§2.6. Електронні формули елементів

Запис, що відображає розподіл електронів в атомі по енергетичних рівнях і підрівнях, називається ЕЛЕКТРОННОЮ КОНФІГУРАЦІЄЮ цього атома. В основному (НЕЗБУДЖЕНОМУ) стані атома всі електрони задовольняють принципу мінімальної енергії. Це значить, що спочатку заповнюються підрівні, для яких:

1) Головне квантове число n мінімальне;

2) Усередині рівня спочатку заповнюється s- підрівень, потім p- і лише потім d- (l мінімальне);

3) Заповнення відбувається так, щоб (n + l) було мінімальне (правило Клечковського);

4) У межах одного підрівня електрони розташовуються так, щоб їх сумарний спін був максимальний, тобто містив найбільше число неспарених електронів (правило Гунда).

5) На енергетичному рівні з номером n може бути не більше ніж 2n² електронів, розташованих на n² підрівнях.

КОЖНИЙ ЕЛЕМЕНТ МАЄ СВОЮ ІНДИВІДУАЛЬНУ ЕЛЕКТРОННУ ФОРМУЛУ

Приклад. Цезій (Сs) знаходиться в 6 періоді, його 55 електронів (порядковий номер 55) розподілено по 6 енергетичним рівням і їх підрівням. Його електронна формула має вигляд:

₅₅Cs 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s¹

За електронною формулою атома можна визначити:

• число електронів, які містяться в електронній оболонці (за сумою верхніх індексів);

• заряд ядра атома – порядковий номер (загальна кількість електронів дорівнює кількості протонів у ядрі);

• номер періоду Періодичної системи, в якому міститься атом елемента (за числом енергетичних рівнів);

• у якій групі та підгрупі Періодичної системи міститься атом елемента (за будовою останнього та передостаннього електронних рівнів), а тим самим – що це за елемент: метал чи неметал;

• можливі валентності (ступені окиснення) елемента.

§2.7. Залежність властивостей елементів від періодичної зміни електронних структур атомів

Подивимося дію правила Гунда на прикладі атома Нітрогену (N) (1s² 2s² 2p³). На 2-му електронному рівні є три однакові 2p-орбіталі: 2p_x, 2p_y, 2p_z. Електрони заселяють їх так, що на кожній з цих p-орбіталей знаходиться по одному електрону. Пояснюється це таким чином: електрони є однойменно зарядженими частинками. Якщо вони знаходяться на різних орбіталях, то менше відштовхуються один від одного.

Одержана електронна формула має дуже важливу інформацію: остання (зовнішня) оболонка Нітрогену не заповнена електронами, причому до її завершення не вистачає трьох електронів.

ЗОВНІШНІМ ЕЛЕКТРОННИМ РІВНЕМ атома називається найвіддаленіший від ядра рівень, на якому ще є електрони. Саме ця оболонка утворює зв’язки при взаємодії із зовнішніми рівнями інших атомів в хімічних реакціях. При взаємодії з іншими атомами Нітроген здатний ПРИЙНЯТИ 3 електрони на свій зовнішній рівень. При цьому атом азоту одержить ЗАВЕРШЕНИЙ, тобто максимально заповнений зо­внішній електронний рівень, на якому буде 8 електронів.

Завершений рівень енергетично більш вигідний, ніж НЕЗАВЕРШЕНИЙ. Тому атом азоту легко реагує з будь-яким іншим атомом, здатним віддати йому 3 додаткові електрони для заповнення його зовнішнього рівня.

І нший приклад: елемент з порядковим номе­ром 18. Елемент з по­рядковим номером 18 - це Аргон:

(₁₈Ar) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Він має повністю завершений зовнішній рівень і, отже, не хоче реагувати з іншими елементами. Він відноситься до інертних (благородних) газів. Аргон не реагує з жодним хімічним елементом. У вільному стані він існує тільки у вигляді одноатомних молекул Ar.

Кожний заповнений зовнішній електронний рівень благородних газів містить (s²+p⁶) = 8 електронів.

Саме ЗАПОВНЕНІ зовнішні електронні рів­ні є причиною хіміч­ної інертності благородних газів. Всі інші елементи мають частково НЕЗАПОВНЕНІ зовнішні електронні рівні.

ПРАВИЛО ОКТЕТУ (вісімка - октет) – атоми елементів прагнуть мати завершені зовнішні електронні рівні (оболонки) з 8 елект­ронів, ВІДДАЮЧИ свої електрони іншим атомам або, навпаки, ПРИЙМАЮЧИ електрони інших атомів.

Атоми елементів прагнуть стійкої електронної конфігурації із завершеним зовнішнім електронним рівнем (s² + p⁶), тобто ОКТЕТ електронів.

Виняток: благородний газ Гелій (He, Z=2) має завершену зовніш­ню оболонку з 2-х електронів (1s²).

З правилом октету тісно пов'язані донорні та акцепторні властивості атомів. Атоми - ДОНОРИ ЕЛЕКТРОНІВ – можуть мати октет, якщо віддають "зайві" електрони зі своїх зовнішніх електронних рівнів. Це атоми, у яких зовнішні електронні рівні мало заповнені. Навпаки, атоми-АКЦЕПТОРИ ЕЛЕКТРОНІВ легше добудовують свої зовнішні рівні до октету: приймають на них електрони інших атомів. Звичайно, це елементи з вже майже завершеними зовнішніми електронними рівнями. Приймаючи або віддаючи електрони, атоми можуть перетворюватися на ЙОНИ.

Наприклад: ₁₁Na (метал Натрій: 1s²2s²2p⁶3s¹) - e‾ = ₁₁Na⁺ (йон натрію: 1s²2s²2p⁶ - октет); ₉F (неметал Флуор: 1s²2s²2p⁵) + e‾ = ₉F‾ (фторид-йон: 1s²2s²2p⁶ - октет).

Донорні і акцепторні властивості атомів відносні. Донорні власти­вості виявляються звичайно у присутності акцепторів, а акцепторні – у присутності донорів.