Электронная конфигурация
Электронная конфигурация показывает распределение электронов атома по орбиталям. Записи 1s², 2p⁶ и 3d⁵ обозначают заполнение квантовых состояний, а не классические траектории. Корректная конфигурация учитывает вместимость подоболочек, принцип Паули, правило Хунда и энергии многоэлектронного атома.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Подоболочки и их вместимость
s-подоболочка содержит одну орбиталь и максимум 2 электрона, p — три орбитали и 6 электронов, d — пять и 10, f — семь и 14. Верхний индекс показывает число электронов в данной подоболочке.
Например, основная конфигурация кислорода — 1s² 2s² 2p⁴. Все восемь электронов учтены, а наибольшее занятое главное квантовое число равно n = 2. Такая запись ничего не говорит о круговых орбитах.
Ауфбау, Паули и Хунд
Принцип заполнения Ауфбау — удобная модель построения основного состояния по энергиям орбиталей. Но порядок уровней возникает из энергии всей многоэлектронной системы и не является неизменной механической лестницей для любого атома или иона.
По принципу запрета Паули два электрона в атоме не могут иметь одинаковый набор всех четырёх квантовых чисел, поэтому в одной орбитали находятся максимум два электрона с противоположными спинами. Правило Хунда предпочитает одиночное заполнение вырожденных орбиталей до спаривания.
Орбитальная диаграмма для p⁴
В атоме три орбитали одной p-подоболочки образуют набор близких по энергии состояний. Для кислорода 2p⁴ первые три электрона занимают разные p-орбитали с параллельными спинами, а четвёртый спаривается в одной из них.
Такое распределение важно для магнетизма: у атома кислорода остаются два неспаренных p-электрона. Текстовая конфигурация показывает количество электронов, а диаграмма ячеек — характер их спаривания.
Ионы и переходные металлы
У катионов главных подгрупп электроны обычно удаляются с наиболее внешней занятой оболочки. Na: [Ne]3s¹ превращается в Na⁺: [Ne]. При образовании аниона электрон добавляется в доступное состояние подходящей энергии.
Для переходных металлов важна особенность: хотя в нейтральном атоме 4s заполняется перед 3d, при образовании катионов 4s-электроны обычно удаляются первыми. Fe = [Ar]3d⁶4s², а Fe²⁺ = [Ar]3d⁶.
Исключения и эксперимент
Основные состояния Cr и Cu приблизительно равны [Ar]3d⁵4s¹ и [Ar]3d¹⁰4s¹, а не механическим результатам простого правила Маделунга. Причина — полная энергия близких многоэлектронных конфигураций, а не отдельное мистическое правило.
Конфигурации проверяются атомными спектрами, последовательными энергиями ионизации и фотоэлектронной спектроскопией. PES показывает, что энергии связи электронов различных подоболочек зависят от конкретного атома.
Задачи
Кислород
Запишите основную конфигурацию O, Z = 8.
Решение: 1s² 2s² 2p⁴; в 2p остаются два неспаренных электрона.
Ион натрия
Какова конфигурация Na⁺, если Na = [Ne]3s¹?
Решение: Удаляется электрон 3s: Na⁺ = [Ne].
Железо(II)
Fe = [Ar]3d⁶4s². Какова конфигурация Fe²⁺?
Решение: Удаляются два электрона 4s: [Ar]3d⁶.