Как составить электронную формулу элементов 4 периода

Задача 56.
Напишите электронно-графическую формулу для элементов 4-го периода, определите их валентные электроны и охарактеризуйте их с помощью квантовых чисел.
Решение:
Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов nl^x, где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f), x – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n+1 (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s►2s►2р►3s►3р►4s►3d►4р►5s►4d►5р►6s►(5d1)►4f►5d►6р►7s►(6d1-2)►5f►6d►7р

а) Элемент № 19
Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для 19 элемента — калия (К – порядковый № 19) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

Валентный электрон калия 4s¹ — находятся на 4s-подуровне На валентной орбитали атома К находится 1 электрон. Поэтому элемент помещают в первую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

б) Элемент № 20
Для элемента № 20 — кальция (Са – порядковый № 20) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Валентные электроны кальция 4s² — находятся на 4s-подуровне На валентной орбитали атома Са находятся 2 электрона. Поэтому элемент помещают во вторую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

в) Элемент № 21
Для элемента № 21 — скандия (Са – порядковый № 21) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Валентные электроны скандия 4s² 3d¹ — находятся на 4s— и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Sc находится 3 электрона. Поэтому элемент помещают в третью группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

г) Элемент № 22
Для элемента № 22 — титана (Ti – порядковый № 22) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²

Валентные электроны скандия 4s² 3d² — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Ti находится 4 электрона. Поэтому элемент помещают в четвертую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

д) Элемент № 23
Для элемента № 23 — ванадия (V – порядковый № 23) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³

Валентные электроны скандия 4s² 3d³ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома V находится 5 электронов. Поэтому элемент помещают в пятую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

е) Элемент № 24
Для элемента- хрома (Cr – порядковый № 24) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵

Валентные электроны хрома 4s¹ 3d⁵ — находятся на 4s- и 3-подуровнях. На валентных орбиталях атома Cr находится 6 электронов. Поэтому элемент помещают в шестую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
У атома хрома один электрон с 4s-подуровня переходит на 3d-подуровень и при этом атом хрома приобретает более устойчивое состояние 4s¹ 3d⁵, чем 4s² 3d⁴. Объясняется это тем, что энергетически выгоднее для атома хрома когда на 3d-подуровне будет находиться не 4 а 5 электронов — все ячейки заполнены по одному электрону. Таким образом, атому хрома энергетически выгоднее валентная электроная конфигурация 4s¹ 3d⁵, а не 4s² 3d⁴.
 

---

ж) Элемент № 25 — марганец (Mn – порядковый № 25) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵

Валентные электроны марганца 4s² 3d⁵ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Mn находится 7 электронов. Поэтому элемент помещают в седьмую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

з) Элемент № 26 — железо (Fe – порядковый № 26) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

Валентные электроны железа 4s² 3d⁶ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Fe находится 8 электронов. Поэтому элемент помещают в восьмую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

к) Элемент № 27 — собальт (Со – порядковый № 27) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁷

Валентные электроны собальта 4s² 3d⁷ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Со находится 9 электронов. Поэтому элемент помещают в девятую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

л) Элемент № 28 — никель (Ni – порядковый № 28) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸

Валентные электроны никеля 4s² 3d⁸ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Ni находится 10 электронов. Поэтому элемент помещают в десятую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

м) Элемент № 29 — меди (Cu – порядковый № 29) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰

Валентные электроны меди 4s¹ 3d¹⁰ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Cu находится 11 электронов. Поэтому элемент помещают в одиннадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
У атома меди наблюдается проскок («провал»): один электрон 4s-подуровня переходит на 3d-подуровень. Это объясняется тем, что состояние атома считается более энергетически выгодным, если на d-подуровне находится не 9, а 10 электронов. Потому что энергетически более выгоднее для атома меди когда заполнены все пять d-ячеек на 3d-подуровне, но не тогда когда четыре d-ячейки заполнены, а на пятой только один электрон. Для заполнения пятой d-ячейки 3d-подуровня один электрон 4s-подуровня переходит на 3d-подуровнь, как бы «проваливается«. Таким образом, атому меди энергетически выгоднее валентная электроная конфигурация 4s¹ 3d¹⁰, а не 4s² 3d⁹.
 

