Kako pronaći elektronsku ljusku za h. Elektroničke formule atoma i dijagrami
Kemikalije su ono od čega se sastoji svijet oko nas.
Svojstva svake kemijske tvari podijeljena su u dvije vrste: kemijska, koja karakteriziraju njezinu sposobnost stvaranja drugih tvari, i fizička, koja se objektivno promatraju i mogu se promatrati odvojeno od kemijskih transformacija. Na primjer, fizikalna svojstva tvari su njezina agregatno stanje(kruto, tekuće ili plinovito), toplinska vodljivost, toplinski kapacitet, topljivost u različite sredine(voda, alkohol itd.), gustoća, boja, okus itd.
Preobrazbe nekih kemijske tvari u drugim se tvari nazivaju kemijskim pojavama ili kemijskim reakcijama. Treba napomenuti da postoje i fizikalni fenomeni koji su očito popraćeni promjenama u nekima fizička svojstva tvari bez pretvaranja u druge tvari. Fizikalni fenomeni, na primjer, uključuju topljenje leda, smrzavanje ili isparavanje vode itd.
Da se tijekom bilo kojeg procesa događa kemijska pojava može se zaključiti promatranjem karakteristične značajke kemijske reakcije, kao što su promjena boje, sedimentacija, razvijanje plina, toplina i/ili svjetlost.
Na primjer, zaključak o odvijanju kemijskih reakcija može se donijeti promatranjem:
Stvaranje taloga pri kuhanju vode, koji se u svakodnevnom životu naziva kamenac;
Oslobađanje topline i svjetlosti kada vatra gori;
Promjena boje reza svježe jabuke na zraku;
Stvaranje mjehurića plina tijekom fermentacije tijesta itd.
Najmanje čestice tvari koje se praktički ne mijenjaju tijekom kemijskih reakcija, već se samo međusobno povezuju na nov način, nazivaju se atomi.
Sama ideja o postojanju takvih jedinica materije nastala je još u drevna grčka u glavama antičkih filozofa, što zapravo objašnjava podrijetlo pojma “atom”, jer “atomos” u doslovnom prijevodu s grčkog znači “nedjeljiv”.
Međutim, suprotno ideji starogrčkih filozofa, atomi nisu apsolutni minimum materije, tj. sami imaju složenu strukturu.
Svaki atom se sastoji od takozvanih subatomskih čestica - protona, neutrona i elektrona, označenih redom simbolima p +, n o i e -. Gornji indeks u korištenoj oznaci označava da proton ima jedinični pozitivni naboj, elektron ima jedinični negativni naboj, a neutron nema naboj.
O kvalitetan uređaj atoma, tada su za svaki atom svi protoni i neutroni koncentrirani u takozvanoj jezgri, oko koje elektroni tvore elektronsku ljusku.
Proton i neutron imaju gotovo iste mase, tj. m p ≈ m n, a masa elektrona je gotovo 2000 puta manja od mase svakog od njih, tj. m p /m e ≈ m n /m e ≈ 2000.
Kako je temeljno svojstvo atoma njegova električna neutralnost, a naboj jednog elektrona jednak je naboju jednog protona, iz toga možemo zaključiti da je broj elektrona u bilo kojem atomu jednak broju protona.
Na primjer, donja tablica prikazuje mogući sastav atoma:
Vrsta atoma sa jednak naboj jezgre, tj. s jednakim brojem protona u svojim jezgrama nazivamo kemijskim elementom. Dakle, iz gornje tablice možemo zaključiti da atom1 i atom2 pripadaju jednom kemijskom elementu, a atom3 i atom4 drugom kemijskom elementu.
Svaki kemijski element ima svoje ime i individualni simbol koji se čita na određeni način. Tako se, primjerice, najjednostavniji kemijski element, čiji atomi sadrže samo jedan proton u jezgri, naziva "vodik" i označava se simbolom "H", koji se čita kao "pepeo", a kemijski element s nuklearni naboj od +7 (tj. sadrži 7 protona) - "dušik", ima simbol "N", koji se čita kao "en".
Kao što se može vidjeti iz gornje tablice, atomi jednog kemijski element mogu se razlikovati u broju neutrona u jezgri.
Atomi koji pripadaju istom kemijskom elementu, ali imaju različite količine neutroni i, kao posljedica toga, masa nazivaju se izotopi.
Na primjer, kemijski element vodik ima tri izotopa - 1 H, 2 H i 3 H. Indeksi 1, 2 i 3 iznad simbola H označavaju ukupan broj neutrona i protona. Oni. Znajući da je vodik kemijski element, kojeg karakterizira činjenica da se u jezgri njegovih atoma nalazi jedan proton, možemo zaključiti da u izotopu 1 H uopće nema neutrona (1-1 = 0), u izotop 2 H - 1 neutron (2-1=1) i izotop 3 H - dva neutrona (3-1=2). Budući da, kao što je već spomenuto, neutron i proton imaju iste mase, a masa elektrona je zanemarivo mala u usporedbi s njima, to znači da je izotop 2 H gotovo dvostruko teži od izotopa 1 H, a 3 Izotop H je čak tri puta teži. Zbog tako velike raspršenosti u masama izotopa vodika, izotopima 2H i 3H čak su dodijeljena zasebna individualna imena i simboli, što nije tipično ni za jedan drugi kemijski element. Izotop 2H je nazvan deuterij i dobio je simbol D, a izotop 3H je dobio ime tricij i dobio je simbol T.
