ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 2. ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА І БУДОВА АТОМІВ

§ 2.7. 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 найміцнішому зв’язку електрона з ядром, — принцип найменшої енергії. Зі збільшенням порядкового номера елемента електрони заповнюють орбіталі і рівні в порядку зростання їх 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 атомів елементів періодичної системи. Цей ряд, в якому вертикальними лініями відокремлено періоди, що позначені зверху римськими цифрами, має вигляд:

Орбіталь з мінімальною енергією — це «1s -орбіталь. У атома гідрогену її займає єдиний електрон атома. Тому електронна формула, а(ро електронна конфігурація, атома гідрогену має вигляд:¹ 1s¹ .

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

¹ Нагадаємо, що число спереду — номер рівня, літерою позначається підрівень (тип орбіталі), індекс праворуч вгорі — число електронів на підрівні.

В елементів II періоду заповнюється L -рівень (n = 2), причому спочатку — орбіталь s -підрівня, а потім — три орбіталі р-підрівня. Третій електрон в атомі₃ Lі займає: 2s -орбіталь. Електронна формула Li: 1s² 2s¹ . Електрон 2s¹ зв’язаний з ядром атома значно слабкіше, ніж 1s -електрони,Li₊тому атом літію може легко втрачати його, утворюючи іон Li⁺ .

В атомі 4Ве четвертий електрон також розміщений на 2s -орбіталі: 1s² 2s² . Легше, ніж інші електрoни, у Be відриваються 2s -електрони з утворенням іона Be²⁺.

Оскільки 2s -орбіталь заповнена, то п’ятий електрон у атома₅В займає 2р-орбіталь. Електронна формула атома бору: 1s² 2s² р¹.

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

_бС1 s²2s²2p²,₇N1 s²2s²2p³,₈O1 s²2s²2p⁴,

₉F 1s² 2s² p⁵ ,₁₀ Ne 1s² 2s² 2p⁶.

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

₁₁Na 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ,₁₇Сl 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

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

₁₁Na - 2∙8∙1,₁₇Сl - 2∙8∙7,₂₆Fe - 2∙ 8∙14∙2.

Під час написання електронних формул слід ураховувати так зване проскакування електрона. Так, електронна формула хрому повинна бути 1s² 2s² р⁶ 3s² 3р⁶3d⁴ 4s² . Однак на зовнішньому рівні в атома хрому не два електрони, а один — другий електрон “проскочив” на d -підрівень другого ззовні рівня. В цьому випадку розташування електронів у атома хрому таке: 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 3а⁵ 4s¹. Те саме спостерігається для Nb, Мо та інших елементів. У Pd 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 клітинкою: клітинка — орбіталь, стрілка — електрон, напрямок стрілки — напрямленість спіну¹ , вільна клітинка

— 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).

¹ Спін (в перекладі з англійської — «веретено”) спрощено можна уявити як обертання електрона навколо власної осі — за годинниковою і проти го динникової стрілки. Спареними називаються електрони з протилежними спінами: ↓↑.

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

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, р_х і p_у). Одна орбіталь залишається вільною (p_z ). В атомі карбону є два неспарених електрони. Праворуч від схеми в електронній формулі подано детальніший запис, в якому вказано розподіл електронів на р_х- і р_у-орбіталях. Такий запис теж часто застосовують.

В атомі нітрогену всі три 2р-орбіталі (p_x , р_у , р_z) зайнято поодинокими електронами:

Отже, у нього три неспарених електрони. Це відбито і в детальній електронній формулі (праворуч 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, розміщуючи електрони по квантових комірках, можна виявити число неспарених електронів в атомі. В атомі Ne завершується заповнення другого рівня:

Вісім зовнішніх електронів (s² р⁶) утворюють дуже стійку структуру з чотирьох двохелектронних хмар. Усі електрони в атомі неону спарені. Неон — благородний газ.