Электронные конфигурации атомов

Электроны в атоме занимают уровни, подуровни и орбитали согласно следующим правилам.

Правило Паули. В одном атоме два электрона не могут иметь четыре одинаковых квантовых числа. Они должны отличаться, по меньшей мере, одним квантовым числом.

Орбиталь содержит электроны с определенными числами n, l, m_l и электроны на ней могут отличаться только квантовым числом m_s, имеющим два значения +1/2 и -1/2. Поэтому на орбитали могут располагаться не более двух электронов.

На подуровне электроны имеют определенные n и l и различаются числами m_l и m_s. Поскольку m_l может принимать 2l+1 значение, а m_s - 2 значения, то на подуровне может содержаться не более 2(2l+1) электронов. Отсюда максимальные числа электронов на s-, p-, d-, f-подуровнях равны соответственно 2, 6, 10, 14 электронов.

Аналогично на уровне содержится не более 2n² электронов и максимальное число электронов на четырех первых уровнях не должно превышать 2, 8, 18 и 32 электронов соответственно.

Правило наименьшей энергии. Последовательное заполнение уровней должно происходить так, чтобы обеспечить минимальную энергию атома. Каждый электрон занимает свободную орбиталь с наименьшей энергией.

Правило Клечковского. Заполнение электронных подуровней осуществляется в порядке возрастания суммы (n+l), а в случае одинаковой суммы (n+l) - в порядке возрастания числа n.

Графическая форма правила Клечковского.

Cогласно правилу Клечковского заполнение подуровней осуществляется в следующем порядке: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s,...

Хотя заполнение подуровней происходит по правилу Клечковского, в электронной формуле подуровни записываются последовательно по уровням: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f и т.д. Это связано с тем, что энергия заполненных уровней определяется квантовым числом n: чем больше n, тем больше энергия и для полностью заполненных уровней мы имеем Е_3d<E_4s, а не наоборот, как это следует из правила Клечковского. Таким образом, электронная формула атома брома записывается следующим образом: Br(35e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵. Подобная формула правильно передает свойства атома брома - участие валентных 4s и 4p электронов и неучастие внутренних 3d электронов в образовании химических связей.

Уменьшение энергии подуровней с меньшими n и большими l в случае, если они заполнены полностью или наполовину, приводит для ряда атомов к электронным конфигурациям, отличающимся от предсказанных по правилу Клечковского. Так для Cr и Cu мы имеем на валентном уровне распределение:

Cr(24e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹ и Cu(29e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹, а не

Cr(24e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s² и Cu(29e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹4s².

Правило Гунда. Заполнение орбиталей данного подуровня осуществляется так, чтобы суммарный спин был максимален. Орбитали данного подуровня заполняются сначала по одному электрону. Например, для конфигурации р² заполнение p_x¹p_y¹ с суммарным спином s = 1/2 + 1/2 = 1 предпочтительнее (т.е. ему соответствует меньшая энергия), чем заполнение p_x² с суммарным спином s = 1/2 - 1/2 = 0.

_{­ ­} - более выгодно, _­¯ - менее выгодно.

Электронные конфигурации атомов можно записать по уровням, подуровням, орбиталям. В последнем случае орбиталь обычно обозначают квантовой ячейкой, а электроны - стрелками, имеющими то или иное направление в зависимости от величины m_s.

Например, электронная формула Р(15е) может быть записана:

а) по уровням )2 )8 )5

б) по подуровням 1s²2s²2p⁶3s²3p³

в) по орбиталям 1s²2s²2p_x²2p_y²2p_z²3s²3p_x¹3p_y¹3p_z¹ или

_{­¯ ­¯ ­¯ ­¯ ­¯ ­¯ ­ ­ ­}

Пример. Записать электронные формулы Ti(22e) и As(33e) по подуровням. Титан находится в 4 периоде, поэтому записываем подуровни до 4р: 1s2s2p3s3p3d4s4p и заполняем их электронами до их общего числа 22, при этом незаполненные подуровни в окончательную формулу не включаем. Получаем:

Ti(22e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Аналогично, для мышьяка имеем электронную формулу:

As(33e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³.

Формулы ионов Ti²⁺ и As^3- записываются следующим образом:

Ti²⁺(20e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s⁰

As^3-(36e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