Ako masu protona i neutrona uzmemo kao jednu, a zanemarimo masu elektrona, zapravo se gornji lijevi indeks, pored ukupnog broja protona i neutrona u atomu, može smatrati njegovom masom, pa stoga ovaj se indeks naziva masenim brojem i označava simbolom A. Budući da naboj jezgre bilo kojeg protona odgovara atomu, a naboj svakog protona konvencionalno se smatra jednakim +1, broj protona u jezgri naziva se broj naboja (Z). Označavanjem broja neutrona u atomu kao N, odnos između masenog broja, broja naboja i broja neutrona može se matematički izraziti kao:
Prema suvremenim konceptima, elektron ima dualnu (čestično-valnu) prirodu. Ima svojstva i čestice i vala. Kao i čestica, elektron ima masu i naboj, ali u isto vrijeme, protok elektrona, poput vala, karakterizira sposobnost difrakcije.
Za opisivanje stanja elektrona u atomu koriste se pojmovi kvantne mehanike prema kojima elektron nema određenu putanju gibanja i može se nalaziti u bilo kojoj točki prostora, ali s različitim vjerojatnostima.
Područje prostora oko jezgre gdje se najvjerojatnije nalazi elektron naziva se atomska orbitala.
Atomska orbitala može imati raznih oblika, veličina i orijentacija. Atomska orbitala naziva se i elektronski oblak.
Grafički se jedna atomska orbitala obično označava kao kvadratna ćelija:
Kvantna mehanika ima izuzetno složen matematički aparat, stoga se u okviru školskog tečaja kemije razmatraju samo posljedice kvantno-mehaničke teorije.
Prema tim posljedicama, svaka atomska orbitala i elektron koji se nalazi u njoj u potpunosti su karakterizirani s 4 kvantna broja.
- Glavni kvantni broj, n, određuje ukupnu energiju elektrona u danoj orbitali. Raspon vrijednosti glavnog kvantnog broja – sve cijeli brojevi, tj. n = 1,2,3,4, 5, itd.
- Orbitalni kvantni broj - l - karakterizira oblik atomske orbitale i može poprimiti bilo koju cjelobrojnu vrijednost od 0 do n-1, gdje je n, podsjetimo, glavni kvantni broj.
Orbitale s l = 0 nazivaju se s-orbitale. s-Orbitale su sfernog oblika i nemaju usmjerenost u prostoru:
Orbitale s l = 1 nazivaju se str-orbitale. Ove orbitale imaju oblik trodimenzionalne osmice, tj. oblik koji se dobiva rotiranjem osmice oko osi simetrije, a izvana podsjećaju na bučicu:
Orbitale s l = 2 nazivaju se d-orbitale, a uz l = 3 – f-orbitale. Njihova struktura je mnogo složenija.
3) Magnetski kvantni broj – m l – određuje prostornu orijentaciju određene atomske orbitale i izražava projekciju orbitalne kutne količine gibanja na pravac magnetsko polje. Magnetski kvantni broj m l odgovara orijentaciji orbitale u odnosu na smjer vektora jakosti vanjskog magnetskog polja i može poprimiti bilo koje cjelobrojne vrijednosti od –l do +l, uključujući 0, tj. ukupan broj mogućih vrijednosti je (2l+1). Tako, na primjer, za l = 0 m l = 0 (jedna vrijednost), za l = 1 m l = -1, 0, +1 (tri vrijednosti), za l = 2 m l = -2, -1, 0, + 1, +2 (pet vrijednosti magnetskog kvantnog broja), itd.
Tako, na primjer, p-orbitale, t.j. orbitale s orbitalnim kvantnim brojem l = 1, koje imaju oblik "trodimenzionalne osmice", odgovaraju trima vrijednostima magnetskog kvantnog broja (-1, 0, +1), koji zauzvrat, odgovaraju tri pravca okomita jedan na drugi u prostoru.
4) Spinski kvantni broj (ili jednostavno spin) - m s - može se konvencionalno smatrati odgovornim za smjer rotacije elektrona u atomu; on može poprimiti vrijednosti. Elektroni s različitim spinovima označeni su okomitim strelicama usmjerenim u različitim smjerovima: ↓ i .
Skup svih orbitala u atomu koje imaju isti glavni kvantni broj naziva se energetska razina ili elektronska ljuska. Bilo koja proizvoljna energetska razina s nekim brojem n sastoji se od n 2 orbitala.
Skup orbitala s istim vrijednostima glavnog kvantnog broja i orbitalnog kvantnog broja predstavlja energetsku podrazinu.
