Formula electronică a tabelului atomic. Formula electronică a elementului

Electronii

Conceptul de atom a apărut în lumea antică pentru a desemna particulele de materie. Tradus din greacă, atom înseamnă „indivizibil”.

Fizicianul irlandez Stoney, pe baza unor experimente, a ajuns la concluzia că electricitatea este transportată de cele mai mici particule existente în atomii tuturor elementelor chimice. În 1891, Stoney a propus să numească aceste particule electroni, ceea ce înseamnă „chihlimbar” în greacă. La câțiva ani după ce electronul și-a primit numele, fizicianul englez Joseph Thomson și fizicianul francez Jean Perrin au demonstrat că electronii poartă o sarcină negativă. Aceasta este cea mai mică sarcină negativă, care în chimie este luată ca una (-1). Thomson a reușit chiar să determine viteza electronului (viteza electronului pe orbită este invers proporțională cu numărul orbitei n. Razele orbitelor cresc proporțional cu pătratul numărului orbitei. În prima orbită a atom de hidrogen (n=1; Z=1) viteza este ≈ 2,2·106 m/s, adică de aproximativ o sută de ori mai mică decât viteza luminii c = 3·108 m/s) și masa electronului (este de aproape 2000 de ori mai mică decât masa atomului de hidrogen).

Starea electronilor într-un atom

Starea unui electron într-un atom este înțeleasă ca un set de informații despre energia unui anumit electron și spațiul în care se află. Un electron dintr-un atom nu are o traiectorie de mișcare, adică putem vorbi doar despre probabilitatea de a-l găsi în spațiul din jurul nucleului.

Poate fi situat în orice parte a acestui spațiu care înconjoară nucleul, iar totalitatea diferitelor sale poziții este considerată ca un nor de electroni cu o anumită densitate de sarcină negativă. Figurat, acest lucru poate fi imaginat astfel: dacă ar fi posibil să se fotografieze poziția unui electron într-un atom după sutimi sau milioane de secunde, ca într-un finisaj foto, atunci electronul din astfel de fotografii ar fi reprezentat ca puncte. Dacă s-ar suprapune nenumărate astfel de fotografii, imaginea ar fi a unui nor de electroni cu cea mai mare densitate acolo unde ar fi cele mai multe dintre aceste puncte.

Spațiul din jurul nucleului atomic în care este cel mai probabil să se găsească un electron se numește orbital. Conține aproximativ 90% cloud electronic, și asta înseamnă că aproximativ 90% din timp electronul se află în această parte a spațiului. Ele se disting prin formă 4 tipuri de orbitali cunoscute în prezent, care sunt desemnate prin latină literele s, p, d și f. O reprezentare grafică a unor forme de orbitali de electroni este prezentată în figură.

Cea mai importantă caracteristică a mișcării unui electron într-un anumit orbital este energia conexiunii sale cu nucleul. Electronii cu valori energetice similare formează un singur strat de electroni, sau nivel de energie. Nivelurile de energie sunt numerotate începând de la nucleu - 1, 2, 3, 4, 5, 6 și 7.

Numărul întreg n, care indică numărul nivelului de energie, se numește număr cuantic principal. Caracterizează energia electronilor care ocupă un anumit nivel de energie. Electronii din primul nivel energetic, cel mai aproape de nucleu, au cea mai mică energie.În comparație cu electronii de primul nivel, electronii de nivelurile ulterioare vor fi caracterizați printr-o aprovizionare mare de energie. În consecință, electronii de la nivelul exterior sunt legați cel mai puțin strâns de nucleul atomic.

Cel mai mare număr de electroni la un nivel de energie este determinat de formula:

N = 2n 2 ,

unde N este numărul maxim de electroni; n este numărul de nivel sau numărul cuantic principal. În consecință, la primul nivel energetic cel mai apropiat de nucleu nu pot exista mai mult de doi electroni; pe al doilea - nu mai mult de 8; pe a treia - nu mai mult de 18; pe a patra - nu mai mult de 32.

Începând de la al doilea nivel energetic (n = 2), fiecare dintre niveluri este împărțit în subniveluri (substraturi), ușor diferite unele de altele în energia de legare cu nucleul. Numărul de subniveluri este egal cu valoarea numărului cuantic principal: primul nivel de energie are un subnivel; al doilea - doi; a treia - trei; al patrulea - patru subniveluri. Subnivelurile, la rândul lor, sunt formate din orbitali. Fiecare valoaren corespunde numărului de orbitali egal cu n.

Subnivelurile sunt de obicei notate cu litere latine, precum și forma orbitalilor din care constau: s, p, d, f.

Protoni și Neutroni

Un atom al oricărui element chimic este comparabil cu un sistem solar minuscul. Prin urmare, acest model al atomului, propus de E. Rutherford, se numește planetar.

Nucleul atomic, în care este concentrată întreaga masă a atomului, este format din particule de două tipuri - protoni si neutroni.

