Як записувати електронні конфігурації крок за кроком

Що означає запис

Кожна частина конфігурації складається з трьох елементів. У 2p⁴ цифра 2 — це оболонка (головний енергетичний рівень), літера p — тип підоболонки, а верхній індекс 4 — кількість електронів на цій підоболонці. Верхні індекси завжди дають у сумі загальну кількість електронів, яка для нейтрального атома дорівнює атомному номеру.

Існує чотири типи підоболонок, кожна з фіксованою місткістю: s вміщує 2 електрони (1 орбіталь), p — 6 (3 орбіталі), d — 10 (5 орбіталей), а f — 14 (7 орбіталей). Кожна орбіталь вміщує щонайбільше 2 електрони.

Порядок «ауфбау»

Електрони спершу заповнюють підоболонки з найнижчою енергією. Це принцип «ауфбау», від німецького слова «вибудовування». Порядок заповнення такий: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

Зверніть увагу, що 4s заповнюється раніше за 3d, а 6s — раніше за 4f. Це пояснює правило n + l: додайте номер оболонки n до l (0 для s, 1 для p, 2 для d, 3 для f) і заповнюйте від найменшої суми; за рівності першою заповнюється підоболонка з меншим n. Багато учнів натомість малюють діагональну схему підоболонок і йдуть за стрілками.

Періодична таблиця показує той самий порядок: уздовж періоду ви проходите s-блок (групи 1–2), d-блок (групи 3–12, на одну оболонку нижче) і p-блок (групи 13–18), а f-блок (на дві оболонки нижче) вписується в періоди 6 і 7.

Приклад розв’язання: кисень

Кисень має атомний номер 8, тож треба розмістити 8 електронів. Помістіть 2 на 1s (залишається 6), потім 2 на 2s (залишається 4), потім останні 4 на 2p, яка могла б вмістити до 6. Результат — 1s² 2s² 2p⁴. Перевірка: 2 + 2 + 4 = 8.

Найвища оболонка — 2, на ній 2 + 4 = 6 електронів, тож кисень має 6 валентних електронів. Усередині підоболонки 2p правило Хунда стверджує, що електрони займають три p-орбіталі по одному, перш ніж утворювати пари, тож атом кисню має два неспарені електрони.

Приклад розв’язання: залізо

Залізо має атомний номер 26, тож має 26 електронів. Заповнюйте в порядку «ауфбау»: 1s² (розміщено 2), 2s² (4), 2p⁶ (10), 3s² (12), 3p⁶ (18), 4s² (20), а решта 6 потрапляють на 3d. Повна конфігурація — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

Багато підручників, як і цей сайт, натомість перелічують підоболонки за номером оболонки: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Обидва записи описують той самий атом. Коли залізо утворює йони, воно спершу віддає електрони 4s, тож Fe²⁺ — це [Ar] 3d⁶, а Fe³⁺ — [Ar] 3d⁵.

Скорочений запис через благородний газ

Записувати кожну підоболонку для важких атомів надто довго, тому хіміки замінюють внутрішні електрони символом попереднього благородного газу в квадратних дужках. [He] означає 1s², [Ne] — 1s² 2s² 2p⁶, а [Ar] — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Важчі остови — [Kr] (36 електронів), [Xe] (54) і [Rn] (86).

Щоб ним скористатися, запишіть попередній благородний газ у дужках і додайте лише електрони, що йдуть після нього. Кисень стає [He] 2s² 2p⁴, натрій — [Ne] 3s¹, а залізо — [Ar] 3d⁶ 4s².

Винятки: хром і мідь

Кілька елементів не точно дотримуються порядку «ауфбау». Для хрому (24 електрони) передбачається [Ar] 3d⁴ 4s², але його справжня конфігурація — [Ar] 3d⁵ 4s¹. Для міді (29 електронів) передбачається [Ar] 3d⁹ 4s², але насправді вона [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

В обох випадках один електрон 4s переходить на 3d. Підоболонки 4s і 3d дуже близькі за енергією, а наполовину заповнена (d⁵) або повністю заповнена (d¹⁰) d-підоболонка особливо стабільна. Деякі важчі елементи поводяться так само: молібден — [Kr] 4d⁵ 5s¹, срібло — [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, а золото — [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Близько 20 елементів d- і f-блоків мають нерегулярні конфігурації, тож для важчих елементів звіряйтеся з надійною таблицею.