---

н) Элемент № 30 — цинка (Zn – порядковый № 30) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰

Валентные электроны цинка 4s² 3d¹⁰ — находятся на 4s- и 3d-подуровнях. На валентных орбиталях атома Zn находится 12 электронов. Поэтому элемент помещают в двенадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

о) Элемент № 31 — галлий (Ga – порядковый № 31) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р¹

Валентные электроны галлия 4s² 3d¹⁰ 4р¹ — находятся на 4s-, 3d- и 4р-подуровнях. На валентных орбиталях атома Ga находится 13 электронов. Поэтому элемент помещают в тринадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

п) Элемент № 32 — германий (Ge – порядковый № 32) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р²

Валентные электроны германия 4s² 3d¹⁰ 4р² — находятся на 4s-, 3d- и 4р-подуровнях. На валентных орбиталях атома Gе находится 14 электронов. Поэтому элемент помещают в четырнадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

р) Элемент № 33 — мышьяк (As – порядковый № 33) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р³

Валентные электроны мышьяка 4s² 3d¹⁰ 4р³ — находятся на 4s-, 3d- и 4р-подуровнях. На валентных орбиталях атома As находится 15 электронов. Поэтому элемент помещают в пятнадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

с) Элемент № 34 — селен (Se – порядковый № 34) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁴

Валентные электроны селена 4s² 3d¹⁰ 4р⁴ — находятся на 4s-, 3d- и 4р-подуровнях. На валентных орбиталях атома Se находится 16 электронов. Поэтому элемент помещают в шестнадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

с) Элемент № 35 — бром (Br – порядковый № 35) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁵

Валентные электроны брома 4s² 3d^{10 4}р⁵ — находятся на 4s-, 3d- и 4р-подуровнях. На валентных орбиталях атома Br находится 17 электронов. Поэтому элемент помещают в семнадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.
 

---

т) Элемент № 36 — криптон (Kr – порядковый № 36) электронная формула имеет вид: 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶

Валентные электроны криптона 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ — находятся на 4s-, 3d- и 4р-подуровнях. На валентных орбиталях атома Kr находится 18 электронов. Поэтому элемент помещают в восемнадцатую группу периодической системы Д.И.Менделеева.

---

                                                                              
 Методика                                
(Малыхина Н.В.)

  
       составления электронных формул   атомов элементов с IV
периода                                                         
ПСХЭ (кроме формул лантаноидов и актиноидов)

1)     
Определить порядковый № элемента, №
периода, № группы, подгруппу

2)     
На первых трёх уровнях, если на четвертом уровне
> 2е, а также у Cu, Zn  пишем  2е  8е  18е

3)     
Для элементов главных подгрупп число е на
внешнем энергетическом уровне совпадает            с № группы; в побочных
подгруппах, у d-элементов — 2е, если нет
«провала» е 

4)     
Если это d-элемент
побочной подгруппы, проверьте, есть   или   нет  «провал» е  на   наружном
энергетическом уровне.                                                                                                               «Провалы»
(11 d – элементов): 
 1 е – Cr 
Fe 
Cu 
Ag 
Nb 
Mo 
Ru 
Rh 
Pt 
Au 
Ds 
                                         0 е – Pd                                       
     2 e
– у остальных d-элементов

5)     
При составлении электронной схемы написать
– 32 е;

а)
на 4 энергетическом уровне, если элемент стоит в 6 периоде после La

б)
на 4 и 5 энергетических уровнях, если элемент стоит в 7 периоде после Ac

6) 
Число е на предпоследней оболочке надо найти вычитанием от порядкового

     
№ элемента суммы известных е, а в чётных рядах больших периодов всегда –
18 е

Пример:    
 Написать электронные формулы следующих элементов: Os  Sn 
Mo 
Db Ds

 а)
№ 76 Os –
осмий, 6 период, 8 группа, побочная
подгруппа, «провала»  е  нет

                                                                                                                                         
                                         + 76   2e   8e 
 18e   32е  ?е  2е
          76
— 62 = 14          ? = 14е
 т.е.
 s²p⁶d⁶

