2.2.3. Електронні формули

Розподіл електронів в атомі на енергетичних рівнях і підрівнях зображують у вигляді електронних формул. Покажемо, як їх скласти.

Кожний електрон в атомі займає вільну орбіталь з найнижчою енергією, що відповідає найсильнішому зв'язку електрона з ядром,— принцип найменшої енергії. Із збільшенням порядкового номера елемен­та електрони заповнюють орбіталі і рівні в порядку зростання їхніх енергій: рівні заповнюються від першого до сьомого, а підрівні — в послідовності s — р — d — f. Послідовність зростання енергії визна­чена дослідним шляхом. Вона називається шкалою енергії. Відповідно до неї складається ряд послідовного заповнення електронами орбіталей aтомів елементів періодичної системи. Цей ряд, в якому вертикальними лініями відокремлейі періоди, позначені зверху римськими цифрами, має вигляд

І II III IV V VI VII

1s | 2s, 2р | 3s, 3р | 4s, 3d, 4р | 5s, 4d, 5р | 6s, 4f, 5d, 6р | 7s, 5f, 6d, 7р

Орбіталь з мінімальною енергією — це 1s-орбіталь. В атома Гідрогену її займає єдиний електрон атома. Тому електронна формула, або електронна конфігурація, атома Гідрогену має вигляд 1s¹.

Оскільки на одній орбіталі можуть міститися два лектрони, то обидва електрони атома Гелію розміщуються на 1s-орбіталі. Отже, електронна формула Гелію 1s². Електронна оболонка не завершена і дуже стійка, це благородний газ.

В елементів II періоду заповнюється L-рівень (n=2), причому спочатку орбіталь s-підрівня, а потім три орбіталі р-підрівня. Третій електрон в атомі ₃Lі займає 2s-орбіталь. Електронна формула Lі: 1s²2s¹. Електрон 2s¹ зв'язаний з ядром атома значно слабкіше, ніж 1s-електрони, тому атом Літію може легко втрачати його, утворюючи йон Li⁺.

В атомі ₄Ве четвертий електрон також розміщений на 2s-орбіталі: 1s²2s². Легше ніж інші електрони, у Ве від­риваються 2s-електрони з утворенням йона Ве²⁺.

Оскільки 2s-орбіталь заповнена, то п'ятий електрон в атома ₅В займає 2р-орбіталь. Електронна формула ато­ма Бору: 1s²2s²2р¹.

Далі в атомів С, N, О, F заповнюються 2p-орбіталі, закінчується заповнення в атома Ne. Запишемо їх елек­тронні формули:

₆С 1s²2s²2р², ₇N 1s²2s²2р³, ₈О 1s²2s²2р⁴, ₉F 1s²2s²2р⁵, ₁₀Nе 1s²2s²2р⁶.

Починаючи з елементів III періоду, в атомів заповню­ється третій М-рівень, який складається з 3s-, 3р- і 3d-підрівнів. Наприклад:

₁₁Na 1s²2s²2р⁶3s¹, ₁₇Сl 1s²2s²2р⁶3s²3р⁵.

Інколи у формулах, які зображують розподіл електронів у атомах, зазначають тільки число електронів на кожному енергетичному рівні. Тоді їх записують так:

₁₁Na — 2 ∙ 8 ∙ 1, ₁₇Сl — 2 ∙ 8 ∙ 7.

Під час написання електронних формул слід ураховувати так зва­не «проскакування» електрона. Так, електронна формула Хрому повин­на бути 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶3d⁴4s². Однак на зовнішньому рівні в атома Хро­му не два електрони, а один — другий електрон «проскочив» на d-підрівень другого ззовні рівня. У цьому випадку розташування електронів в атома Хрому таке: 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶3d⁵4s¹. Це ж саме спостерігається для Nb, Мо та інших елементів. У Рd електрони на рівнях розміщуються так: 2.8.18.18.0 (тут п'ятого енергетичного рівня взагалі немає — обидва електрони «проскочили» на сусідній рівень).

Дуже часто структуру електронних оболонок зображують за допомогою енергетичних, або квантових, комірок — це так звані графічні електронні формули. Кожна така комірка позначається клітиною: клітина — орбіталь, стрілка — електрон, напрям стрілки — напрямленість спіну, вільна клітина — вільна орбіталь, яку може займати електрон під час збудження. Згідно з принципом Паулі, в комірці може перебувати один або два електрони (якщо два електрони, то вони спарені).

Як приклад напишемо схему розподілу електронів у квантових комірках для атома:

Орбіталі підрівня заповнюються так; спочатку по од­ному електрону з однаковими спінами, а далі по другому електрону з протилежними спінами. Оскільки на 2р-підрівні три орбіталі з однаковою енергією, то кожний з двох 2р-електронів займає по одній орбіталі (наприклад, p_х і p_у). Одна орбіталь залишається вільною (p_z). В атомі Карбону два неспарених електрони. Справа від схеми в електронній формулі подано більш детальний запис, в якому вказано розподіл електронів на p_х і p_у-орбіталях. Такий запис теж часто застосовують.

В атомі Нітрогену всі три 2р-орбіталі (p_х, p_у, p_z) зайняті поодинокими електронами:

Отже, у нього три неспарених електрони. Це відображено і в детальній електронній формулі (справа від схеми).

Починаючи з атома Оксигену, 2р-орбіталі заповнюються другим електроном з протилежним спіном:

В атомі Оксигену два неспарених електрони. В атомі Флуору — один неспарений електрон:

Отже, розподіляючи електрони по квантових комірках, можна виявити число неспарених електронів в атомі. В атомі Nе завершується заповнення другого рівня:

Вісім зовнішніх електронів (s²р⁶) утворюють дуже стійку структуру з чотирьох двохелектронних хмар. Усі електрони в атомі Неону спарені. Неон — благородний газ.