6. Форма и пространственное расположение s-, p- и d- орбиталей в атоме.

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням изображают в видеэлектронных формул. Покажем, как они составляются. Орбиталь с минимальной энергие – это 1s-орбиталь. У атома водорода она занята единственным электроном атома. Поэтому электронная формула, или электронная конфигурация, атома водорода имеет вид: 1s¹. В электронной формуле число впереди означает номер энергетического уровня, буквой выражается подуровень (тип орбитали), индекс справа вверху обозначает число электронов на подуровне. Поскольку на одной орбитали могут находиться два электрона, то оба электрона атома гелия размещаются в 1s-орбитали. Следовательно, электронная формула гелия: 1s². Электронная оболочка гелия завершена и весьма устойчива. У элементов II периода заполняется второй энергетический уровень, причем сначала одна орбитальs-подуровня, а затем три орбитали p-подуровня. Так, третий электрон в атоме лития занимает 2s-орбиталь. Электронная формула Li: 1s²2s¹. В атоме бериллия четвертый электрон так же размещается на 2s-орбитали: 1s²2s². Поскольку 2s-орбиталь заполнена, то пятый электрон у атома бора занимает 2p-орбиталь. Электронная формула атома бора: 1s²2s²2p¹. Далее у атомов С, N, O, F идет заполнение 2p-орбиталей, которое заканчивается у атома Ne. Запишем их электронные формулы: ₆C 1s²2s²2p²; ₇N 1s²2s²2p³; ₈O 1s²2s²2p⁴;₉F 1s²2s²2p⁵; ₁₀Ne 1s²2s²2p⁶. Начиная с элементов III периода, у атомов идет заполнение третьего энергетического уровня, состоящего из 3s-, 3p- и 3d-подуровней. Например: ₁₁Na – 1s²2s²2p⁶3s¹; ₁₇Cl – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Очень часто структуру электронных оболочек изображают с помощью энергетических, или квантовых, ячеек – это так называемые графические электронные формулы (рис. 4). Каждая такая ячейка обозначается клеткой: клетка – орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки – направление спина, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. Спин – это свойство электрона, которое упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси – по часовой и против часовой стрелки.

Рассмотрим графическую электронную формулу внешнего энергетического уровня атома углерода (рис. 5).

Орбитали подуровня заполняются так: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку в 2p-подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух 2p-электронов занял по одной орбитали. У атома углерода два неспаренных электрона. В атоме азота все три 2p-орбитали заняты одиночными электронами (рис. 6). Следовательно, у него три неспаренных электрона.

Начиная с атома кислорода, 2p-орбитали заполняются вторым электроном с противоположным спином (рис. 7). У атома кислорода два неспаренных электрона.

Таким образом, распределяя электроны по квантовым ячейкам, можно выявлять число неспаренных электронов в атоме. У атома Ne завершается заполнение второго уровня. Восемь внешних электронов (s²p⁶) образуют очень устойчивую электронную оболочку, неон – благородный газ.