         
 1s²
  2s²2p⁶   3s²3p⁶3d¹⁰   
4s²4^p64d¹⁰4f¹⁴   5s²5p⁶5d⁶  
6s²

б)
№ 42 Мо – молибден,
5 период, 6 группа,
побочная подгруппа, есть «провал» е

+42  
2е   8е   18е    ?е
  1е         42-29=13       ? = 13е,  т.е.   s²p⁶d⁵

         
1s²  
2s² 2p⁶   3s² 3p⁶ 3d¹⁰  
4s²4p⁶4d⁵   5s¹

в)
№ 50 Sn
– олово, 5 период, 4группа, главная подгруппа, на внеш. энерг. уровне
– 4е

+50   
2е    8е
  18е 
?е  4е      
50 – 32 =18      ? =
18,
 т.е.
 s²p⁶d¹⁰

        
1s²
  2s² 2p⁶   3s² 3p⁶ 3d¹⁰   4s²
4p⁶ 4d¹⁰   5s² 5p²

г)
№ 105 Db –
дубний, 7 период, 5 группа, побочная подгруппа, «провала»  е  нет

+105 
 2e
  8e   18e  32e  32e  ?e
 2e     105 – 94 = 11     ?
= 11,  т.е.
 s²p⁶d³

         
1s²    2s² 2p⁶    3s² 3p⁶
3d¹⁰    4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴    5s²
5p⁶ 5d¹⁰ 5f¹⁴    6s² 6p⁶
6d³   7s²

д)
№ 110 Ds – дармштадтий,
7 период, 8 группа, побочная подгруппа, «провал» е  есть

+110 
2е   8е   18е   32е   32е   ?е   1е      110 – 93 =17        ? =
17,  т.е.  s²p⁶d⁹

1s²   
2s² 2p⁶    3s² 3p⁶ 3d¹⁰    4s²
4p6 4d¹⁰ 4f¹⁴    5s² 5p6 5d¹⁰ 5f¹⁴    
 6s² 6p⁶ 6d⁹   7s¹ 

Была ли эта статья полезной?

Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Строение атома» (задание 1 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Одну из первых моделей строения атома — «пудинговую модель» — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве. Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная. Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.

И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.

Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.

Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.

Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

При этом электроны двигаются не по определенной орбите, как предполагал Резерфорд, а довольно хаотично. Совокупность электронов, которые двигаются вокруг ядра, называется электронной оболочкой.

Атомное ядро, как доказал Резерфорд — массивное и положительно заряженное, расположено в центральной части атома. Структура ядра довольно сложна, и изучается в ядерной физике. Основные частицы, из которых оно состоит — протоны и нейтроны. Они связаны ядерными силами (сильное взаимодействие).

Рассмотрим основные характеристики протонов, нейтронов и электронов:

	Протон	Нейтрон	Электрон
Масса	1,00728 а.е.м.	1,00867 а.е.м.	1/1960 а.е.м.
Заряд	+ 1 элементарный заряд	0	— 1 элементарный заряд

1 а.е.м. (атомная единица массы) = 1,66054·10^-27 кг

1 элементарный заряд = 1,60219·10^-19 Кл

И — самое главное. Периодическая система химических элементов, структурированная Дмитрием Ивановичем Менделеевым, подчиняется простой и понятной логике: номер атома — это число протонов в ядре этого атома. Причем ни о каких протонах Дмитрий Иванович в XIX веке не слышал. Тем гениальнее его открытие и способности, и научное чутье, которое позволило перешагнуть на полтора столетия вперёд  в науке.

Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов N_p, т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов. 

Атом — это электронейтральная частица, следовательно, число протонов N_p равно числу электронов N_e:

N_e = N_p = Z.