Protonii au o sarcină egală cu sarcina electronilor, dar opusă în semn (+1) și o masă egală cu masa unui atom de hidrogen (este luat ca una în chimie). Neutronii nu poartă nicio sarcină, sunt neutri și au masa egală cu masa unui proton.

Protonii și neutronii împreună se numesc nucleoni (din latinescul nucleus - nucleus). Suma numărului de protoni și neutroni dintr-un atom se numește număr de masă. De exemplu, numărul de masă al unui atom de aluminiu este:

13 + 14 = 27

numărul de protoni 13, numărul de neutroni 14, numărul de masă 27

Deoarece masa electronului, care este neglijabil de mică, poate fi neglijată, este evident că întreaga masă a atomului este concentrată în nucleu. Electronii sunt desemnați e - .

Din moment ce atomul neutru din punct de vedere electric, atunci este, de asemenea, evident că numărul de protoni și electroni dintr-un atom este același. Este egal cu numărul de serie al elementului chimic atribuit acestuia în Tabelul Periodic. Masa unui atom este formată din masa protonilor și neutronilor. Cunoscând numărul atomic al elementului (Z), adică numărul de protoni și numărul de masă (A), egal cu suma numerelor de protoni și neutroni, puteți găsi numărul de neutroni (N) folosind formula :

N = A - Z

De exemplu, numărul de neutroni dintr-un atom de fier este:

56 — 26 = 30

Izotopi

Sunt numite varietăți de atomi ai aceluiași element care au aceeași sarcină nucleară, dar numere de masă diferite izotopi. Elementele chimice găsite în natură sunt un amestec de izotopi. Astfel, carbonul are trei izotopi cu mase 12, 13, 14; oxigen - trei izotopi cu mase 16, 17, 18 etc. Masa atomică relativă a unui element chimic, dată de obicei în Tabelul periodic, este valoarea medie a maselor atomice ale unui amestec natural de izotopi ai unui element dat, luând în considerare abundența lor relativă în natură. Proprietățile chimice ale izotopilor majorității elementelor chimice sunt exact aceleași. Cu toate acestea, izotopii de hidrogen variază foarte mult în proprietăți datorită creșterii multiple dramatice a masei lor atomice relative; li se dau chiar nume individuale și simboluri chimice.

Elemente ale primei perioade

Diagrama structurii electronice a atomului de hidrogen:

Diagramele structurii electronice a atomilor arată distribuția electronilor de-a lungul straturilor electronice (nivelurile de energie).

Formula electronică grafică a atomului de hidrogen (arată distribuția electronilor pe niveluri și subniveluri de energie):

Formulele electronice grafice ale atomilor arată distribuția electronilor nu numai între niveluri și subniveluri, ci și între orbiti.

Într-un atom de heliu, primul strat de electroni este complet - are 2 electroni. Hidrogenul și heliul sunt elemente s; Orbitalul s al acestor atomi este umplut cu electroni.

Pentru toate elementele perioadei a doua primul strat electronic este umplut, iar electronii umplu orbitalii s și p ai celui de-al doilea strat de electroni în conformitate cu principiul energiei minime (întâi s și apoi p) și cu regulile Pauli și Hund.

În atomul de neon, al doilea strat de electroni este complet - are 8 electroni.

Pentru atomii elementelor din a treia perioadă, primul și al doilea strat electronic sunt completați, astfel încât al treilea strat electronic este umplut, în care electronii pot ocupa subnivelurile 3s, 3p și 3d.

Atomul de magneziu își completează orbitalul de electroni 3s. Na și Mg sunt elemente s.

În aluminiu și elementele ulterioare, subnivelul 3p este umplut cu electroni.

Elementele din a treia perioadă au orbitali 3d neumpluți.

Toate elementele de la Al la Ar sunt elemente p. Elementele s și p formează principalele subgrupe din Tabelul Periodic.

Elemente ale perioadei a patra - a șaptea

Un al patrulea strat de electroni apare în atomii de potasiu și calciu, iar subnivelul 4s este umplut, deoarece are energie mai mică decât subnivelul 3d.

K, Ca - s-elemente incluse în principalele subgrupe. Pentru atomii de la Sc la Zn, subnivelul 3d este umplut cu electroni. Acestea sunt elemente 3D. Ele sunt incluse în subgrupuri secundare, stratul lor electronic cel mai exterior este umplut și sunt clasificate ca elemente de tranziție.

Acordați atenție structurii carcaselor electronice ale atomilor de crom și cupru. În ele, un electron „eșuează” de la nivelul 4 la subnivelul 3d, ceea ce se explică prin stabilitatea energetică mai mare a configurațiilor electronice rezultate 3d 5 și 3d 10:

În atomul de zinc, al treilea strat de electroni este complet - toate subnivelurile 3s, 3p și 3d sunt umplute în el, cu un total de 18 electroni. În elementele care urmează zincului, al patrulea strat de electroni, subnivelul 4p, continuă să fie umplut.

Elementele de la Ga la Kr sunt elemente p.

