Электронные формулы элементов. Электронные семейства. АВЗ

Электронная формула элемента (электронная конфигурация атома) описывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням, существующим в электронном облаке. Она записывается в порядке возрастания главного квантового числа, в отличие от порядка заполнения атомных орбиталей, который записывается по ходу возрастания суммы (n+l). Первая цифра в формуле равна n, буква после нее соответствует l, а правый верхний индекс равен числу электронов в этом состоянии.

Электронную формулу можно строить на основании положения элемента в таблице Менделеева. Построение начинается с начала каждого периода, номер которого будет совпадать со значением n.

Рассмотрим электронные формулы некоторых элементов (в скобках указано распределение электронов по уровням)

₃Li – 1s²2s¹ (2 1),                     ₆C – 1s² 2s² 2p² (2 4),

₁₇Cl – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ (2 8 7), ₂₅Mn – 1s² 2s² 2p⁶ 3s²3p⁶ 3d⁵ 4s² (2 8 13 2),

₅₆Ba 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s² (2 8 18 18 8 2),

₆₄Gd – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁷ 5s² 5p⁶ 5d¹ 6s² (2 8 18 25 9 2),

₉₁Pa₆₄ – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 5f² 6s² 6p⁶ 6d¹ 7s² (2 8 18 32 20 9 2),

₁₀₄Ku – 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 5f¹⁴ 6s² 6p⁶ 6d² 7s² (2 8 1 8 32 32 10 2).

Существует еще одна удобная форма записи распределения электронов в атоме. Каждую орбиталь (квантовую ячейку) рисуют в виде квадратика (горизонтальной линии), а расположенные в ней электроны изображают в виде стрелок. Свободная ячейка означает свободную орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении атома. Получается картинка, называемая орбитальной (энергетической) диаграммой. В отличие от электронных формул, здесь используются не два, а все четыре квантовых числа.

Электронные подуровни, также как и уровни, различаются по энергии. Они располагаются на разной энергетической «высоте».

Поэтому орбитали – квадратики иногда рисуют так, чтобы орбитали более высокого подуровня располагались выше орбиталей более низкого подуровня. Например, три одинаковых p-орбитали рисуют выше s-орбитали.

		3d
	3р
3s	Часть диаграммы

 

В зависимости от того, на какой подуровень попадает последний электрон, все элементы делятся на четыре семейства:

s -элементы – I-II группа главная подгруппа, а также водород и гелий;

p -элементы – III-VIII группа главная подгруппа, кроме водорода и гелия;

d -элементы – все побочные подгруппы I- VIII групп;

f -элементы – актиноиды и лантаноиды.

Атомная валентная зона (АВЗ) – это часть электронной оболочки, которая может перестраиваться по ходу образования химической связи.

АВЗ включает, как правило, внешний s– подуровень (ns) и тот подуровень, который заполняется у данного элемента.

Семейство	АВЗ	Максимально возможная валентность
s	ns	1-2
p	ns np	1-8
d	(n-1)d ns	1-8
f	(n-2)f ns	1-8

 

Оставшаяся часть электронной оболочки в совокупности с ядром называется атомным остовом или химическим ядром.

Если на валентных энергетических уровнях имеются вакантные АО, то при возбуждении атома (получении ими порции энергии) становится возможным «разъединение» валентных электронов, то есть их переходы с тех подуровней, где все АО заняты полностью (¯­) или частично (¯) на другие валентные подуровни того же уровня, имеющие незаполненные АО. Энергия, затрачиваемая на распаривание электронов, незначительна и окупается энергией, выделяющейся при образовании связи. При этом с тех АО, которые в основном (соответствующем минимальной энергии атома) состоянии были заняты полностью, «уходит» по одному электрону последовательно, т.е. возможно несколько возбужденных состояний. Возбуждение меняет валентное состояние атома (число его неспаренных электронов).

Пример.

Определите возможные валентные состояния и укажите семейство для элементов с порядковыми номерами 11, 20, 8, 34, 22.

Запишем электронные формулы этих элементов, подчеркнем их АВЗ и для нее построим энергетическую диаграмму:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶ 3s¹       На внешнем энергетическом уровне у натрия находится только один электрон, поэтому он может проявлять только одну валентность, равную единице (В=1).

₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 4s ²         На внешнем энергетическом уровне у кальция находится два спаренных электрона. А поскольку с точки зрения спин–валентной теории участвовать в образовании связи могут только свободные электроны, то в стационарном состоянии валентность кальция будет равна нулю (В=0).

 

 

 

В таком состоянии валентность кальция равна двум (В^*=2).

₈O 1s² 2s²2p⁴  

Поскольку здесь нет свободного d– подуровня на втором энергетическом уровне, то электроны распаривать некуда и кислород может быть только двухвалентен.

₃₄Se 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰ 4s²4p⁴ В=2.

Но, не смотря на то, что и селен, и кислород стоят в одной группе, имеют сходное строение электронной оболочки и должны проявлять одинаковую валентность, оказывается, что у селена имеется свободный d– подуровень на четвертом уровне, куда могут распариваться валентные электроны.

 

 

 

В этом случае В^*=4; 6.

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d²4s².

 

На первый взгляд, в атоме титана имеется два неспаренных электрона на предвнешнем d-подуровне, которые могли бы вступить в образование связи. Но, на самом деле, они экранируются внешними спаренными s-электронами, поэтому в стационарном состоянии валентность титана равна нулю. В возбужденном состоянии внешние s-электроны четвертого уровня распариваются (один из них переходит на р-подуровень того же уровня). Поскольку сразу два электрона получили некоторый избыток энергии, то они оба вступают в химическое взаимодействие, то есть В^*=2.

Что касается d-электронов на третьем энергетическом уровне, то они расположены ближе к ядру и поэтому обладают меньшим запасом энергии. Вследствие этого они менее активны и в образование связи могут вступать по одному.

 

 

То есть В^*=3; 4. Но, поскольку не все теоретически определенные валентности для элементов d-семейства обнаруживаются экспериментально, для них целесообразно указывать интервал валентностей. Например, В^*=2-4.

Первые два элемента (Na и Са) относятся к s-семейству, поскольку у них последним застраивается s-подуровень, вторые два элемента (O и Se) относятся к p-семейству, поскольку у них последним застраивается p-подуровень, титан относится к d-семейству, поскольку у него последним застраивается d-подуровень.