Электронная конфигурация атома: как составлять и читать

Запись 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ сначала выглядит как пароль от Wi-Fi. На деле это подробный адрес всех электронов атома. Если научиться его читать, становится понятнее, почему натрий легко отдаёт один электрон, а хлор забирает его себе и почему элементы одной группы похожи.

Для нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру элемента. У натрия номер 11, значит в конфигурации должно оказаться ровно 11 электронов. Это лучший способ проверить себя: сложите верхние индексы. Если получилось 10 или 12, где-то потерялся электрон.

Что называют электронной конфигурацией

Электроны не летают вокруг ядра по нарисованным окружностям, как планеты в старом школьном атласе. В квантовой модели можно говорить лишь о пространстве, где электрон вероятнее всего обнаружить. Такое пространство называют орбиталью. У каждого электрона есть энергия, поэтому он занимает подходящее место в своеобразном «многоэтажном доме» атома.

Короткая запись содержит три части. Цифра перед буквой обозначает номер энергетического уровня. Буква s, p, d или f показывает подуровень. Верхний индекс сообщает число электронов на подуровне. Запись 3p⁵ читают так: на третьем уровне, p-подуровне, находятся пять электронов.

В простых задачах часто просят распределить электроны только по уровням: 2, 8, 1 для натрия или 2, 8, 7 для хлора. Полная конфигурация точнее: Na имеет вид 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, а Cl: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Сумма индексов в обоих случаях совпадает с номером элемента.

Уровни, подуровни и орбитали

Энергетический уровень обозначают числом n: 1, 2, 3 и далее. Чем дальше уровень от ядра, тем выше энергия электронов. Максимальное число электронов на уровне приближённо находят по формуле 2n². На первом уровне помещается два электрона, на втором восемь, на третьем восемнадцать. Но заполняются они не «этаж за этажом» до конца, и это важно.

Внутри уровня есть подуровни. Их ёмкость лучше запомнить один раз:

• s-подуровень: одна орбиталь, максимум 2 электрона;
• p-подуровень: три орбитали, максимум 6 электронов;
• d-подуровень: пять орбиталей, максимум 10 электронов;
• f-подуровень: семь орбиталей, максимум 14 электронов.

На первой орбитали могут находиться только два электрона и их спины противоположны. Это правило Паули. В p-подуровне три орбитали. Когда туда приходит три электрона, они сначала рассаживаются по разным орбиталям, а уже четвёртый начинает образовывать пару. Правило Хунда спасает от неверной схемы 2p³, где все три электрона ошибочно рисуют в одной ячейке.

Порядок заполнения орбиталей

Атом в основном состоянии заполняет сначала орбитали с меньшей энергией. Полный практический порядок такой: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. Не обязательно держать эту длинную строку в голове. В школьной таблице часто есть диагональная схема, а для распространённых элементов достаточно первых восьми позиций.

Почему 4s заполняется раньше 3d, хотя цифра 4 больше? Уровень и энергия не одно и то же. В многоэлектронном атоме подуровни немного «перемешиваются» по энергии. Перед заполнением 3d орбиталь 4s выгоднее для электрона. Когда образуются ионы переходных металлов, электроны 4s, наоборот, уходят первыми. На этом месте учебные схемы кажутся противоречивыми, но противоречия нет: речь идёт о разных состояниях атома.

Есть известные исключения у хрома и меди. Ожидаемая запись хрома заканчивается как 4s² 3d⁴, но устойчивее 4s¹ 3d⁵. У меди: 4s¹ 3d¹⁰. В базовых заданиях их обычно дают отдельно; не стоит пытаться выводить эти исключения по одной школьной формуле.

Как составить конфигурацию по таблице Менделеева

Начните с порядкового номера. Он определит, сколько электронов нужно распределить. Затем идите по порядку заполнения и вычитайте ёмкость подуровней, пока электроны не закончатся. Для серы с номером 16 получится: 1s² (осталось 14), 2s² (12), 2p⁶ (6), 3s² (4), 3p⁴ (0). Готово.

Номер периода служит быстрой проверкой. Сера находится в третьем периоде, и её внешний заполненный уровень действительно третий. Последняя часть конфигурации, 3s² 3p⁴, показывает шесть внешних электронов. Для элементов главных подгрупп это помогает предсказать типичные валентности и химические свойства.

Связь с таблицей разобрана подробнее в статье о периодической системе элементов. Здесь важно другое: таблица даёт число электронов, а конфигурация показывает, где именно они размещены.

Примеры для атомов и ионов

Кальций, Z = 20. Последовательно размещаем 20 электронов: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². По уровням это 2, 8, 8, 2. Два электрона на внешнем уровне объясняют, почему кальций обычно образует ион Ca²⁺.

Кислород, Z = 8. Конфигурация 1s² 2s² 2p⁴. На втором уровне шесть электронов, до устойчивой оболочки не хватает двух. Поэтому кислород в ионе O^2- принимает два электрона: 1s² 2s² 2p⁶. Электронов в ионе уже 10, но протонов в ядре по-прежнему 8.

Алюминий, Z = 13. Атом: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹. При образовании Al³⁺ уходят три электрона внешнего уровня, остаётся 1s² 2s² 2p⁶. Электроны всегда снимают с уровня с наибольшим номером n, а не просто с последнего написанного подуровня.

Типичные ошибки и шпаргалка

Не путайте конфигурацию нейтрального атома с конфигурацией иона. Число протонов меняется только в ядерной реакции, а электроны атом отдаёт или принимает в обычной химической реакции. Ещё одна ошибка: писать 3d раньше 4s у кальция. Для атома кальция правильный конец именно 4s².

• Порядковый номер нейтрального атома равен числу его электронов.
• Ёмкость подуровней: s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴.
• Для первых 20 элементов используйте ряд до 4s включительно.
• Проверьте сумму верхних индексов.
• У катионов отнимайте электроны с внешнего уровня, у анионов добавляйте.

Составлять конфигурации лучше на пяти-шести разных элементах подряд. После натрия, хлора, серы, кальция и алюминия запись перестаёт быть шифром: вы видите в ней число уровней, внешние электроны и будущую химическую роль атома.