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 px py pz
6C 1s22s22px12py1
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, рх и ру). Одна орбиталь остается свободной (рz). Таким образом, у атома углерода два неспаренных электрона. Справа от схемы в электронной формуле дана более подробная запись с указанием расположения электронов на рх и ру-орбиталях.
В атоме азота все три 2р-орбитали заняты электронами
n =2 px py pz
7N 1s22s22px12py12pz1
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.