Як зрозуміти електронну конфігурацію атомів
Електронна конфігурація атома - це спосіб опису розташування електронів на різних енергетичних рівнях і підрівнях навколо ядра. Електронна конфігурація атома визначає багато його фізичних та хімічних властивостей, таких як реакції з іншими атомами, провідність електричного струму, поведінка в магнітному полі.
Що таке електрон?
Електрон - це заряджена негативно підатомна частинка, яка обертається навколо ядра атома. Ядро складається з додатньо заряджених протонів і нейтральних нейтронів. Кількість протонів у ядрі визначає атомний номер елемента, а кількість електронів в нейтральному атомі дорівнює кількості протонів.
Електрони мають дуже малу масу по відношенню до протонів і нейтронів, і вони рухаються дуже швидко по своїх орбітах. Орбіти не є круговими шляхами, а скоріше регіонами простору, де електрони найбільш ймовірно можуть бути знайдені. Ці регіони називаються орбіталями або підрівнями, і вони мають різні форми і розміри залежно від їх енергетичного рівня.
Що таке енергетичний рівень?
Енергетичний рівень - це основна оболонка або орбіта, яка містить одну або більше підорбіталей або орбіталей. Енергетичний рівень орбітали визначається її відстанню від ядра: чим ближче вона, тим нижча її енергія; чим далі, тим вища її енергія.
Енергетичні рівні нумеруються від 1 до 7, починаючи з найближчого до ядра. Перший енергетичний рівень може містити до 2 електронів, другий - до 8, третій - до 18, і так далі. Формула для обчислення максимальної кількості електронів на енергетичному рівні - 2n^2, де n - номер енергетичного рівня.
Що таке підорбіталя?
Підорбіталя - це підрозділ енергетичного рівня, який містить одну або більше орбіталей з однаковою формою і енергією. Підорбіталя позначаються літерами: s, p, d, f, g, тощо, що відповідає квантовим числам орбіталей 0, 1, 2, 3, 4, тощо. Кількість підорбіталей на енергетичному рівні дорівнює номеру енергетичного рівня: наприклад, перший енергетичний рівень має одну підорбіталю (s), другий - дві (s і p), третій - три (s, p і d) і так далі.
Максимальна кількість електронів, які можуть поміститися в підорбіталю, визначається формулою 2(2l + 1), де l - квантове число орбітали. Наприклад, підорбіталя s може містити до 2 електронів, p - до 6, d - до 10, f - до 14.
Що таке орбіталя?
Орбіталя - це регіон простору всередині підорбіталя, де електрон може бути знайдений з певною ймовірністю. Форма і розмір орбіталя залежать від їх енергетичного рівня і підорбіталя: наприклад, орбіталя s має сферичну форму, p - форму гантелі, d - форму клевера або складну форму, f - ще більш складну.
Кожна орбіталя може містити до 2 електронів з протилежними спінами: один, що обертається за годинниковою стрілкою, і один - проти. Спін - це ще одна властивість електронів, яка впливає на їх магнітну поведінку.
Як записати електронну конфігурацію атома?
Електронна конфігурація атома записується, перераховуючи всі зайняті підорбіталя з кількістю електронів в верхньому індексі. Наприклад, електронна конфігурація водню (H) з одним електроном - 1s^1; електронна конфігурація гелію (He) з двома електронами - 1s^2; електронна конфігурація літію (Li) з трьома електронами - 1s^2 2s^1; і так далі.
Порядок, в якому заповнюються підорбіталя, відповідає правилу Ауфбау або правила побудови: електрони займають найнижчоенергетичні орбітали, доступні перш, перед тим, як переходити до вищоенергетичних.
Як застосувати правило Ауфбау?
Щоб записати електронну конфігурацію атома, використовуючи правило Ауфбау, потрібно дотримуватися таких кроків:
Почніть з найнижчоенергетичної орбітали, яка є 1s, і заповніть її до 2 електронів.
Перейдіть до наступної найнижчоенергетичної орбітали, яка є 2s, і заповніть її до 2 електронів.
Перейдіть до наступної найнижчоенергетичної орбітали, яка є 2p, і заповніть її до 6 електронів.
Продовжуйте цей процес, поки всі електрони атома не будуть призначеними до орбіталей.
Для спрощення запису електронних конфігурацій можна використовувати скорочену нотацію, яка використовує символ попереднього благородного газу в дужках для представлення внутрішніх електронів, які знаходяться в стабільній конфігурації. Наприклад, замість того, щоб записувати 1s^2 2s^2 2p^6 для неону (Ne), можна записати [He] 2s^2 2p^6, де [He] представляє конфігурацію гелію (He).
Також можна використовувати діаграму, яка називається діаграмою орбіталей або діаграмою електронної конфігурації, для показу розподілу електронів в орбіталях за допомогою стрілок або кол. Стрілки представляють спін електронів, і вони повинні бути паровані з протилежними спінами в кожній орбіталі. Кола представляють електрони без показу їхнього спіну.
Які винятки існують для правила Ауфбау?
Правило Ауфбау добре працює для більшості елементів, але є винятки, коли електрони не заповнюють орбітали відповідно до їх енергетичних рівнів. Ці винятки виникають тому, що деякі атоми більш стабільні, коли вони мають напівзаповнені або повністю заповнені підорбіталя, особливо в d і f блоках.
Наприклад, хром (Cr) має атомний номер 24, що означає, що в нього 24 електрони. Відповідно до правила Ауфбау, його електронна конфігурація має бути [Ar] 4s^2 3d^4, де [Ar] представляє конфігурацію аргону (Ar). Однак, ця конфігурація не дуже стабільна, оскільки підорбіталя 3d лише частково заповнена чотирма електронами. Більш стабільна конфігурація - [Ar] 4s^1 3d^5, де обидві підорбіталя 4s і 3d напівзаповнені одним і п'ятьма електронами відповідно.