Atomul criptonului are un strat exterior (al patrulea) care este complet și are 8 electroni. Dar pot exista un total de 32 de electroni în al patrulea strat de electroni; atomul de cripton are încă subnivelele 4d și 4f neumplute. Pentru elementele din perioada a cincea, subnivelurile sunt completate în următoarea ordine: 5s - 4d - 5p. Și există și excepții legate de „ eșec» electroni, y 41 Nb, 42 Mo, 44 ​​​​Ru, 45 Rh, 46 Pd, 47 Ag.

În perioadele a șasea și a șaptea, apar elemente f, adică elemente în care subnivelurile 4f și, respectiv, 5f ale celui de-al treilea strat electronic exterior sunt umplute.

Elementele 4f se numesc lantanide.

Elementele 5f se numesc actinide.

Ordinea de umplere a subnivelurilor electronice în atomii elementelor din perioada a șasea: 55 Cs și 56 Ba - 6s elemente; 57 La … 6s 2 5d x - 5d element; 58 Ce - 71 Lu - 4f elemente; 72 Hf - 80 Hg - 5d elemente; 81 T1 - 86 Rn - 6d elemente. Dar și aici există elemente în care ordinea de umplere a orbitalilor electronici este „încălcată”, ceea ce, de exemplu, este asociat cu o mai mare stabilitate energetică a subnivelurilor f jumătate și complet umplute, adică nf 7 și nf 14. În funcție de subnivelul atomului umplut cu electroni, toate elementele sunt împărțite în patru familii de electroni sau blocuri:

• s-elemente. Subnivelul s al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; Elementele s includ hidrogen, heliu și elemente din principalele subgrupe ale grupelor I și II.

• p-elemente. Subnivelul p al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; p-elementele includ elemente ale principalelor subgrupe ale grupelor III-VIII.

• d-elemente. Subnivelul d al nivelului pre-extern al atomului este umplut cu electroni; Elementele d includ elemente ale subgrupurilor secundare ale grupelor I-VIII, adică elemente de plug-in decenii de perioade mari situate între elementele s și p. Ele sunt numite și elemente de tranziție.

• elemente f. Subnivelul f al celui de-al treilea nivel exterior al atomului este umplut cu electroni; acestea includ lantanide și antinoide.

Fizicianul elvețian W. Pauli în 1925 a stabilit că într-un atom dintr-un orbital nu pot exista mai mult de doi electroni având spini opuși (antiparaleli) (tradus din engleză ca „fus”), adică având astfel de proprietăți care pot fi imaginate condiționat. ca rotația unui electron în jurul axei sale imaginare: în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic.

Acest principiu se numește principiul Pauli. Dacă există un electron în orbital, atunci se numește nepereche dacă sunt doi, atunci aceștia sunt electroni perechi, adică electroni cu spini opuși. Figura prezintă o diagramă a împărțirii nivelurilor de energie în subniveluri și ordinea în care sunt umplute.

Foarte des, structura învelișurilor electronice ale atomilor este descrisă folosind energie sau celule cuantice - sunt scrise așa-numitele formule electronice grafice. Pentru această notație se folosește următoarea notație: fiecare celulă cuantică este desemnată de o celulă care corespunde unui orbital; Fiecare electron este indicat de o săgeată corespunzătoare direcției de spin. Când scrieți o formulă electronică grafică, ar trebui să vă amintiți două reguli: Principiul lui Pauli și regula lui F. Hund, conform căreia electronii ocupă celulele libere mai întâi pe rând și au aceeași valoare de spin și abia apoi se perechează, dar spinii, conform principiului Pauli, vor fi deja direcționați opus.

regula lui Hund și principiul lui Pauli

regula lui Hund- o regulă a chimiei cuantice care determină ordinea de umplere a orbitalilor unui anumit substrat și se formulează astfel: valoarea totală a numărului cuantic de spin al electronilor unui substrat dat trebuie să fie maximă. Formulat de Friedrich Hund în 1925.

Aceasta înseamnă că în fiecare dintre orbitalii substratului, un electron este umplut primul și numai după ce orbitalii neumpluți sunt epuizați, un al doilea electron este adăugat la acest orbital. În acest caz, într-un orbital există doi electroni cu spini semiîntregi de semn opus, care se perechează (formează un nor cu doi electroni) și, ca urmare, spinul total al orbitalului devine egal cu zero.

O altă formulare: Mai scăzut în energie se află termenul atomic pentru care sunt îndeplinite două condiții.

1. Multiplicitatea este maximă
2. Când multiplicitățile coincid, impulsul total orbital L este maxim.

Să analizăm această regulă folosind exemplul de umplere a orbitalilor de subnivel p p-elementele perioadei a doua (adică de la bor la neon (în diagrama de mai jos, liniile orizontale indică orbitali, săgețile verticale indică electronii, iar direcția săgeții indică orientarea spinului).

regula lui Klechkovsky

regula lui Klechkovsky - pe măsură ce numărul total de electroni din atomi crește (cu creșterea sarcinilor nucleelor ​​acestora, sau a numărului de serie al elementelor chimice), orbitalii atomici sunt populați în așa fel încât apariția electronilor într-un orbital cu o energie mai mare depinde numai de numărul cuantic principal n și nu depinde de toate celelalte numere cuantice, inclusiv de la l. Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că într-un atom asemănător hidrogenului (în absența repulsiei interelectronilor), energia orbitală a unui electron este determinată numai de distanța spațială a densității de sarcină a electronului față de nucleu și nu depinde de caracteristicile acestuia. mișcarea în câmpul nucleului.

