Электронная конфигурация и энергетические уровни

Атомы являются строительными блоками материи. Они состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в центре атома, называемом ядром, в то время как электроны вращаются вокруг ядра. Понимание того, как эти электроны расположены вокруг ядра, помогает нам понять, как взаимодействуют различные элементы и как ведёт себя материя.

Введение в электроны и энергетические уровни

Электроны - это крошечные частицы, несущие отрицательный заряд. Они вращаются вокруг ядра атома в областях, называемых энергетическими уровнями или оболочками. Каждый энергетический уровень может содержать определенное количество электронов, и эти электроны определяют химические свойства элемента.

Энергетические уровни

Электроны расположены в энергетических уровнях, иногда называемых электронными оболочками. Самый простой атом, водород, имеет один протон и, в своей наиболее простой форме, один электрон. Этот единичный электрон находится на первом энергетическом уровне, уровне, ближайшем к ядру.

Вот упрощенный вид того, как энергетические уровни относятся к ядру:

На этой диаграмме маленький черный круг представляет ядро атома, а синий круг представляет энергетический уровень, с электроном, изображенным как еще один маленький круг на энергетическом уровне.

Количество электронов, которые могут поместиться на первых нескольких энергетических уровнях, следующее:

• Первый энергетический уровень: может содержать до 2 электронов.
• Второй энергетический уровень: может содержать до 8 электронов.
• Третий энергетический уровень: может содержать до 18 электронов.
• Четвертый энергетический уровень: может содержать до 32 электронов, и так далее.

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация объясняет распределение электронов в энергетических уровнях атома. Электроны будут заполнять самые низкие доступные энергетические уровни, прежде чем переходить на более высокие уровни, следуя определенному порядку, известному как принцип Паули.

Посмотрим внимательнее на структуру электронов в некоторых распространенных элементах:

Пример: атом водорода

Водород имеет один электрон. Его электронная конфигурация:

1s¹

Число "1" представляет первый энергетический уровень. Буква "s" представляет тип орбитали, а подчисло "1" указывает, что в этой орбитали находится один электрон.

Пример: атом гелия

Гелий имеет два электрона. Его электронная конфигурация:

1s²

Это означает, что оба электрона полностью заполняют орбиталь "s" первого энергетического уровня.

Пример: атом кислорода

Кислород имеет восемь электронов. Его электронная конфигурация:

1s² 2s² 2p⁴

Электроны кислорода заполняют первый энергетический уровень и частично заполняют второй уровень, включая "p"-орбитали, которые могут содержать до шести электронов.

Визуализация электронной конфигурации

Визуальные иллюстрации могут помочь лучше понять электронные конфигурации. Рассмотрим следующую иллюстрацию орбиталей для атома неона, который имеет 10 электронов:

Концентрические круги представляют различные энергетические уровни (или оболочки), а цветные точки обозначают электроны на этих уровнях.

Подоболочки и орбитали

В дополнение к энергетическим уровням электроны также организованы в подоболочках: s, p, d и f, каждая из которых имеет определенный размер и емкость для электронов:

• s подоболочка может иметь максимум 2 электрона.
• p подоболочка может содержать до 6 электронов.
• d подоболочка может содержать до 10 электронов.
• f подоболочка может содержать до 14 электронов.

Представьте порядок заполнения подоболочек, как указано ниже:

Как писать электронные конфигурации

При написании электронных конфигураций следующие шаги могут помочь упростить процесс:

1. Идентифицируйте количество электронов в атоме. Атомный номер элемента подскажет вам это.
2. Заполните электронами соответствующие энергетические уровни и подоболочки, следуя принципу Паули.
3. Используйте обозначения из цифр и букв для описания конфигурации. Цифры представляют энергетические уровни, буквы представляют подоболочки, а цифры сверху представляют количество электронов.

Например, натрий (Na) имеет атомный номер 11. Поэтому его электронная конфигурация:

1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Это показывает, что натрий имеет 2 электрона в 1s подоболочке, 2 электрона в 2s подоболочке, 6 электронов в 2p подоболочке и 1 электрон в 3s подоболочке.

Принцип исключения Паули и правило Хунда

Принцип исключения Паули: В атоме ни у двух электронов не могут быть одинаковые значения всех четырех квантовых чисел. Это означает, что в одной орбитали спины электронов должны быть противоположными.

Правило Хунда: Электроны должны сначала заполнить орбитали одного энергетического уровня, только потом они могут совмещаться. Это минимизирует отталкивание между электронами и стабилизирует атом.

Понимание валентных электронов

Внешние электроны атома называются валентными электронами. Они доступны для связывания и определяют химические свойства элемента.

Например, в атоме кислорода (символ: O) с электронной конфигурацией 1s² 2s² 2p⁴, валентными электронами являются 2s² и 2p⁴ электроны, что составляет в сумме 6 валентных электронов.

Количество валентных электронов важно для предсказания того, как атом будет реагировать с другими атомами. Элементы с полным внешним энергетическим уровнем обычно являются инертными или неактивными, такими как благородные газы (например, гелий, неон, аргон).

Резюме

Электронная конфигурация - это важное понятие в химии, поскольку оно помогает объяснить химическое поведение элемента. Понимая энергетические уровни, подоболочки и электронные конфигурации атомов, вы можете понять, почему элементы образуют определенные типы химических связей и как они взаимодействуют друг с другом. Принципы, такие как принцип исключения Паули, правило Хунда и концепция валентных электронов, дают нам информацию на микроскопическом уровне, чтобы предсказать и оценить макроскопический мир химии.

Комментарии