Електронні формули атомів

Усі електрони атома утворюють його електронну оболонку.

Вивчаючи хімію, дуже важливо знати будову електронної оболонки атома або електронну конфігурацію атома: за її допомогою визначають багато хімічних властивостей елемента. Як уже визначалось, загальне число електронів у атомі, що утворюють електронну оболонку, дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Д.І. Менделєєва.

Будова електронної оболонки зображується електронною формулою, яка показує розподіл електронів за енергетичними рівнями і підрівнями. У цих формулах енергетичні рівні позначаються цифрами 1, 2, 3, 4…, підрівні – буквами s, р,d, f. Число електронів на підрівні позначається цифрою, яка записується справа вгорі від букви, що показує підрівень. Наприклад, атом водню має один електрон, який розміщений на s –підрівні енергетичного рівня: 1s¹. Електронна формула атома гелію, що містить два електрони, записується так: 1s². Оскільки на першому енергетичному рівні можуть перебувати тільки два електрони, то перший електронний шар у атомі гелію завершений.

У елементів другого періоду електрони заповнюють 2-й енергетичний рівень, на якому може розміщуватись не більше ніж вісім електронів. Спочатку електрони заповнюють s – підрівень, потім р – підрівень. Запишемо електронні формули деяких елементів другого періоду:

₃Li 1s²2s¹_,

₄Be 1s²2s²,

₅B 1s²2s²2p¹

……………………….

₁₀Ne 1s²2s²2p⁶.

На останньому енергетичному рівні атома не може перебувати більше ніж вісім електронів, тому другий електронний шар, на якому розміщується два атоми неону завершений.

У атомах елементів третього періоду формується третій електронний шар, на якому розміщується до 18 електронів. Спочатку заповнюється s –підрівень, потім р – підрівень, заповнення d –підрівня третього енергетичного рівня не відбувається.

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹,

…………………………..

₁₃Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹, ………………………….

₁₈Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

У атомі аргону останній енергетичний рівень завершений.

У перших двох елементів четвертого періоду починає заповнюватись 4-й енергетичний рівень:

₁₉K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹, ₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s².

Починаючи з елемента №21 – скандію, відбувається заповнення електронами d-підрівня третього енергетичного рівня. На цьому підрівні може бути 10 електронів, тому в атомів десяти елементів, починаючи зі скандію (Sc – Zn), заповнюється тільки 3-й d-підрівень;

₂₁Sc 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹,

або 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s².

Обидві електронні формули скандію тотожні. Перша з них записана в порядку заповнення електронами підрівнів, друга – за порядком номерів енергетичних рівнів. Далі електронні формули записуються в порядку номерів рівнів енергії електронів:

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²,

-----------------------------------------------

₃₀Zn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s².

Добудова 3-го енергетичного рівня завершується в атома цинку. У атомах наступних елементів триває заповнення 4-го рівня:

₃₁Ga 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹,

----------------------------------------------------

₃₆Kr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶.

Заповнення енергетичних рівнів і підрівнів атомів елементів п’ятого періоду відбувається аналогічно заповненню атомів елементів четвертого періоду. Починаючи з елемента № 39 – ітрію, у десяти елементів (V-Cd) відбувається заповнення електронами 4d – підрівня.

₃₉Y 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4d¹5s²,

--------------------------------------------

₄₈Cd 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s².

Далі:

₄₉In 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p¹ і т.д.

У атомах елементів шостого і сьомого періодів, починаючи з церію Се, з’являються електрони на f- підрівнях. Будову електронних оболонок атомів цих елементів розглянуто в розділі.

Слід зазначити, що в атомів деяких елементів спостерігається явище “проскакування” електрона з останнього енергетичного рівня на передостанній. “Проскакування” електрона відбувається в атомів хрому, міді, паладію та деяких інших елементів, наприклад:

₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹,

₂₉Cи 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹.

У електронних формулах атомів часто повністю завершені енергетичні рівні позначають символами електронних шарів, наприклад, ₃₃As KLM4s²3p³.

Прийнятий і такий запис: ₃As/Ar/3d¹⁰4s²4p³, де /Ar/ означає електронну оболонку атома аргону.

Іноді для скорочення записують тільки електронну конфігурацію валентних шарів, яка визначає хімічні властивості елемента, наприклад:

₁₉К 4s¹;

₂₆Fe 3d⁶4s².

Зв’язок електронної будови атома з положенням елемента в періодичній системі

За положенням елемента в періодичній системі Менделєєва Д.І. можна визначити його електронну формулу (або закінчення цієї формули). Для цього необхідно знати такі закономірності:

1) число енергетичних рівнів у атомі, на яких розміщені електрони, дорівнює номеру періоду;

2) у елементів головних підгруп число електронів на зовнішньому енергетичному рівні дорівнює номеру групи періодичної системи. Наприклад, елемент № 20 – кальцій; розміщений у головній підгрупи ІІ групи і в четвертому періоді; отже, електронна конфігурація зовнішнього рівня атома кальцію - 4s².Сурма (елемент № 51) перебуває в головній підгрупі У групи і в п’ятому періоді, електронна конфігурація зовнішнього рівня – 5s²5p³.

У елементів головних підгруп електрони останнього енергетичного рівня є валентними, тобто вони беруть участь у хімічній взаємодії;

3) у елементів побічних підгруп ІІІ-VІІ груп, а також у трьох елементів побічної підгрупи VІІІ групи (Fe, Rи, Os) загальне число електронів на s-підрівні останнього енергетичного рівня атома і в d-підрівні передостаннього рівня дорівнює номеру групи. Наприклад, реній розміщений у побічній підгрупі VІІ групи і шостому періоді, тому електронна конфігурація валентних шарів має такий вигляд: 5d⁵6s².

У елементів побічних підгруп валентними можуть бути електрони останнього енергетичного рівня та d-підрівня передостаннього рівня;

4) у елементів побічних підгруп І та ІІ груп d-підрівень передостаннього енергетичного рівня завершений (d¹⁰), а на останньому енергетичному рівні число електронів дорівнює номеру групи. Закінчення електронної формули ртуті записується так: 5d¹⁰6s².

Графічні електронні формули.

Електронні формули часто зображують графічно, використовуючи описані вище графічні позначення орбіталей та електронів. Графічні електронні формули показують розподіл електронів не тільки за рівнями та підрівнями, а й за орбіталями. Запишемо, наприклад, електронну формулу атома хлору:

₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

↑↓	↓↑	↑↓	↑
↑↓	↓↑	↑↓	↑↓
↓↑

або

↓↑	↓↑	↓↑	↓
↓↑	↓↑	↓↑	↓↑
↓↑

В останній графічній формулі не позначено d-підрівень, на якому немає електронів.

Якщо p-, d-, або f-підрівні не заповнені, то електрони займають максимальне число і орбіталей, наприклад:

₆С 1s²2s²2p²

↑↓	↑	↑
↑↓

s

Часто записують не всю графічну електронну формулу, а лише її закінчення (тобто підрівні, на яких розміщені валентні електрони), наприклад:

₂₃V 3d²4s²

4S 3d