Regula empirică Klechkovsky și schema de ordonare care decurge din aceasta sunt oarecum contradictorii cu succesiunea energetică reală a orbitalilor atomici doar în două cazuri similare: pentru atomii Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au , are loc o „eșec” a unui electron cu s -subnivelul stratului exterior este înlocuit cu subnivelul d al stratului anterior, ceea ce duce la o stare energetic mai stabilă a atomului și anume: după umplerea orbitalului 6 cu două electroni s

Configurația electronică a unui atom este o formulă care arată aranjarea electronilor într-un atom pe niveluri și subniveluri. După ce ați studiat articolul, veți afla unde și cum sunt localizați electronii, vă veți familiariza cu numerele cuantice și veți putea construi configurația electronică a unui atom după numărul său, la sfârșitul articolului există un tabel de elemente;

De ce să studiem configurația electronică a elementelor?

Atomii sunt ca un set de construcție: există un anumit număr de părți, ele diferă unele de altele, dar două părți de același tip sunt absolut aceleași. Dar acest set de construcție este mult mai interesant decât cel din plastic și iată de ce. Configurația se schimbă în funcție de cine se află în apropiere. De exemplu, oxigenul lângă hidrogen Pot fi se transformă în apă, când este aproape de sodiu se transformă în gaz, iar când este aproape de fier îl transformă complet în rugină. Pentru a răspunde la întrebarea de ce se întâmplă acest lucru și pentru a prezice comportamentul unui atom lângă altul, este necesar să se studieze configurația electronică, care va fi discutată mai jos.

Câți electroni sunt într-un atom?

Un atom este format dintr-un nucleu și electroni care se rotesc în jurul lui; nucleul este format din protoni și neutroni. În stare neutră, fiecare atom are numărul de electroni egal cu numărul de protoni din nucleul său. Numărul de protoni este desemnat de numărul atomic al elementului, de exemplu, sulful are 16 protoni - al 16-lea element al tabelului periodic. Aurul are 79 de protoni - al 79-lea element al tabelului periodic. În consecință, sulful are 16 electroni în stare neutră, iar aurul are 79 de electroni.

Unde să cauți un electron?

Prin observarea comportamentului electronului, au fost derivate anumite modele, acestea sunt descrise prin numere cuantice, sunt patru în total:

• Numărul cuantic principal
• Numărul cuantic orbital
• Numărul cuantic magnetic
• Învârtiți numărul cuantic

Orbitală

Mai mult, în loc de cuvântul orbita, vom folosi termenul „orbital”;

N - nivel
L - coajă
M l - numărul orbital
M s - primul sau al doilea electron din orbital

Numărul cuantic orbital l

În urma studierii norului de electroni, ei au descoperit că, în funcție de nivelul de energie, norul ia patru forme principale: o minge, gantere și alte două, mai complexe. În ordinea creșterii energiei, aceste forme se numesc s-, p-, d- și f-shell. Fiecare dintre aceste cochilii poate avea 1 (pe s), 3 (pe p), 5 (pe d) și 7 (pe f) orbitali. Numărul cuantic orbital este învelișul în care se află orbitalii. Numărul cuantic orbital pentru orbitalii s,p,d și f ia valorile 0,1,2 sau, respectiv, 3.

Există un orbital pe învelișul s (L=0) - doi electroni
Există trei orbiti pe învelișul p (L=1) - șase electroni
Există cinci orbiti pe învelișul d (L=2) - zece electroni
Pe învelișul f sunt șapte orbiti (L=3) - paisprezece electroni

Numărul cuantic magnetic m l

Există trei orbitali pe carcasa p, ei sunt desemnați prin numere de la -L la +L, adică pentru carcasa p (L=1) există orbitali „-1”, „0” și „1” . Numărul cuantic magnetic este notat cu litera m l.

În interiorul carcasei, este mai ușor ca electronii să fie localizați în orbitali diferiți, astfel că primii electroni umplu câte unul în fiecare orbital, iar apoi se adaugă câte o pereche de electroni fiecăruia.

Luați în considerare d-shell:
Învelișul d corespunde valorii L=2, adică cinci orbitali (-2,-1,0,1 și 2), primii cinci electroni umplu învelișul luând valorile M l =-2, M l =-1, Ml =0, Ml =1,Ml =2.

Spin număr cuantic m s

Spinul este direcția de rotație a unui electron în jurul axei sale, există două direcții, deci numărul cuantic de spin are două valori: +1/2 și -1/2. Un subnivel de energie poate conține doar doi electroni cu spini opuși. Numărul cuantic de spin se notează m s

Numărul cuantic principal n

Numărul cuantic principal este nivelul de energie în prezent sunt cunoscute șapte niveluri de energie, fiecare indicată printr-o cifră arabă: 1,2,3,...7. Numărul de shell la fiecare nivel este egal cu numărul nivelului: există o shell la primul nivel, două la al doilea etc.