Масса атома (массовое число A) примерно равна суммарной массе крупных частиц, которые входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нейтрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу, связывающую массовое число М число протонов N_p и число нейтронов N_n:

M = N_p + N_n

Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.

Обратите внимание! При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5.

Таким образом, рассчитать число нейтронов в атоме можно, вычтя из массового числа номер атома: N_n = M – Z.

В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.

Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:

1. У изотопов одного элемента массовое число одинаковое или разное?
2. У изотопов одно элемента число протонов одинаковое или разное?

Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.

Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:

Еще немного вопросов:

3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.

4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.

Строение  электронной оболочки

Согласно квантовой модели строение атома Нильса Бора, электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, удаленным от ядра на определенное расстояние и характеризующиеся определенной энергией. Другое название стационарны орбит — электронные слои или энергетические уровни.

Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.

В одном слое электроны могут двигаться по разным траекториям. Траекторию орбиты характеризует электронный подуровень. Тип подуровня характеризует орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, 3 …, либо соответствующие буквы — s, p, d, g и др.

В рамках одного подуровня (электронных орбиталей одного типа) возможны варианты расположения орбиталей в пространстве. Чем сложнее геометрия орбиталей данного подуровня, тем больше вариантов их расположения в пространстве. Общее число орбиталей подуровня данного типа l можно определить по формуле: 2l+1. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

Тип орбитали	s	p	d	f	g
Значение орбитального квантового числа l	0	1	2	3	4
Число атомных орбиталей данного типа 2l+1	1	3	5	7	9
Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа	2	6	10	14	18

Получаем сводную таблицу:

Номер уровня, n	Подуровень	Число АО	Максимальное количество электронов
1	1s	1	2
2	2s	1	2
2p	3	6
3	3s	1	2
3p	3	6
3d	5	10
4	4s	1	2
4p	3	6
4d	5	10
4f	7	14

Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.

Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).

Правило Хунда. На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону. Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.

Таким образом, сумма спиновых квантовых чисел таких электронов на одном энергетическом подуровне (оболочке) будет максимальной.

Например, заполнение 2р-орбитали тремя электронами будет происходить так: , а не так: 

Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n.

АО	1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p	4d	4f	5s	5p	5d	5f	5g
n	1	2	2	3	3	3	4	4	4	4	5	5	5	5	5
l	0	0	1	0	1	2	0	1	2	3	0	1	2	3	4
n + l	1	2	3	3	4	5	4	5	6	7	5	6	7	8	9

Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:

1s < 2s < 2 p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f~5d < 6p < 7s <5f~6d …

Электронную структуру атома можно представлять в разных формах — энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.

Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.

Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:

Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s² означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.

Например, электронная формула углерода выглядит так: 1s²2s²2p².

Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую  электронную конфигурацию.

Например, электронную формулу азота можно записать так: 1s²2s²2p³ или так: [He]2s²2p³.

1s² = [He]

1s²2s²2p⁶ = [Ne]

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ = [Ar] и так далее.

Электронные формулы элементов первых четырех периодов

Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:

+1H 1s¹      1s 

У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:

+2He 1s²      1s  

Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:

+3Li 1s²2s¹      1s     2s 

У бериллия 2s-подуровень заполнен:

+4Be 1s²2s²      1s    2s 

Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:

+5B 1s²2s²2p¹      1s    2s     2p 

У следующего элемента, углерода, очередной электрон, согласно правилу Хунда, заполняет вакантную орбиталь, а не заполняет частично занятую:

+6C 1s²2s²2p²      1s    2s     2p 

Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя  по ответам конце статьи:

5. Азот

6. Кислород

7. Фтор

У неона завершено заполнение второго энергетического уровня: 

+10Ne 1s²2s²2p⁶      1s    2s     2p 

У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:

+11Na 1s²2s²2p⁶3s¹      1s    2s     2p      3s 

От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.

