2.3.Электронные формулы атомов.

В многоэлектронных атомах размещение электронов происходит в соответствии с принципом наи­меньшей энергии, согласно которому формирование электронных слоев осуществляется в порядке возрастания энергии электронов. Порядок заполнения электронами энергетических подуровней атома определяется правилом Клечковского: энергетические подуровни заполняются электронами в порядке возрастания суммы главного jt орбитального квантовых чисел (n+/); если для каких либо подуровней сумма (п+/) одинакова, их заполне­ние происходит в порядке возрастания п.

Пример 2.3.1. Очерёдность заполнения 3d-, 4s- и 4р-подуровней².

Вспомним, что главное квантовое число определяет номер энергетического уровня, а каждый подуровень определяется соответствующим значением орбитального квантового числа: для s-подуровня 1=0, для р-подуровня 1=1, для d-подуровня 1=2 и т.д. Чтобы применить правило Клечковского, для каждого подуровня подсчитываем сумму (п+1):

Энергетический подуровень.. .......... .....3d 4s 4р

Сумма (п+1...)... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .....545 •

Из результатов расчёта следует, что первым будет заполняться 4з-подуровень как подуровень с наи­меньшим значением суммы (п+1), вторым будет заполняться Sd-подуровень, т.к. при равенстве суммы (п+1) с 4р-подуровнем За-подуровень имеет меньшее значение п.

Итак, для определения очерёдности заполнения энергетических подуровней атома электронами необходи­мо подсчитать значения сумм (п+1) для всех подуровней и, сопоставив эти суммы, расположить подуровни в ряд в порядке возрастания энергии:

Очерёдность заполнения. . . ls<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s<5f и т.д. Сумма (n+l|u..........................……….l 2 3 3 4 4 555 666 7 7 7 7 8

Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням атома выражается его элек­тронной формулой³. Во избежание ошибок при записи электронной формулы атома первоначально рекомендует­ся производить размещение электронов в порядке следования подуровней, отвечающего правилу Клечковского⁴, и лишь затем группировать подуровни по энергетическим уровням.

¹ Для атомной орбитали и электронов в ней приняты следующие условные графические обозначения: [] - вакантная АО; [f] - АО с неспаренным электроном; fj] - АО со спаренными электронами.

² Цифрой обозначается энергетический уровень, которому принадлежит подуровень, затем следует буквенное обо­значение подуровня. Например, запись 3d означает, что речь идёт о d-подуровне третьего энергетического уровня.

³ Количество электронов в подуровне указывается надстрочным индексом, следующим за буквенным обозначени­ем подуровня. Например, запись Зр" означает, что в р - подуровне 3-го энергетического уровня находятся 4 элек­трона.

⁴ Электронная формула атома, отвечающая принципу наименьшей энергии (правилу Клечковского), отражает его электронную конфигурацию в наиболее устойчивом - стационарном состоянии; все остальные состояния атома являются возбуждёнными.

4 Контрольная работа по химии: Строение вещества.

Пример 2.3.2. Электронная формула атома железа.

В соответствии с правилом Клечковского и принципом Паули, 26 электронов атома железа будут заполнять его энергетические уровни и подуровни в следующей последовательности: Is²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶.

Производим группировку подуровней по энергетическим уровням, после чего получаем электронную фор* мулу в окончательном виде: 2₆Fe[ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s³].

Электронная формула показывает, что подуровни Is (n=l, 1=0), 2s (п=2, 1=0), 3s (n=3, 1=0), 4s (п=4, 1=0) содержат по 2 электрона и являются насыщенными; подуровни 2р (п=2, 1=1), Зр (п=3, 1=1) содержат по б элек­тронов и также являются насыщенными; подуровень 3d (п=3, 1=2) со своими б электронами ненасыщен. Из электронной формулы видно также, что в атоме железа его 26 электронов образуют 4 электронных слоя, причем, последним заполняется d -подуровень предвнешнего слоя. По этому признаку железо как химический элемент относят Kd~ электронному семейству⁵ (относится к числу d- элементов).

Наибольшее влияние на химические свойства атома оказывает не его электронная конфигурация в целом, а электронное строение валентных подуровней. Валентными являются все подуровни внешнего слоя плюс не­завершённые подуровни внутренних слоев. В рассмотренном атоме железа валентными являются подуровни 3d⁶4s². При этом следует иметь в виду, что в незавершённых подуровнях внутренних слоев валентными, как правило, являются лишь неспаренные электроны. Исходя из этого, по электронной формуле атома можно легко определить его максимальную валентность (максимальную степень окисления), для чего, пользуясь правилом Хунда (см. ниже п. 2.4.), необходимо изобразить графически распределение электронов по АО незавершённого валентного подуровня. Так, в атоме железа в соответствии с правилом Хунда из шести d - электронов неспарен­ными являются только четыре:

Fe... .................................... .....3d⁶

|t |t |t

С учетом двух внешних электронов, суммарное количество валентных электронов в атоме железа и, сле­довательно, его максимальная валентность равны 6, а максимальная степень окисления имеет значение, равное +6.