Numărul de electroni

Deci, orice electron poate fi descris prin patru numere cuantice, combinația acestor numere este unică pentru fiecare poziție a electronului, luați primul electron, cel mai scăzut nivel de energie este N = 1, la primul nivel există o înveliș, prima coajă la orice nivel are forma unei mingi (s -shell), adică. L=0, numărul cuantic magnetic poate lua o singură valoare, M l =0 iar spinul va fi egal cu +1/2. Dacă luăm al cincilea electron (în orice atom ar fi acesta), atunci principalele numere cuantice pentru acesta vor fi: N=2, L=1, M=-1, spin 1/2.

Să aflăm cum să creăm formula electronică a unui element chimic. Această întrebare este importantă și relevantă, deoarece oferă o idee nu numai asupra structurii, ci și asupra proprietăților fizice și chimice așteptate ale atomului în cauză.

Reguli de compilare

Pentru a compune o formulă grafică și electronică a unui element chimic, este necesar să înțelegem teoria structurii atomice. Pentru început, există două componente principale ale unui atom: nucleul și electronii negativi. Nucleul include neutroni, care nu au sarcină, precum și protoni, care au o sarcină pozitivă.

Discută despre cum să compune și să determine formula electronică a unui element chimic, observăm că pentru a găsi numărul de protoni din nucleu, va fi necesar sistemul periodic Mendeleev.

Numărul unui element corespunde în ordinea numărului de protoni găsiți în nucleul său. Numărul perioadei în care se află atomul caracterizează numărul de straturi energetice pe care se află electronii.

Pentru a determina numărul de neutroni lipsiți de sarcină electrică, este necesar să se scadă numărul său de serie (numărul de protoni) din masa relativă a atomului unui element.

Instrucțiuni

Pentru a înțelege cum să compuneți formula electronică a unui element chimic, luați în considerare regula de umplere a subnivelurilor cu particule negative, formulată de Klechkovsky.

În funcție de câtă energie liberă au orbitalii liberi, se alcătuiește o serie care caracterizează succesiunea nivelurilor de umplere cu electroni.

Fiecare orbital conține doar doi electroni, care sunt aranjați în spini antiparaleli.

Pentru a exprima structura shell-urilor electronice se folosesc formule grafice. Cum arată formulele electronice ale atomilor elementelor chimice? Cum se creează opțiuni grafice? Aceste întrebări sunt incluse în cursul de chimie școlar, așa că ne vom opri mai detaliat asupra lor.

Există o anumită matrice (bază) care este utilizată la elaborarea formulelor grafice. S-orbital este caracterizat de o singură celulă cuantică, în care doi electroni sunt situați unul față de celălalt. Ele sunt indicate grafic prin săgeți. Pentru orbitalul p, sunt descrise trei celule, fiecare conținând și doi electroni, orbitalul d conține zece electroni, iar orbitalul f este umplut cu paisprezece electroni.

Exemple de compilare a formulelor electronice

Să continuăm conversația despre cum să compunem formula electronică a unui element chimic. De exemplu, trebuie să creați o formulă grafică și electronică pentru elementul mangan. Mai întâi, să determinăm poziția acestui element în tabelul periodic. Are număr atomic 25, prin urmare, în atom există 25 de electroni. Manganul este un element din a patra perioadă și, prin urmare, are patru niveluri de energie.

Cum se scrie formula electronică a unui element chimic? Notăm semnul elementului, precum și numărul său de serie. Folosind regula lui Klechkovsky, distribuim electronii între nivelurile și subnivelurile de energie. Le plasăm secvenţial pe primul, al doilea şi al treilea nivel, plasând doi electroni în fiecare celulă.

În continuare, le însumăm, obținând 20 de bucăți. Trei niveluri sunt complet umplute cu electroni, iar pe al patrulea rămân doar cinci electroni. Având în vedere că fiecare tip de orbital are propria sa rezervă de energie, distribuim electronii rămași în subnivelele 4s și 3d. Ca rezultat, formula grafică electronică finită pentru atomul de mangan are următoarea formă:

1s2 / 2s2, 2p6 / 3s2, 3p6 / 4s2, 3d3

Semnificație practică

Folosind formule grafice electronice, puteți vedea clar numărul de electroni liberi (nepereche) care determină valența unui anumit element chimic.

Oferim un algoritm generalizat de acțiuni cu ajutorul căruia puteți crea formule grafice electronice pentru orice atom din tabelul periodic.

În primul rând, este necesar să se determine numărul de electroni folosind tabelul periodic. Numărul perioadei indică numărul de niveluri de energie.

Apartenenta la un anumit grup este asociata cu numarul de electroni situati in nivelul energetic exterior. Nivelurile sunt împărțite în subniveluri și completate ținând cont de regula Klechkovsky.