8. Магний

9. Алюминий

10. Кремний

11. Фосфор

12. Сера

13. Хлор

14. Аргон

А вот начиная с 19-го элемента, калия, иногда начинается путаница — заполняется не 3d-орбиталь, а 4s. Ранее мы упоминали в этой статье, что заполнение энергетических уровней и подуровней электронами происходит по энергетическому ряду орбиталей, а не по порядку. Рекомендую повторить его еще раз. Таким образом, формула калия:

+19K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹1s 2s 2p3s 3p4s

Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:

 +19K   [Ar]4s¹    [Ar] 4s 

У кальция 4s-подуровень заполнен:

+20Ca   [Ar]4s²    [Ar] 4s

У элемента 21, скандия, согласно энергетическому ряду орбиталей, начинается заполнение 3d-подуровня:

+21Sc   [Ar]3d¹4s²    [Ar] 4s    3d 

Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия:

+22Ti   [Ar]3d²4s²    [Ar] 4s    3d

+23V   [Ar]3d³4s²      [Ar] 4s    3d 

Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:

+24Cr   [Ar]3d⁵4s¹      [Ar] 4s  3d 

В чём же дело? А дело в том, что при «традиционном» порядке заполнения орбиталей (соответственно, неверном в данном случае — 3d⁴4s²) ровно одна ячейка в d-подуровне оставалась бы незаполненной. Оказалось, что такое заполнение энергетически менее выгодно. А более выгодно, когда d-орбиталь заполнена полностью, хотя бы единичными электронами. Этот лишний электрон переходит с 4s-подуровня. И небольшие затраты энергии на перескок электрона с 4s-подуровня с лихвой покрывает энергетический эффект от заполнения всех 3d-орбиталей. Этот эффект так и называется — «провал» или «проскок» электрона. И наблюдается он, когда d-орбиталь недозаполнена на 1 электрон (по одному электрону в ячейке или по два).

У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца:

+25Mn   [Ar]3d⁵4s²

Аналогично у кобальта и никеля. А вот у меди мы снова наблюдаем провал (проскок) электрона — электрон опять проскакивает с 4s-подуровня на 3d-подуровень:

+29Cu   [Ar]3d¹⁰4s¹

На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:

+30Zn   [Ar]3d¹⁰4s²

У следующих элементов, от галлия до криптона, происходит заполнение 4p-подуровня по квантовым правилам. Например, электронная формула галлия:

+31Ga   [Ar]3d¹⁰4s²4p¹

Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно.

Некоторые важные понятия:

Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны.

Например, у меди   ([Ar]3d¹⁰4s¹) внешний энергетический уровень — четвёртый.

Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвовать в образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr   [Ar]3d⁵4s¹) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s¹), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.

Основное и возбужденное состояние атома

Электронные формулы, которые мы составляли до этого, соответствуют основному энергетическому состоянию атома. Это наиболее выгодное энергетически состояние атома.

Однако, чтобы образовывать химические связи, атому в большинстве ситуаций необходимо наличие неспаренных (одиночных) электронов.  А химические связи энергетически очень для атома выгодны. Следовательно, чем больше в атоме неспаренных электронов  — тем больше связей он может образовать, и, как следствие, перейдёт в более выгодное энергетическое состояние.

Поэтому при наличии свободных энергетических орбиталей на данном уровне спаренные пары  электронов могут распариваться, и один из электронов спаренной пары может переходить на вакантную орбиталь. Таким образом число неспаренных электронов увеличивается, и атом может образовать больше химических связей, что очень выгодно с точки зрения энергии. Такое состояние атома называют возбуждённым и обозначают звёздочкой.

Например, в основном состоянии бор имеет следующую конфигурацию энергетического уровня:

+5B 1s²2s²2p¹      1s    2s     2p 

На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):

+5B* 1s²2s¹2p²      1s    2s     2p

Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!

15. Углерода

16. Бериллия

17. Кислорода

Электронные формулы ионов

Атомы могут отдавать и принимать электроны. Отдавая или принимая электроны, они превращаются в ионы.

Ионы — это заряженные частицы. Избыточный заряд обозначается индексом в правом верхнем углу.

