Электронная конфигурация атома

Электронная конфигурация — это запись того, как электроны атома распределены по энергетическим уровням и подуровням. У натрия она выглядит так: 1s²2s²2p⁶3s¹. Цифра впереди означает номер уровня, буква — тип подуровня, верхний индекс — число электронов на нём. Сложи индексы: 2 + 2 + 6 + 1 = 11. Это порядковый номер натрия, и такая проверка работает для любой записи.

Уровень с номером n вмещает не больше 2n² электронов

Электрон открыл Джозеф Джон Томсон в 1897 году, а картина уровней и подуровней сложилась только к 1925 году, когда появился принцип Паули. Наибольшее число электронов на уровне с номером n равно 2n². На первом уровне их не больше 2, на втором 8, на третьем 2 · 9 = 18. Каждый уровень делится на подуровни, и s-, p-, d- и f-подуровни вмещают соответственно 2, 6, 10 и 14 электронов.

Числа берутся из орбиталей: у s-подуровня одна орбиталь, у p три, у d пять, у f семь. По принципу Паули на одной орбитали помещается не больше двух электронов, и спины у них противоположные. Поэтому на p-подуровне 3 · 2 = 6 электронов, на d-подуровне 5 · 2 = 10.

Подуровни заполняются по правилу Клечковского

Электроны занимают подуровни в порядке роста энергии, и этот порядок задаёт правило Клечковского: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p. Подуровень 4s заполняется раньше 3d. Поэтому девятнадцатый электрон калия уходит на 4s, хотя третий уровень ещё не набрал своих 18 электронов, и конфигурация калия заканчивается на 3p⁶4s¹. У кальция там 4s², и только со скандия начинает заполняться 3d.

Ряд не обязательно зубрить: Клечковский сформулировал своё правило через сумму n + l, где l равно 0 для s, 1 для p, 2 для d и 3 для f. Подуровень с меньшей суммой заполняется раньше, а при равных суммах первым идёт подуровень с меньшим n. У 4s сумма 4 + 0 = 4, у 3d сумма 3 + 2 = 5, у 4p сумма 4 + 1 = 5, отсюда порядок 4s → 3d → 4p.

Длинные записи сокращают через благородный газ. Символ [Ar] заменяет 18 электронов аргона, то есть всю часть до 3p⁶ включительно. Калий тогда записывают как [Ar]4s¹.

Правило Хунда определяет число неспаренных электронов

По правилу Хунда электроны занимают орбитали подуровня сначала по одному, с одинаковыми спинами, и только потом встают в пары. У азота 2p³: три электрона сидят в трёх разных p-орбиталях, все неспаренные. У кислорода 2p⁴. Четвёртому электрону свободной орбитали уже нет, поэтому он садится к одному из первых трёх с противоположным спином и образует пару, а неспаренных электронов у атома кислорода остаётся два. Отсюда валентность II у кислорода.

Хром и медь выбиваются из общего порядка

По правилу Клечковского у хрома (Z = 24) ожидается 3d⁴4s². На деле один электрон с 4s переходит на 3d, и получается [Ar]3d⁵4s¹. Это называют провалом электрона. У меди (Z = 29) то же самое: [Ar]3d¹⁰4s¹ вместо 3d⁹4s². Наполовину заполненный d-подуровень (d⁵) и заполненный целиком (d¹⁰) устойчивее соседних вариантов, поэтому хрому выгоднее перебросить один электрон с 4s на 3d и получить пять одиночных d-электронов, чем остаться с конфигурацией по правилу. На этих двух исключениях задачи ловят постоянно.

По последнему подуровню элементы делят на s-, p- и d-семейства

Натрий и магний относятся к s-элементам: последний электрон у них приходит на s-подуровень. От бора до неона заполняется 2p, это p-элементы второго периода. Скандий открывает ряд d-элементов, и в короткой форме таблицы они стоят в побочных подгруппах. Номер периода совпадает с числом энергетических уровней. Хлор стоит в третьем периоде. Уровней у него три.

Типичные ошибки связаны с подуровнями 4s и 3d

• ❌ Девятнадцатый электрон калия идёт на 3d. ✅ Подуровень 4s ниже по энергии, у калия 4s¹.

• ❌ Ион Fe²⁺ теряет электроны с 3d. ✅ Первыми уходят два электрона внешнего 4s, остаётся [Ar]3d⁶.

• ❌ В записи 2p⁴ все электроны спарены. ✅ Пара одна, два электрона неспаренные.

• ❌ Сумма верхних индексов равна номеру группы. ✅ Она равна порядковому номеру; номеру группы у элементов главных подгрупп равно число электронов внешнего уровня.

Анион получается присоединением электронов. Сера принимает два и становится ионом S²⁻ с конфигурацией 3s²3p⁶ на внешнем уровне, как у аргона. Такие частицы с одинаковым числом электронов называют изоэлектронными: Cl⁻, Ar и K⁺ несут по 18 электронов.

В задачах ЕГЭ сначала пишут конфигурацию, потом считают электроны

Задача 1. Составь электронную конфигурацию атома серы и определи число неспаренных электронов в основном состоянии.

1. Сера стоит в таблице под номером 16, значит, в атоме 16 электронов.

2. По ряду Клечковского: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Проверка: 2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16.

3. На 3p-подуровне три орбитали и четыре электрона. Три электрона встают по одному, четвёртый образует пару.

4. Неспаренных электронов два.

Ответ: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴, два неспаренных электрона.

Задача 2. Запиши электронную конфигурацию иона Fe³⁺ и определи общее число электронов в нём.

1. Железо имеет номер 26, его конфигурация [Ar]3d⁶4s².

2. Заряд 3+ означает, что атом отдал три электрона: 26 − 3 = 23.

3. Первыми уходят два электрона подуровня 4s, третий уходит с 3d.

4. Остаётся [Ar]3d⁵, все пять d-электронов неспаренные.

Ответ: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵, в ионе 23 электрона.

Задача 3. Из элементов Na, Mg, Al, S и Cl выбери те, у атомов которых в основном состоянии ровно один неспаренный электрон.

1. Внешний уровень: Na 3s¹, Mg 3s², Al 3s²3p¹, S 3s²3p⁴, Cl 3s²3p⁵.

2. У магния 3s-орбиталь занята парой, неспаренных нет.

3. У натрия и алюминия по одному электрону без пары.

4. У серы неспаренных два, а у хлора пять p-электронов дают две пары и один одиночный электрон.

Ответ: Na, Al, Cl.