Электронная структура атома

В электронной оболочке любого атома столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.

Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей. Образно говоря, если электронное облако атома сравнить с городом или улицей, где «живут» все электроны данного атома, то уровень можно сравнить с домом, подуровень — с квартирой, а орбиталь — с комнатой для электронов. Все орбитали какого-нибудь подуровня имеют одинаковую энергию. На s-подуровне всего одна «комната» — орбиталь. На p-подуровне 3 орбитали, на d-подуровне 5, а на f-подуровне — целых 7 орбиталей. В каждой «комнате» -орбитали могут «жить» один или два электрона. Запрещение электронам находиться более чем по двое на одной орбитали называют запретом Паули — по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. Каждый электрон в атоме имеет свой «адрес», который записывается набором четырех квантовых чисел. Главное квантовое число n в «адресе» электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон находится. Электронная структура атома алюминия с n = 3 записывается следующим образом: 13 Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 .

Существует условное изображение электронных уровней и подуровней, называемое орбитальной диаграммой. На такой диаграмме орбитали условно изображаются квадратиками или черточками, а электроны — стрелочками. Если стрелочки направлены в разные стороны, это означает, что электроны различаются между собой особым свойством, которое называется спином электрона.

Данную систему можно назвать «гостиницей», в которую по одному «залетают» электроны и «поселяются» на определенный уровень n (1, 2, 3…), определенный подуровень (s, p, d, f). В одну «комнату» (орбиталь) может поселиться не более двух электронов (правило Паули). Поскольку s-комната (s-орбиталь) одна, то s-электронов максимум два (s2); p-комнат (p-орбиталей) — три, то p-электронов максимум шесть (p6); d-комнат (d-орбиталей) — пять, то d-электронов максимум десять (d10); f-комнат (f-орбиталей) — семь, то f-электронов максимум четырнадцать (f14). Заполнения электронов в пределах одного подуровня происходят согласно правилу Гунда — «сначала расселяем, а затем уплотняем». Согласно этому правилу электроны предпочитают расселяться на одинаковых по энергии орбиталях (например, на трех p-орбиталях) сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами с противоположно направленными спинами, то такие электроны называют спаренными.

Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, dи f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

Как заполняются электронные уровни, подуровни и орбитали по мере усложнения атома.

Если говорить более строго, то относительное расположение подуровней обусловлено не столько их большей или меньшей энергией, сколько требованием минимума полной энергии атома.

Распределение электронов по атомным орбиталям происходит, начиная с орбитали, имеющей наименьшую энергию (принцип минимума энергии), т. е. электрон садится на ближайшую к ядру орбиталь. Это значит, что сначала заполняются электронами те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел (n + l) была минимальной. Так энергия электрона на 4s-подуровне меньше энергии электрона, находящегося на 3d-подуровне. Следовательно, заполнение электронами подуровней происходит в следующем порядке: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d ~ 4f < 6p < 7s < 6d ~ 5f < 7p.

Исходя из этого требования, минимум энергии достигается у большинства атомов тогда, когда их подуровни заполняются в показанной выше последовательности. Но есть и исключения, которые вы можете найти в таблицах «Электронные конфигурации элементов», однако эти исключения редко приходится принимать во внимание при рассмотрении химических свойств элементов.

Атом хрома имеет электронную конфигурацию не 4s2 3d4, a 4s1 3d5. Это является примером того, как стабилизация состояний с параллельными спинами электронов преобладает над незначительной разницей энергетических состояний подуровней 3d и 4s (правила Гунда), то есть энергетически выгодными состояниями для d-подуровня являются d5 и d10. Энергетические диаграммы валентных подуровней атомов хрома и меди представлены на рис. 2.1.1.

Подобный переход одного электрона с s-подуровня на d-подуровень происходит еще у 8 элементов: Cu, Nb, Mo, Ru, Ag, Pt, Au. У атома Pd происходит переход двух s-электронов на d-подуровень: Pd 5s04d10.

Рис. 2.1.1. Энергетические диаграммы валентных подуровней атомов хрома и меди

Правила заполнения электронных оболочек:

• 1. Сначала выясняем, сколько всего электронов содержит атом интересующего нас элемента. Для этого достаточно знать заряд его ядра, который, всегда равен порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева. Порядковый номер в точности равен и числу электронов во всем атоме.
• 2. Последовательно заполняем орбитали, начиная с 1s-орбитали, имеющимися электронами, учитывая принцип минимальной энергии. При этом нельзя располагать на каждой орбитали более двух электронов с противоположно направленными спинами (правило Паули).
• 3. Записываем электронную формулу элемента.

Атом — это сложная, динамически устойчивая микросистема взаимодействующих частиц: протонов р+, нейтронов n0 и электронов е-.

Рис. 2.1.2. Заполнение энергетических уровней электронами элемента фосфора

Электронную структуру атома водорода (z=1) можно изобразить следующим образом:

+1Н 1s1, n = 1^, где квантовая ячейка (атомная орбиталь) обозначается в виде линии или квадрата, а электроны — в виде стрелок.

Каждый атом последующего химического элемента в периодической системе представляет собой многоэлектронный атом.

Запись электронной формулы проще показать на конкретном примере. Допустим, нам надо выяснить электронную формулу элемента с порядковым номером 7. В атоме такого элемента должно быть 7 электронов. Заполним орбитали семью электронами, начиная с нижней 1s-орбитали.

Итак, 2 электрона расположатся на 1s-орбитали, еще 2 электрона — на 2s-орбитали, а оставшиеся 3 электрона смогут разместиться на трех 2p-орбиталях.

Рассмотрим действие правила Гунда на примере атома азота: N 1s2 2s2 2p3. На 2-м электронном уровне есть три одинаковых p-орбитали: 2px, 2py, 2pz. Электроны заселят их так, что на каждой из этих p-орбиталей окажется по одному электрону. Объясняют это тем, что в соседних ячейках электроны меньше отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные частицы. Полученная нами электронная формула азота несет очень важную информацию: 2-й (внешний) электронный уровень азота заполнен электронами не до конца (на нем 2 + 3 = 5 валентных электронов) и до полного заполнения не хватает трех электронов.

Внешним уровнем атома называется самый далекий от ядра уровень, на котором есть валентные электроны. Именно эта оболочка соприкасается при столкновении с внешними уровнями других атомов в химических реакциях. При взаимодействии с другими атомами азот способен принять 3 дополнительных электрона на свой внешний уровень. При этом атом азота получит завершенный, то есть максимально заполненный внешний электронный уровень, на котором расположатся 8 электронов.

Завершенный уровень энергетически выгоднее незавершенного, поэтому атом азота должен легко реагировать с любым другим атомом, способным предоставить ему 3 дополнительных электрона для завершения его внешнего уровня.

Рис. 2.1.3. Заполнение энергетических уровней у s-, p-, dи fэлементов электронами

Склонность атомов к отдаче и присоединению электронов.

Известно, что склонность атома отдавать свои и присоединять чужие электроны зависит от его энергетических характеристик (энергии ионизации и энергии сродства к электрону). Какие же атомы более склонны отдавать свои электроны, а какие — принимать чужие?

Энергией ионизации I называют минимальное значение энергии, необходимое для удаления электрона из атома, А c образованием положительного иона (катиона): А + I > А+ + е;

Сродством к электрону F называется энергия, которая выделяется при присоединении к нейтральному атому, А электрона с образованием отрицательного иона (аниона): А + е- > A- + F.

Характеристика, которая отражает способность атома в молекуле, оттягивать на себя электронную плотность других атомов называется электроотрицательностью атома (ЭО). Она возрастает у атомов в периодической системе Д. И. Менделеева в периодах слева направо и в группах — снизу вверх.

Наиболее склонны отдавать свои электроны атомы элементов I группы и особенно атомы цезия (самые большие). Наиболее склонны принимать чужие электроны атомы элементов VII группы и особенно атомы фтора и хлора (самые маленькие). Атомы благородных газов не склонны ни отдавать электроны, ни принимать их.

Cпособность атомов отдавать электроны.

Во-первых, в химических реакциях атом может отдавать только валентные электроны, так как отдавать остальные энергетически крайне невыгодно. Во-вторых — атом «легко» отдает (если склонен) только первый электрон. Второй электрон он отдает значительно труднее (в 2−3 раза), а третий — еще труднее (в 4−5 раз). Таким образом, атом может отдать один, два и, значительно реже, три электрона.

А сколько электронов атом может принять?

