завершается заполнение этого подуровня и у последующих элементов появляется новый пятый энергетический уровень.

₃₆Kr 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d¹⁰4s²4p⁶

Таким образом, в атоме любого элемента (кроме ₁Н и ₂Не) на внешнем энергетическом уровне максимально может находиться не более 8 электронов.

Состояние атома с полностью или наполовину заполненным подуровнем, т.е., когда на каждой его орбитали имеется по одному неспаренному электрону, является более устойчивым. Этим объясняется такое явление, как самопроизвольный «проскок» или «провал» электрона с подуровня, обладающего меньшей энергией, на подуровень с большей энергией. Например, с 4s-подуровня на 3d-подуровень у элементов Cr, Cu.

₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d⁵4s¹

₂₉Cu 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d¹⁰4s¹

Электронные формулы или электронные конфигурации элементов четвертого и последующих периодов можно записывать двумя способами:

1) отображая реальное распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням без учета очередности их заполнения;

2) отображая реальное распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням с учетом очередности их заполнения.^*

Так, электронную формулу элемента Br с учетом вышесказанного можно записать:

1) ₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶3d¹⁰4s²4p⁵;

2) ₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3р⁶4s²3d¹⁰4p⁵;

₃₅Br

Для элементов первых трех периодов оба эти способа записи электронных формул приводят к одному и тому же результату.

Кроме электронных формул и электронно-графических схем, иногда используют и электронные схемы атомов, в которых указывают только число электронов на каждом энергетическом уровне (электронном слое):

₂₄Cr 2е^¯ ; 8е^¯; 13е‾; 1е‾. ₂₉Cu 2е‾; 8е‾; 18е‾; 1е‾. ₇N 2е‾; 5е‾.

Наиболее информативными являются электронно-графические схемы, так как они наглядно показывают: какие электроны (спаренные или неспаренные) размещаются на орбиталях данного подуровня; имеются ли на нем вакантные орбитали. Эта информация является очень важной для определения валентных возможностей атомов.

В зависимости от того, какой подуровень в последнюю очередь заполняется электронами, все элементы делятся на 4 группы: s-элементы; р-элементы; d-элементы и f-элементы. Для s-элементов (Li, Na, K, Ca, Mg…) при заполнении электронных оболочек последний электрон приходится на s-подуровень внешнего слоя. Для р-элементов (Al, S, O, C, Si, Cl…) – на р-подуровень внешнего слоя. Для d-элементов (Sc, Ti, V, Cr…) – на d-подуровень предвнешнего (или второго снаружи) электронного слоя. Для f-элементов (лантаноиды и актиноиды) – на f-подуровень третьего снаружи электронного слоя.