Svaka energetska razina, koja odgovara glavnom kvantnom broju n, sadrži n podrazina. Zauzvrat, svaka energetska podrazina s orbitalnim kvantnim brojem l sastoji se od (2l+1) orbitala. Dakle, podrazina s sastoji se od jedne s orbitale, podrazina p sastoji se od tri p orbitale, podrazina d sastoji se od pet d orbitala, a podrazina f sastoji se od sedam f orbitala. Budući da se, kao što je već spomenuto, jedna atomska orbitala često označava jednom kvadratnom ćelijom, s-, p-, d- i f-podrazine mogu se grafički prikazati na sljedeći način:
Svaka orbitala odgovara pojedinačnom strogo definiranom skupu od tri kvantna broja n, l i m l.
Raspodjela elektrona među orbitalama naziva se elektronska konfiguracija.
Punjenje atomskih orbitala elektronima događa se u skladu s tri uvjeta:
- Načelo minimalne energije: Elektroni ispunjavaju orbitale počevši od najniže energetske podrazine. Slijed podrazina u rastućem redoslijedu njihovih energija je sljedeći: 1s<2s<2p<3s<3p<4s≤3d<4p<5s≤4d<5p<6s…;
Kako bismo lakše zapamtili ovaj redoslijed ispunjavanja elektroničkih podrazina, vrlo je zgodna sljedeća grafička ilustracija:
- Paulijevo načelo: Svaka orbitala ne može sadržavati više od dva elektrona.
Ako se u orbitali nalazi jedan elektron, onda se on naziva nespareni, a ako su dva, onda se nazivaju elektronskim parom.
- Hundovo pravilo: najstabilnije stanje atoma je ono u kojem unutar jedne podrazine atom ima najveći mogući broj nesparenih elektrona. Ovo najstabilnije stanje atoma naziva se osnovnim stanjem.
Zapravo, gore navedeno znači da će se, na primjer, postavljanje 1., 2., 3. i 4. elektrona u tri orbitale p-podrazine izvesti na sljedeći način:
Popunjavanje atomskih orbitala od vodika, koji ima nabojni broj 1, do kriptona (Kr) s nabojnim brojem 36, izvršit će se na sljedeći način:
Takav prikaz redoslijeda popunjavanja atomskih orbitala naziva se energetski dijagram. Na temelju elektroničkih dijagrama pojedinih elemenata moguće je zapisati njihove tzv. elektroničke formule (konfiguracije). Tako, na primjer, element s 15 protona i, kao posljedica toga, 15 elektrona, tj. fosfor (P) će imati sljedeći energetski dijagram:
Kada se pretvori u elektroničku formulu, atom fosfora će poprimiti oblik:
15 P = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
Brojevi normalne veličine lijevo od simbola podrazine pokazuju broj energetske razine, a gornji indeksi desno od simbola podrazine pokazuju broj elektrona u odgovarajućoj podrazini.
Ispod su elektroničke formule prvih 36 elemenata periodnog sustava D.I. Mendeljejev.
| razdoblje | Predmet broj. | simbol | Ime | elektronska formula |
| ja | 1 | H | vodik | 1s 1 |
| 2 | On | helij | 1s 2 | |
| II | 3 | Li | litij | 1s 2 2s 1 |
| 4 | Biti | berilijum | 1s 2 2s 2 | |
| 5 | B | bor | 1s 2 2s 2 2p 1 | |
| 6 | C | ugljik | 1s 2 2s 2 2p 2 | |
| 7 | N | dušik | 1s 2 2s 2 2p 3 | |
| 8 | O | kisik | 1s 2 2s 2 2p 4 | |
| 9 | F | fluor | 1s 2 2s 2 2p 5 | |
| 10 | ne | neon | 1s 2 2s 2 2p 6 | |
| III | 11 | Na | natrij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 |
| 12 | Mg | magnezij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 | |
| 13 | Al | aluminij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 | |
| 14 | Si | silicij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 | |
| 15 | P | fosfor | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 | |
| 16 | S | sumpor | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 | |
| 17 | Cl | klor | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 | |
| 18 | Ar | argon | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 | |
| IV | 19 | K | kalij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 |
| 20 | ca | kalcij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 | |
| 21 | sc | skandij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 | |
| 22 | Ti | titanijum | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 | |
| 23 | V | vanadij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 | |
| 24 | Kr | krom | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 ovdje promatramo skok jednog elektrona s s na d podnivo | |
| 25 | Mn | mangan | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 | |
| 26 | Fe | željezo | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 | |
| 27 | Co | kobalt | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7 | |
| 28 | Ni | nikal | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8 | |
| 29 | Cu | bakar | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 ovdje promatramo skok jednog elektrona s s na d podnivo | |
| 30 | Zn | cinkov | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 | |
| 31 | ga | galij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1 | |
| 32 | Ge | germanij | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 2 | |
| 33 | Kao | arsen | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 3 | |
| 34 | Se | selen | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 4 | |
| 35 | