2.3. Електронні формули атомів.
Електронна ємність енергетичного підрівня визначається числом атомних орбіталей у підрівніі, виходячи з ємності кожної АТ, чисельно дорівнює 2(2l+1), а саме:
Енергетичний підрівень s p d f
Число АТ у підрівні (2l+1) 1 3 5 7
Електронна ємність підрівня 2(2l+1) 2 6 10 14
Електронна ємність енергетичного рівня визначається ємністю складових його енергетичних підрівнів і чисельно дорівнює 2n2,де n – значення головного квантового числа для електронів енергетичного рівня, що розглядається:
Приклад 2.2.1.Електронна ємність К – електронного шару.
Для електронів К - електронного шару головне квантове числоn=1, для якого орбітальне квантове числоlможе приймати єдине значення, що дорівнює нулю (див. приклад 2.1.1.). Отже, перший енергетичний рівень складається з єдиногоs-підрівня. Т.к. ємністьs-підрівня становить 2 електрони, електронна ємність першого енергетичного рівня, в цілому, також дорівнює двом. Аналогічний результат дає розрахунок електронної ємності за формулою 2n2.
Приклад 2.2.2.Електронна ємність М - електронного шару.
М – електронному шару відповідає значення головного квантового числаn=3, для якогоlможе приймати три значення: 0, 1, 2 (див. приклад 2.1.2.). Це означає, що третій енергетичний рівень включає три підрівні:s,p,d. Т.к. сумарна ємність цих трьох підрівнів становить 18 (2+6+10) електронів, електронна ємність третього енергетичного рівня, загалом, також дорівнює 18 електронів. Аналогічний результат виходить при використанні формули 2n2.
2.3. Електронні формули атомів.
У багатоелектронних атомах розміщення електронів відбувається відповідно до принципу найменшої енергії,згідно з яким формування електронних шарів здійснюється в порядку зростання енергії електронів. Порядок заповнення електронами енергетичних підрівнів атома визначається правилом Клечковського: енергетичні підрівні заповнюються електронами в порядку зростання суми головного та орбітального квантових чисел (n+l); якщо для будь-яких підрівнів сума (n+l) однакова, їх заповнення відбувається в порядку зростанняn.
Згадаємо, що головне квантове число визначає номер енергетичного рівня, а кожен підрівень визначається відповідним значенням орбітального квантового числа: дляs-підрівняl=0, дляp-підрівняl=1, дляd-підрівняl=2 і т.д. Щоб застосувати правило Клечковського, для кожного підрівня підраховуємо суму (n+l):
З результатів розрахунку слід, що першим заповнюватиметься 4s-підрівень як підрівень з найменшим значенням суми (n+l), другим заповнюватиметься 3d-підрівень, т.к. при рівності суми (n+l) з 4p-підрівнем 3d-підрівень має менше значенняn.
Отже, визначення черговості заповнення енергетичних підрівнів атома електронами необхідно підрахувати значення суми (n+l) всім підрівнів і, зіставивши ці суми, розмістити підрівні до ряду порядку зростання енергії:
Черговість заповнення 1s3.Щоб уникнути помилок при записі електронної формули атома, спочатку рекомендується проводити розміщення електронів у порядку дотримання підрівнів, що відповідає правилу Клечковського 4 ,і лише потім групувати підрівні за енергетичними рівнями.
Приклад 2.3.2.Електронна формула атома заліза.
Згідно з правилом Клечковського та принципом Паулі, 26 електронів атома заліза будуть заповнювати його енергетичні рівні та підрівні в наступній послідовності: 1s22s22p63s23p64s23d6.
Електронна формула показує, що підрівні 1s(n=1,l=0), 2s(n=2,l=0), 3s(n=3,l=0), 4s(n=4,l=0) містять по 2 електрони і є насиченими; підрівні 2p(n=2,l=1), 3p(n=3,l=1) містять по 6 електронів і також є насиченими; підрівень 3d(n=3,l=1) зі своїми 6 електронами ненасичений. З електронної формули видно також, що в атомі заліза його 26 електронів утворюють 4 електронних шари, причому останнім заповнюється d-підрівень переднього шару. За цією ознакою залізо як хімічний елемент відносять доd-електронного сімейства5(належить доd-елементів).
Найбільший вплив на хімічні властивості атома не здійснює його електронна конфігурація в цілому, а електронна будова валентних підрівнів.Валентними є всі підрівні зовнішнього шару плюс незавершені підрівні внутрішніх шарів.У розглянутому атомі заліза валентними є підрівні 3d 6 4s 2 . У цьому слід пам'ятати, що у незавершених підрівнях внутрішніх шарів валентними, зазвичай, є лише неспарені електрони. Виходячи з цього, за електронною формулою атома можна легко визначити його максимальну валентність (максимальний ступінь окислення), для чого користуючись правилом Хунда (див.нижче п.2.4.), необхідно зобразити графічно розподіл електронів по АТ незавершеного валентного підрівня. Так, в атомі заліза відповідно до правила Хунда із шести d-електронів неспареними є лише чотири:
Fe 3d 6
З урахуванням двох зовнішніх електронів, сумарна кількість валентних електронів в атомі заліза і, отже, його максимальна валентність дорівнює 6, а максимальна ступінь окислення має значення +6.