Хімія · Будова речовини
Електронна будова атома: рівні, підрівні, орбіталі й електронні формули
Електронну формулу атома складають, заповнюючи підрівні в порядку зростання енергії: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d. З неї видно число рівнів, кількість електронів на зовнішньому рівні та неспарених електронів, а отже — валентність і типові ступені окиснення елемента.
Авторський матеріал Тями · оновлено
Рівні, підрівні й орбіталі
Електрони в атомі розташовані на енергетичних рівнях, номер яких збігається з номером періоду. Рівень складається з підрівнів (s, p, d), а підрівень — з орбіталей. На кожній орбіталі може бути не більше двох електронів із протилежними спінами. Максимальна кількість електронів на рівні з номером n дорівнює 2n².
| Підрівень | Кількість орбіталей | Максимум електронів | Форма орбіталі |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | сфера |
| p | 3 | 6 | гантель; три орбіталі взаємно перпендикулярні |
| d | 5 | 10 | складніша форма |
Перший рівень має лише s-підрівень, другий — s і p, третій — s, p і d.
Як складати електронну формулу
- заповнюй підрівні в послідовності 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p: на s-підрівні вміщується 2 електрони, на p — 6, на d — 10;
- за правилом Гунда електрони на підрівні спершу займають усі орбіталі по одному з однаковим спіном і лише потім утворюють пари;
- у записі формули підрівні впорядковують за номером рівня: 3d пишуть перед 4s, хоча 4s заповнюється раніше.
| Елемент | Електронна формула | Електронів на зовнішньому рівні |
|---|---|---|
| Li (Z = 3) | 1s²2s¹ | 1 |
| C (Z = 6) | 1s²2s²2p² | 4 |
| O (Z = 8) | 1s²2s²2p⁴ | 6 |
| Cl (Z = 17) | 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ | 7 |
| Ca (Z = 20) | 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² | 2 |
Неспарені електрони, валентність, збуджений стан
Валентність визначається кількістю неспарених електронів. У Карбону в основному стані 2s²2p² — два неспарені електрони, але в збудженому стані 2s¹2p³ їх чотири, тому Карбон чотиривалентний. У Нітрогену на другому рівні немає вільних орбіталей для збудження, тож його максимальна валентність дорівнює IV, а не V; ступінь окиснення +5 (у HNO₃) — це інша характеристика. У Сульфуру й Хлору на третьому рівні є d-підрівень, тому можливі збуджені стани: для Сульфуру 3s²3p³3d¹ (валентність IV) і 3s¹3p³3d² (валентність VI).
Електронні формули йонів
Катіон утворюється, коли атом віддає електрони із зовнішнього рівня, аніон — коли приєднує. Na⁺ має конфігурацію Неону (1s²2s²2p⁶), а Cl⁻ — Аргону (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶). Атоми d-елементів електрони віддають насамперед із 4s-підрівня: Fe²⁺ має кінець формули …3d⁶, Fe³⁺ — …3d⁵ (п’ять неспарених електронів, стійка конфігурація). У періоді зліва направо радіус атома зменшується, а в групі згори вниз зростає.
Розібрані приклади
Спробуй розв’язати сам, а потім відкрий розв’язання. Це авторські приклади, а не завдання з тренувань.
Приклад 1
Запишіть електронну формулу Сульфуру й визначте кількість неспарених електронів в основному та збуджених станах.
Показати розв’язанняСховати розв’язання
- Z = 16: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.
- На 3p-підрівні чотири електрони: одна орбіталь заповнена парою, дві — по одному електрону. Неспарених 2.
- Збудження 3p → 3d дає 3s²3p³3d¹: чотири неспарені електрони (валентність IV); збудження ще й 3s → 3d дає 3s¹3p³3d²: шість неспарених (валентність VI).
Відповідь: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴; неспарених 2, 4 і 6.
Приклад 2
Скільки енергетичних рівнів заповнено в атомі Хлору й скільки електронів на зовнішньому рівні?
Показати розв’язанняСховати розв’язання
- Z = 17: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ — заповнено три рівні (Хлор у 3-му періоді).
- На зовнішньому (третьому) рівні 2 + 5 = 7 електронів.
Відповідь: три рівні; сім електронів.
Типові помилки
- Вважати, що 3d заповнюється раніше за 4s: спершу заповнюється 4s.
- Віднімати електрони в катіонів Феруму з 3d-підрівня замість 4s.
- Порушувати правило Гунда: ставити пару електронів на одну орбіталь, коли поряд є вільні.
- Вважати Нітроген п’ятивалентним: його валентність IV, а +5 — ступінь окиснення.
- Плутати номер періоду (кількість рівнів) і номер групи (кількість електронів на зовнішньому рівні для елементів головних підгруп).
- Думати, що на p-підрівні три електрони: орбіталей три, а електронів до шести.