Электронные конфигурации и орбитали

Распределение электронов по слоям удобно для первого знакомства с атомом, но оно не показывает всех различий в их состояниях. Например, электроны одного слоя могут находиться на разных подуровнях. Электронная конфигурация уточняет это распределение и помогает объяснять сходство элементов, образование ионов и особенности химической связи.

Что такое атомная орбиталь

Атомная орбиталь описывает пространственное состояние электрона в атоме в квантовой модели. Это не траектория движения, подобная орбите планеты.

Из описания состояния получают вероятность обнаружить электрон в разных областях пространства. Когда орбиталь изображают облаком, его граница условна: она охватывает выбранную большую часть вероятности, а не обозначает твёрдую стенку.

Главный квантовый номер n характеризует электронный уровень, или слой. Внутри уровня выделяют подуровни, обозначаемые s, p, d и f. На первом уровне существует только s-подуровень, на втором — s и p, на третьем — s, p и d. Наличие подуровня не означает, что он уже занят электронами.

Максимальная вместимость уровня с главным квантовым номером n:

N_max = 2n².

Это вместимость, а не обязательное число электронов в любом атоме. Например, на третьем уровне допускается до 18 электронов, но в основном состоянии Ca их там восемь: заполнение зависит от энергий подуровней разных уровней.

Как читать электронную конфигурацию

В записи 2p⁴ число 2 — номер уровня, p — тип подуровня, верхний индекс 4 — число электронов на всём этом подуровне. Это не заряд иона и не число электронов на одной орбитали.

Сумма верхних индексов равна общему числу электронов. Для нейтрального атома это Z; для иона число электронов сначала находят по заряду. В сокращённой записи заполненную внутреннюю часть заменяют символом предшествующего благородного газа в квадратных скобках, например [Ne].

Три правила заполнения

На одной орбитали может находиться не более двух электронов с противоположными спинами. На равноэнергетических орбиталях одного подуровня электроны сначала занимают разные орбитали с параллельными спинами, затем спариваются.

Первое утверждение — следствие принципа Паули, второе — правило Хунда для обычных школьных схем основного состояния. В таких схемах орбиталь обозначают клеткой или скобками, электрон — стрелкой. Пара ↑↓ показывает противоположные спины; направление стрелки не является направлением полёта электрона.

В основном состоянии электроны занимают состояния так, чтобы энергия атома была минимальной. Полезная начальная последовательность заполнения:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p.

Она показывает, почему после 3p у K и Ca заполняется 4s, хотя третий уровень ещё не достиг вместимости 18. Для тяжёлых атомов и близких по энергии подуровней простая последовательность имеет исключения. Например, основные конфигурации Cr и Cu:

Cr: [Ar]3d⁵4s¹; Cu: [Ar]3d¹⁰4s¹.

Поэтому механическое правило заполнения — удобный ориентир, а не замена известным конфигурациям. Для возбуждённого состояния распределение также может отличаться от основного.

Пример 1. Конфигурация кислорода

У нейтрального O атомный номер Z = 8, значит, нужно распределить восемь электронов:

O: 1s²2s²2p⁴; 2 + 2 + 4 = 8.

Подуровни 1s и 2s заполнены. На 2p четыре электрона распределяются между тремя орбиталями: сначала по одному на каждую, затем один электрон образует пару:

2p: [↑↓] [↑] [↑].

В этой схеме два неспаренных электрона. Запись [↑↓] [↑↓] [ ] имела бы то же число электронов, но не соответствовала бы правилу Хунда для основного состояния свободного атома O.

Пример 2. Атом натрия и его катион

Нейтральный Na имеет 11 электронов. После заполнения 2p остаётся один электрон на 3s:

Na: 1s²2s²2p⁶3s¹ = [Ne]3s¹.

При образовании Na⁺ удаляется внешний электрон:

Na⁺: 1s²2s²2p⁶ = [Ne]; число электронов 11 − 1 = 10.

Электронная конфигурация стала такой же, как у атома Ne, но элемент остался натрием: в ядре по-прежнему 11 протонов. Одинаковое число электронов не означает одинаковой химической природы частиц.

Пример 3. Почему у железа сначала удаляются 4s-электроны

Для Fe с Z = 26 основная конфигурация:

Fe: [Ar]3d⁶4s²; 18 + 6 + 2 = 26.

При образовании обычных катионов переходных металлов сначала удаляются электроны внешнего уровня с большим n. Поэтому у железа сначала опустошается 4s, а не 3d:

Fe²⁺: [Ar]3d⁶; Fe³⁺: [Ar]3d⁵.

Порядок удаления электронов не получается простым обращением школьной стрелочной последовательности заполнения. Энергии состояний зависят от состава атома или иона и заселённости подуровней.

Как проверять свою запись

Сначала определите общее число электронов, затем распределите их по подуровням. Проверьте вместимость s/p/d/f и сумму индексов. Если нужны орбитальные клетки, отдельно примените принцип Паули и правило Хунда. В завершение уточните, описывается ли основное состояние и нет ли известного исключения.

Электронная конфигурация должна одновременно соответствовать общему числу электронов, вместимости подуровней и состоянию данной частицы. Атом и его ион проверяют отдельно.

Типичные ошибки

• Путать орбиталь и подуровень. Весь p-подуровень вмещает шесть электронов, одна его орбиталь — два.
• Считать 2n² порядком заполнения. Это максимальная вместимость уровня.
• Спаривать p-электроны слишком рано. Для равноэнергетических орбиталей сначала используют разные клетки.
• Игнорировать заряд. У Mg²⁺ десять электронов, а не двенадцать.
• Удалять у Fe сначала 3d-электроны. При получении Fe²⁺ уходят два 4s-электрона.

Проверьте себя

1. Запишите полную конфигурацию нейтрального Ne, Z = 10.
2. Запишите конфигурацию Al, Z = 13. Сколько электронов на внешнем уровне?
3. Как распределяются три электрона по орбиталям 2p в основном состоянии N? Сколько из них неспаренных?
4. Запишите конфигурацию Mg²⁺, если Z(Mg) = 12.
5. Сколько орбиталей и электронов максимально допускает d-подуровень? Почему запись 3d¹² неверна?

Ответы с объяснениями

1. Два s-подуровня и p-подуровень заполнены:

Ne: 1s²2s²2p⁶; 2 + 2 + 6 = 10.

2. После внутренней оболочки [Ne] остаются три электрона третьего уровня:

Al: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹; внешних электронов 2 + 1 = 3.

3. По правилу Хунда каждый электрон занимает отдельную равноэнергетическую орбиталь; неспаренных электронов три:

2p³: [↑] [↑] [↑].

4. Катион содержит 12 − 2 = 10 электронов, его конфигурация совпадает с конфигурацией Ne:

Mg²⁺: 1s²2s²2p⁶.

5. На d-подуровне пять орбиталей, каждая вмещает максимум два электрона:

N_max(d) = 5 · 2 = 10.

Двенадцать электронов превышают эту вместимость.

Связанные темы

Для подсчёта частиц повторите строение атома. Связь конфигураций с группой объясняет периодическая система. Распределение электронов между атомами рассматривают электроотрицательность и типы химической связи.

Источники: OpenStax: орбитали и квантовые числа; OpenStax: конфигурации, принцип Паули и правило Хунда; OpenStax: конфигурации ионов. Примеры и задания составлены для этой статьи.