Если атом отдаёт электроны, то общий заряд образовавшейся частицы будет положительный (вспомним, что число протонов в атоме равно числу электронов, а при отдаче электронов число протонов будет больше числа электронов). Положительно заряженные ионы — это катионы. Например: катион натрия образуется так:

+11Na 1s²2s²2p⁶3s¹      -1е = +11Na⁺ 1s²2s²2p⁶3s⁰

Если атом принимает электроны, то приобретает отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы — это анионы. Например, анион хлора образуется так:

+17Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵   +1e = +17Cl^— 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Таким образом, электронные формулы ионов можно получить добавив или отняв электроны у атома. Обратите внимание, при образовании катионов электроны уходят с внешнего энергетического уровня. При образовании анионов электроны приходят на внешний энергетический уровень.

Попробуйте составить самостоятельно электронный формулы ионов. Не забывайте проверять себя по ключам!

18. Ион Са²⁺

19. Ион S^2-

20. Ион Ni²⁺

В некоторых случаях совершенно разные атомы образуют ионы с одинаковой электронной конфигурацией. Частицы с одинаковой электронной конфигурацией и одинаковым числом электронов называют изоэлектронными частицами.

Например, ионы Na⁺ и F^—.

Электронная формула катиона натрия: Na⁺   1s²2s²2p⁶, всего 10 электронов.

Электронная формула аниона фтора: F^—   1s²2s²2p⁶, всего 10 электронов.

Таким образом, ионы Na⁺ и F^— — изоэлектронные. Также они изоэлектронны атому неона.

Тренажер по теме «Строение атома» — 10 вопросов, при каждом прохождении новые.

Ответы на вопросы:

1. У изотопов одного химического элемента массовое число всегда разное, т.к. массовое число складывается из числа протонов и нейтронов. А у изотопов различается число нейтронов.

2. У изотопов одного элемента число протонов всегда одинаковое, т.к. число протонов характеризует химический элемент.

3. Массовое число изотопа брома-81 равно 81. Атомный номер = заряд ядра брома = число протонов в ядре = 35. Вычитаем из массового числа число протонов, получаем 81-35=46 нейтронов.

4. Массовое число изотопа хлора равно 37. Атомный номер, заряд ядра и число протонов в ядре равно 17. Получаем число нейтронов = 37-17 =20.

5. Электронная формула азота:

+7N 1s²2s²2p³      1s    2s     2p 

6. Электронная формула кислорода:

+8О 1s²2s²2p⁴ 1s  2s  2p 

7. Электронная формула фтора:

8. Электронная формула магния:

+12Mg 1s²2s²2p⁶3s²      1s    2s     2p      3s

9. Электронная формула алюминия:

+13Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹     1s    2s   2p    3s   3p 

10. Электронная формула кремния:

+14Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²     1s    2s   2p    3s   3p

11. Электронная формула фосфора:

+15P 1s²2s²2p⁶3s²3p³     1s    2s   2p    3s   3p

12. Электронная формула серы:

+16S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴     1s    2s   2p    3s   3p

13. Электронная формула хлора:

14. Электронная формула аргона:

+18Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶     1s    2s   2p    3s   3p

15. Электронная формула углерода в возбуждённом состоянии:

+6C* 1s²2s¹2p³   1s    2s     2p

16. Электронная формула бериллия в возбуждённом состоянии:

+4Be 1s²2s¹2p¹      1s    2s    2p 

17. Электронная формула кислорода в возбуждённом энергетическом состоянии соответствует формуле кислорода в основном энергетическом состоянии, т.к. нет условий для перехода электрона — отсутствуют вакантные энергетические орбитали.

18. Электронная формула иона кальция Са²⁺: +20Ca²⁺   1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 

19. Электронная формула аниона серы S^2-: +16S^2- 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

20. Электронная формула катиона никеля Ni²⁺: +28Ni²⁺  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s⁰. Обратите внимание! Атомы отдают электроны всегда сначала с внешнего энергетического уровня. Поэтому никель отдаёт электроны сначала с внешнего 4s-подуровня.

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Строение атома» (задание 1 ЕГЭ по химии) ( с ответами)