Concluzie

Pentru a determina posibilitățile de valență ale oricărui element chimic situat în tabelul periodic, este necesară compilarea unei formule grafice electronice a atomului său. Algoritmul prezentat mai sus ne va permite să facem față sarcinii și să determinăm posibilele proprietăți chimice și fizice ale atomului.

Fizicianul elvețian W. Pauli în 1925 a stabilit că într-un atom dintr-un orbital nu pot exista mai mult de doi electroni având spini opuși (antiparaleli) (tradus din engleză ca „fus”), adică având astfel de proprietăți care pot fi convenționale. s-a imaginat ca rotația unui electron în jurul axei sale imaginare: în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Acest principiu se numește principiul Pauli.

Dacă există un electron în orbital, atunci se numește nepereche dacă sunt doi, atunci aceștia sunt electroni perechi, adică electroni cu spini opuși;

Figura 5 prezintă o diagramă a împărțirii nivelurilor de energie în subniveluri.

S-Orbitalul, după cum știți deja, are o formă sferică. Electronul atomului de hidrogen (s = 1) este situat în acest orbital și este nepereche. Prin urmare, formula sa electronică sau configurația electronică se va scrie după cum urmează: 1s 1. În formulele electronice, numărul nivelului de energie este indicat de numărul care precede litera (1 ...), litera latină indică subnivelul (tipul de orbital), iar numărul, care este scris în dreapta sus a litera (ca exponent), arată numărul de electroni din subnivel.

Pentru un atom de heliu He, care are doi electroni perechi într-un orbital s, această formulă este: 1s 2.

Învelișul de electroni a atomului de heliu este complet și foarte stabil. Heliul este un gaz nobil.

La al doilea nivel de energie (n = 2) există patru orbiti: unul s și trei p. Electronii orbitalului s de al doilea nivel (orbitalii 2s) au o energie mai mare, deoarece se află la o distanță mai mare de nucleu decât electronii orbitalului 1s (n = 2).

În general, pentru fiecare valoare a lui n există câte un orbital s, dar cu o sursă corespunzătoare de energie electronică și, prin urmare, cu un diametru corespunzător, crescând pe măsură ce valoarea lui n crește.

R-Orbitalul are forma unei gantere sau a unei figuri tridimensionale opt. Toți cei trei orbitali p sunt localizați în atom reciproc perpendiculari de-a lungul coordonatelor spațiale trasate prin nucleul atomului. Trebuie subliniat încă o dată că fiecare nivel de energie (stratul electronic), începând de la n = 2, are trei p-orbitali. Pe măsură ce valoarea lui n crește, electronii ocupă orbitali p situati la distanțe mari de nucleu și direcționați de-a lungul axelor x, y, z.

Pentru elementele din a doua perioadă (n = 2), mai întâi este umplut un orbital b și apoi trei orbitali p. Formula electronică 1l: 1s 2 2s 1. Electronul este legat mai slab de nucleul atomului, astfel încât atomul de litiu poate renunța cu ușurință la el (după cum vă amintiți, acest proces se numește oxidare), transformându-se într-un ion Li+.

În atomul de beriliu Be 0, al patrulea electron este situat și în orbitalul 2s: 1s 2 2s 2. Cei doi electroni exteriori ai atomului de beriliu sunt ușor separați - Be 0 este oxidat în cationul Be 2+.

În atomul de bor, al cincilea electron ocupă orbitalul 2p: 1s 2 2s 2 2p 1. Apoi, atomii C, N, O, E sunt umpluți cu orbitali 2p, care se termină cu neonul de gaz nobil: 1s 2 2s 2 2p 6.

Pentru elementele perioadei a treia, orbitalii Sv și respectiv Sr sunt umpluți. Cinci d-orbitali de al treilea nivel rămân liberi:

Uneori, în diagramele care descriu distribuția electronilor în atomi, este indicat doar numărul de electroni la fiecare nivel de energie, adică sunt scrise formule electronice abreviate ale atomilor elementelor chimice, spre deosebire de formulele electronice complete date mai sus.

Pentru elementele de perioade mari (a patra și a cincea), primii doi electroni ocupă orbitalii 4 și 5, respectiv: 19 K 2, 8, 8, 1; 38 Sr 2, 8, 18, 8, 2. Începând cu al treilea element al fiecărei perioade majore, următorii zece electroni vor intra în orbitalii anteriori 3d, respectiv 4d (pentru elementele subgrupurilor laterale): 23 V 2, 8, 11, 2; 26 Tr 2, 8, 14, 2; 40 Zr 2, 8, 18, 10, 2; 43 Tg 2, 8, 18, 13, 2. De regulă, atunci când subnivelul d anterior este umplut, subnivelul exterior (4p- și 5p-respectiv) p va începe să se umple.

Pentru elementele de perioade mari - al șaselea și al șaptelea incomplet - nivelurile și subnivelurile electronice sunt umplute cu electroni, de regulă, astfel: primii doi electroni vor merge la subnivelul exterior b: 56 Va 2, 8, 18, 18, 8, 2; 87Gg 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1; următorul electron (pentru Na și Ac) față de cel anterior (subnivelul p: 57 La 2, 8, 18, 18, 9, 2 și 89 Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2.