Во-первых, в химических реакциях атом может принимать электроны только на валентные подуровни. Во-вторых, выделение энергии происходит только при присоединении первого электрона (и то далеко не всегда). Присоединение второго электрона всегда энергетически невыгодно, а третьего — тем более. Тем не менее, атом может присоединить один, два и (крайне редко) три электрона, как правило, столько, сколько ему не хватает для заполнения своих валентных подуровней.

Энергетические затраты на ионизацию атомов и на присоединение к ним второго или третьего электрона компенсируются за счет энергии, выделяющейся при образовании химических связей.

В результате потери или присоединения электронов атом перестает быть электронейтральным и превращается в заряженную частицу, называемую ионом. В табл.2.1.2. представлены примеры образования заряженных частиц из электронейтральных атомов.

Таблица 2.1.2. Примеры образования ионов за счет отдачи или присоединения электронов атомами.

Na0 — e- = Na+. [He]3s1>[He] 3s0.	F0 + e- = F;
Ba0 — 2e- = Ba2+. [He]6s2>[He] 6s0.	O0 + 2e- = O2;
Al0 — 3e- = Al3+. [Ne]3s2 3p1>[Ne] 3s03p0.	I0 + e- = I;
Mn0 — 2e- = Mn2+.	N0 + 3e- = N3;

Определите количество протонов и нейтронов в ядре атома платины.

При бомбардировке нейтронами изотопов B и Mn выделяется частица и образуются изотопы Li и V. Составьте в полной и сокращенной формах уравнения протекающих ядерных реакций.

Электрон в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, ml = 0. Какая форма записи отражает энергетическое состояние электрона?

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d; 6s или 5p и почему?

Заряды ядер элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, а свойства простых веществ повторяются периодически. Как это объяснить?

Почему водород в периодической системе обычно помещают либо в первой группе и в то же время в скобках в седьмой, либо в седьмой группе и в то же время в скобках в первой. Приведите примеры реакций, доказывающих двойственную химическую природу водорода.

Чем обусловлена высокая химическая активность щелочных металлов? Составьте электронные схемы строения атомов натрия и цезия. У какого из этих элементов ярче выражены металлические свойства и почему?

Составить электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Показать распределение электронов этих атомов по атомным электронным орбиталям.

Составить электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Какой подуровень заполняется в атоме электронами после заполнения подуровня 4р? Ответ объяснить.

Какую высшую и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

У какого из элементов четвертого периода — марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

При бомбардировке нейтронами изотопов B и Mn выделяется частица и образуются изотопы Li и V. Составьте в полной и сокращенной формах уравнения протекающих ядерных реакций.

Электрон в атоме характеризуется набором квантовых чисел: n = 3, l = 1, ml = 0. Какая форма записи отражает энергетическое состояние электрона?

Какой энергетический подуровень заполняется электронами раньше: 5s или 4d; 6s или 5p и почему?

Составьте электронные формулы атомов элементов № 20 и № 53. На каких энергетических уровнях и подуровнях находятся валентные электроны?

Составить электронную формулу элемента с порядковым номером 82. По форме записи определить, в каком периоде и группе находится данный элемент, и какому семейству он принадлежит. Составить графическую схему заполнения электронами валентных орбиталей атома этого элемента в нормальном и возбужденном состояниях.

Напишите электронные формулы атомов углерода и серы и формулы соединений их с кислородом и водородом.

Изобразите электронные и электронно-графические формулы атомов 5 В и 21Sc. Укажите валентные электроны. К какому семейству относятся атомы данных элементов?

Рассчитайте среднюю массу атома хлора.

Из какого числа атомов состоят 1 г и 1 см³ магния?

Указать возможные степени окисления элемента 9 °F? Докажите на основании электронной конфигурации данного атома.

Указать возможные степени окисления элемента 32Ge? Докажите на основании электронной конфигурации данного атома.

Какой инертный газ и ионы каких элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию с частицей, возникающей в результате удаления из атома кальция всех валентных электронов?

Могут ли электроны иона Аl3+ находиться на следующих орбиталях: а) 2р; б) 1р; в) 3d?

Напишите электронную конфигурацию атома неона в первом возбужденном состоянии.

Каков состав ядер изотопов 12C и 13C, 14N и 15N?

У какого из перечисленных ниже соединений наименее выражены кислотные свойства?

А) HNO3, б) H3PO4, в) H3AsO4, г) H3SbO4.