Как да разберете електронната конфигурация на атомите
Електронната конфигурация на атома е начин за описание как са разпределени неговите електрони в различни енергийни нива и поднива около ядрото. Електронната конфигурация на атома определя много от неговите физически и химически свойства, такива като как реагира с други атоми, как провежда електричество и как се държи в магнитно поле.
Какво е електрон?
Електронът е заредено с отрицателен заряд податомно частице, което орбитира около ядрото на атома. Ядрото се състои от положително заредени протони и неутрално заредени неутрони. Броят на протоните в ядрото определя атомния номер на елемента, а броят на електроните в нейтрален атом е равен на броя на протоните.
Електроните имат много малка маса в сравнение с протоните и неутроните, и те се движат много бързо в своите орбити. Орбитите не са кръгови пътища, а по-скоро области в пространството, където електроните най-вероятно могат да бъдат намерени. Тези области се наричат орбитали или поднива, и те имат различни форми и размери в зависимост от тяхното енергийно ниво.
Какво е енергийно ниво?
Енергийното ниво е основна обвивка или орбита, която съдържа едно или повече поднива или орбитали. Енергийното ниво на орбитала се определя от нейното разстояние до ядрото: колкото по-близо е, толкова по-ниско е нейната енергия; колкото по-далече е, толкова по-висока е нейната енергия.
Енергийните нива са номерирани от 1 до 7, започвайки от най-близкото до ядрото. Първото энергийно ниво може да побере до 2 електрона, второто до 8, третото до 18, и така нататък. Формулата за изчисляване на максималния брой електрони в енергийно ниво е 2n^2, където n е номерът на енергийното ниво.
Какво е подниво?
Поднивото е подразделение на енергийно ниво, което съдържа една или повече орбитали с еднаква форма и енергия. Поднивата се означават с букви: s, p, d, f, g и т.н., които съответстват на квантовите числа на орбиталите 0, 1, 2, 3, 4 и т.н. Броят на поднивата в енергийно ниво е равен на номера на енергийното ниво: например, първото енергийно ниво има едно подниво (s), второто има две (s и p), третото има три (s, p и d) и т.н.
Максималният брой електрони, които могат да се поберат в подниво, се дава от формулата 2(2l + 1), където l е квантовото число на орбитала. Например, поднивото s може да побере до 2 електрона, поднивото p до 6, поднивото d до 10, а поднивото f до 14.
Какво е орбитала?
Орбиталата е област в пространството в подниво, където електронът може да бъде намерен с определена вероятност. Формата и размерът на орбитала зависят от нейното енергийно ниво и подниво: например, орбитали s са сфера, орбитали p са думбел-образни, орбитали d са клевер-образни или сложни, а орбитали f са още по-сложни.
Всяка орбитала може да побере до 2 електрона с противоположни спина: един с часовниковото движение и един с обратно часовниковото движение. Спинът е друго свойство на електроните, което влияе на техните магнитни характеристики.
Как да напишете електронната конфигурация на атома?
Електронната конфигурация на атома се записва, като се изброи всички заети поднива с техния брой електрони в надпис. Например, електронната конфигурация на водорода (H) с един електрон е 1s^1; електронната конфигурация на хелия (He) с два електрона е 1s^2; електронната конфигурация на лития (Li) с три електрона е 1s^2 2s^1; и т.н.
Поредността, в която поднивата се попълват, следва правило, наречено принцип на Ауфбау или принцип на изграждане: електроните заемат най-ниските енергийни орбитали, преди да преминат към по-високите енергийни.
Как да приложите принципа на Ауфбау?
За да напишете електронната конфигурация на атом, използвайки принципа на Ауфбау, трябва да следвате тези стъпки:
Започнете с най-ниската енергийна орбитала, която е 1s, и я попълнете с до два електрона.
Прехвърлете се към следващата най-ниска енергийна орбитала, която е 2s, и я попълнете с до два електрона.
Прехвърлете се към следващата най-ниска енергийна орбитала, която е 2p, и я попълнете с до шест електрона.
Продължете този процес, докато всички електрони на атома са разпределени в орбитали.
За улесняване на записването на електронни конфигурации, можем да използваме съкратен запис, който използва символа на предходния благороден газ в скоби, за да представи вътрешните електрони, които са в стабилна конфигурация. Например, вместо да пишем 1s^2 2s^2 2p^6 за неон (Ne), можем да запишем [He] 2s^2 2p^6, където [He] представлява конфигурацията на хелия (He).
Можем също да използваме диаграма, наречена диаграма на орбитали или диаграма на електронна конфигурация, за да покажем разпределението на електроните в орбитали, използвайки стрели или кръгчета. Стрелките представляват спина на електроните, и те трябва да са подредени с противоположни спинове във всяка орбитала. Кръгчетата представляват електроните без да показват техния спин.
Какви са изключенията от принципа на Ауфбау?
Принципът на Ауфбау работи добре за повечето елементи, но има някои изключения, когато електроните не попълват орбитали в съответствие с техните енергийни нива. Тези изключения се случват, защото някои атоми са по-стабилни, когато имат половин-попълнени или пълно-попълнени поднива, особено в d и f блоковете.
Например, хром (Cr) има атомен номер 24, което означава, че има 24 електрона. Според принципа на Ауфбау, неговата електронна конфигурация трябва да бъде [Ar] 4s^2 3d^4, където [Ar] представлява конфигурацията на аргон (Ar). Обаче, тази конфигурация не е много стабилна, защото 3d поднивото е само частично попълнено с четири електрона. По-стабилна конфигурация е [Ar] 4s^1 3d^5, където и 4s, и 3d поднивата са половин-попълнени с един и пет електрона, съответно.
Друг пример е мед (Cu), който има атомен номер 29 и 29 електрона. Според принципа на Ауфбау, неговата електронна конфигурация трябва да бъде [Ar] 4s^2 3d^9, където [Ar] представлява конфигурацията на аргон (Ar). Обаче, тази конфигурация не е много стабилна, защото 3d поднивото е само частично попълнено с девет електрона. По-стабилна конфигурация е [Ar] 4s^1 3d^10, където и 4s, и 3d поднивата са пълно-попълнени с един и десет електрона, съответно.