Apoi următorii 14 electroni vor intra în al treilea nivel exterior de energie în orbitalii 4f și 5f ai lantanidelor și, respectiv, actinidelor.

Apoi, al doilea nivel de energie externă (subnivelul d) va începe să se acumuleze din nou: pentru elementele subgrupurilor laterale: 73 Ta 2, 8.18, 32.11, 2; 104 Rf 2, 8.18, 32, 32.10, 2, - și, în cele din urmă, numai după ce nivelul curent este complet umplut cu zece electroni va fi umplut din nou p-subnivelul exterior:

86 Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8.

Foarte des, structura învelișurilor electronice ale atomilor este descrisă folosind energie sau celule cuantice - sunt scrise așa-numitele formule electronice grafice. Pentru această notație se folosește următoarea notație: fiecare celulă cuantică este desemnată de o celulă care corespunde unui orbital; Fiecare electron este indicat de o săgeată corespunzătoare direcției de spin. Când scrieți o formulă electronică grafică, ar trebui să vă amintiți două reguli: principiul Pauli, conform căruia nu pot exista mai mult de doi electroni într-o celulă (orbital), dar cu spin antiparalel, și regula lui F. Hund, conform căreia electronii ocupă celule libere (orbitali) și sunt situate în La început, sunt unul câte unul și au aceeași valoare de spin și abia apoi se perechează, dar spinurile vor fi direcționate invers conform principiului Pauli.

În concluzie, să luăm din nou în considerare afișarea configurațiilor electronice ale atomilor elementelor în funcție de perioadele sistemului D.I. Diagramele structurii electronice a atomilor arată distribuția electronilor de-a lungul straturilor electronice (nivelurile de energie).

Într-un atom de heliu, primul strat de electroni este complet - are 2 electroni.

Hidrogenul și heliul sunt elemente s; orbitalul s al acestor atomi este umplut cu electroni.

Elemente ale perioadei a doua

Pentru toate elementele din a doua perioadă, primul strat de electroni este umplut, iar electronii umplu orbitalii e și p ai celui de-al doilea strat de electroni în conformitate cu principiul energiei minime (întâi s-, apoi p) și Pauli și Reguli Hund (Tabelul 2).

În atomul de neon, al doilea strat de electroni este complet - are 8 electroni.

Tabelul 2 Structura învelișurilor electronice ale atomilor elementelor din a doua perioadă

Sfârșitul mesei. 2

Li, Be sunt elemente b.

B, C, N, O, F, Ne sunt elemente p acești atomi au orbitali p umpluți cu electroni.

Elemente ale perioadei a treia

Pentru atomii elementelor din a treia perioadă, primul și al doilea strat electronic sunt completați, astfel încât al treilea strat electronic este umplut, în care electronii pot ocupa subnivelurile 3s, 3p și 3d (Tabelul 3).

Tabelul 3 Structura învelișurilor electronice ale atomilor elementelor din perioada a treia

Atomul de magneziu își completează orbitalul de electroni 3s. Na și Mg sunt elemente s.

Un atom de argon are 8 electroni în stratul său exterior (al treilea strat de electroni). Ca strat exterior, este complet, dar în total în al treilea strat de electroni, după cum știți deja, pot exista 18 electroni, ceea ce înseamnă că elementele din a treia perioadă au orbitali 3d neumpluți.

Toate elementele de la Al la Ar sunt elemente p. Elementele s și p formează principalele subgrupe din Tabelul Periodic.

Un al patrulea strat de electroni apare în atomii de potasiu și calciu, iar subnivelul 4s este umplut (Tabelul 4), deoarece are o energie mai mică decât subnivelul 3d. Pentru a simplifica formulele electronice grafice ale atomilor elementelor din perioada a patra: 1) să notăm formula electronică grafică convențională a argonului după cum urmează:
Ar;

2) nu vom descrie subniveluri care nu sunt umplute în acești atomi.

Tabelul 4 Structura învelișurilor electronice ale atomilor elementelor din perioada a patra

K, Ca - s-elemente incluse în principalele subgrupe. În atomii de la Sc la Zn, al treilea subnivel este umplut cu electroni. Acestea sunt elemente Zy. Ele sunt incluse în subgrupuri secundare, stratul lor electronic cel mai exterior este umplut și sunt clasificate ca elemente de tranziție.

Acordați atenție structurii carcaselor electronice ale atomilor de crom și cupru. În ele există o „eșec” a unui electron de la al 4-lea la al 3-lea subnivel, care se explică prin stabilitatea energetică mai mare a configurațiilor electronice rezultate Zd 5 și Zd 10:

În atomul de zinc, al treilea strat de electroni este complet - toate subnivelurile 3s, 3p și 3d sunt umplute în el, cu un total de 18 electroni.

În elementele care urmează zincului, al patrulea strat de electroni, subnivelul 4p, continuă să fie umplut: Elementele de la Ga la Kr sunt elemente p.

