Как записать электронную конфигурацию: пошаговое руководство

Что означает запись

Каждая часть конфигурации состоит из трёх элементов. В 2p⁴ цифра 2 — это оболочка (главный энергетический уровень), буква p — тип подоболочки, а верхний индекс 4 — число электронов на этой подоболочке. Верхние индексы всегда в сумме дают общее число электронов, которое для нейтрального атома равно атомному номеру.

Существует четыре типа подоболочек, у каждой своя ёмкость: на s помещается 2 электрона (1 орбиталь), на p — 6 (3 орбитали), на d — 10 (5 орбиталей), а на f — 14 (7 орбиталей). На каждой орбитали помещается не более 2 электронов.

Порядок Ауфбау

Электроны сначала заполняют подоболочки с наименьшей энергией. Это принцип Ауфбау, от немецкого слова «построение». Порядок заполнения: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

Обратите внимание, что 4s заполняется раньше 3d, а 6s — раньше 4f. Это объясняет правило n + l: сложите номер оболочки n и l (0 для s, 1 для p, 2 для d, 3 для f) и заполняйте, начиная с наименьшей суммы; при равенстве первой заполняется подоболочка с меньшим n. Многие учащиеся вместо этого рисуют диагональную схему подоболочек и следуют по стрелкам.

Периодическая таблица показывает тот же порядок: вдоль периода вы проходите через s-блок (группы 1–2), d-блок (группы 3–12, на одну оболочку ниже) и p-блок (группы 13–18), а f-блок (на две оболочки ниже) вписывается в 6-й и 7-й периоды.

Разбор примера: кислород

Атомный номер кислорода 8, поэтому нужно разместить 8 электронов. Поместите 2 на 1s (остаётся 6), затем 2 на 2s (остаётся 4), а последние 4 — на 2p, где может поместиться до 6. Получаем 1s² 2s² 2p⁴. Проверка: 2 + 2 + 4 = 8.

Наибольшая оболочка — вторая, на ней 2 + 4 = 6 электронов, поэтому у кислорода 6 валентных электронов. Внутри 2p-подоболочки, по правилу Хунда, электроны сначала занимают три p-орбитали по одному, а затем спариваются, поэтому у атома кислорода два неспаренных электрона.

Разбор примера: железо

Атомный номер железа 26, значит, у него 26 электронов. Заполняем в порядке Ауфбау: 1s² (размещено 2), 2s² (4), 2p⁶ (10), 3s² (12), 3p⁶ (18), 4s² (20), а оставшиеся 6 попадают на 3d. Полная конфигурация: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

Во многих учебниках и на этом сайте подоболочки перечисляют вместо этого в порядке номеров оболочек: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Обе записи описывают один и тот же атом. Когда железо образует ионы, оно сначала теряет 4s-электроны, поэтому Fe²⁺ — это [Ar] 3d⁶, а Fe³⁺ — [Ar] 3d⁵.

Сокращённая запись с благородным газом

Записывать каждую подоболочку для тяжёлых атомов слишком долго, поэтому химики заменяют внутренние электроны символом предыдущего благородного газа в квадратных скобках. [He] означает 1s², [Ne] — 1s² 2s² 2p⁶, а [Ar] — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Более тяжёлые остовы — [Kr] (36 электронов), [Xe] (54) и [Rn] (86).

Чтобы ею воспользоваться, запишите предыдущий благородный газ в скобках и добавьте только электроны, идущие после него. Кислород превращается в [He] 2s² 2p⁴, натрий — в [Ne] 3s¹, а железо — в [Ar] 3d⁶ 4s².

Исключения: хром и медь

Несколько элементов не вполне следуют порядку Ауфбау. Для хрома (24 электрона) предсказывается [Ar] 3d⁴ 4s², но его фактическая конфигурация — [Ar] 3d⁵ 4s¹. Для меди (29 электронов) предсказывается [Ar] 3d⁹ 4s², но на самом деле это [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

В обоих случаях один 4s-электрон переходит на 3d. Подоболочки 4s и 3d очень близки по энергии, а наполовину заполненная (d⁵) или полностью заполненная (d¹⁰) d-подоболочка особенно устойчива. Некоторые более тяжёлые элементы ведут себя так же: у молибдена [Kr] 4d⁵ 5s¹, у серебра [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, а у золота [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Около 20 элементов d- и f-блоков имеют неправильные конфигурации, поэтому для более тяжёлых элементов сверяйтесь с надёжной таблицей.