Atomul criptonului are un strat exterior (al patrulea) care este complet și are 8 electroni. Dar în total în al patrulea strat de electroni, după cum știți, pot fi 32 de electroni; atomul de cripton are încă subnivelurile 4d și 4f neumplute.

Pentru elementele din perioada a cincea, subnivelurile sunt completate în următoarea ordine: 5s-> 4d -> 5p. Și există și excepții asociate cu „eșecul” electronilor în 41 Nb, 42 MO etc.

În perioadele a șasea și a șaptea apar elemente, adică elemente în care subnivelurile 4f și, respectiv, 5f ale celui de-al treilea strat electronic exterior sunt umplute.

Elementele 4f se numesc lantanide.

Elementele 5f se numesc actinide.

Ordinea de umplere a subnivelurilor electronice în atomi de elemente din perioada a șasea: 55 Сs și 56 Ва - 6s elemente;

57 La... 6s 2 5d 1 - 5d element; 58 Ce - 71 Lu - 4f elemente; 72 Hf - 80 Hg - 5d elemente; 81 Tl— 86 Rn—6p elemente. Dar și aici există elemente în care ordinea de umplere a orbitalilor electronilor este „încălcată”, ceea ce, de exemplu, este asociat cu o mai mare stabilitate energetică a subnivelurilor f jumătate și complet umplute, adică nf 7 și nf 14. .

În funcție de subnivelul atomului umplut cu electroni, toate elementele, așa cum ați înțeles deja, sunt împărțite în patru familii sau blocuri electronice (Fig. 7).

1) s-Elemente; subnivelul b al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; elementele s includ hidrogen, heliu și elemente din principalele subgrupe ale grupelor I și II;

2) p-elemente; subnivelul p al nivelului exterior al atomului este umplut cu electroni; p elementele includ elemente ale principalelor subgrupe ale grupelor III-VIII;

3) d-elemente; subnivelul d al nivelului pre-extern al atomului este umplut cu electroni; Elementele d includ elemente ale subgrupurilor secundare ale grupelor I-VIII, adică elemente de plug-in decenii de perioade mari situate între elementele s și p. Se mai numesc si elemente de tranzitie;

4) elemente f, subnivelul f al celui de-al treilea nivel exterior al atomului este umplut cu electroni; acestea includ lantanide și actinide.

1. Ce s-ar întâmpla dacă principiul Pauli nu ar fi respectat?

2. Ce s-ar întâmpla dacă nu ar fi respectată regula lui Hund?

3. Realizați diagrame ale structurii electronice, formule electronice și formule electronice grafice ale atomilor următoarelor elemente chimice: Ca, Fe, Zr, Sn, Nb, Hf, Pa.

4. Scrieți formula electronică pentru elementul #110 folosind simbolul de gaz nobil corespunzător.

5. Ce este o „cufundare” a electronilor? Dați exemple de elemente în care se observă acest fenomen, notați-le formulele electronice.

6. Cum se determină apartenența unui element chimic la o anumită familie electronică?

7. Comparați formulele electronice electronice și grafice ale atomului de sulf. Ce informații suplimentare conține ultima formulă?

Algoritm pentru alcătuirea formulei electronice a unui element:

1. Determinați numărul de electroni dintr-un atom folosind Tabelul periodic al elementelor chimice D.I. Mendeleev.

2. Pe baza numărului perioadei în care se află elementul, determinați numărul de niveluri de energie; numărul de electroni din ultimul nivel electronic corespunde numărului de grup.

3. Împărțiți nivelurile în subnivele și orbitali și umpleți-le cu electroni în conformitate cu regulile de umplere a orbitalilor:

Trebuie reținut că primul nivel conține maximum 2 electroni 1s 2, pe al doilea - maximum 8 (două sși șase R: 2s 2 2p 6), pe a treia - maximum 18 (două s, șase p, și zece d: 3s 2 3p 6 3d 10).

• Numărul cuantic principal n ar trebui să fie minimă.
• Primul care trebuie să umple s- subnivel, atunci р-, d- b f- subniveluri.
• Electronii umplu orbitalii în ordinea creșterii energiei orbitalilor (regula lui Klechkovsky).
• În cadrul unui subnivel, electronii ocupă mai întâi orbitalii liberi unul câte unul și abia după aceea formează perechi (regula lui Hund).
• Nu pot exista mai mult de doi electroni într-un orbital (principiul Pauli).

Exemple.

1. Să creăm formula electronică a azotului. Azotul este numărul 7 în tabelul periodic.

2. Să creăm formula electronică pentru argon. Argonul este numărul 18 în tabelul periodic.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6.

3. Să creăm formula electronică a cromului. Cromul este numărul 24 în tabelul periodic.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5

Diagrama energetică a zincului.

4. Să creăm formula electronică a zincului. Zincul este numărul 30 în tabelul periodic.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10

Vă rugăm să rețineți că o parte a formulei electronice, și anume 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6, este formula electronică a argonului.

Formula electronică a zincului poate fi reprezentată ca: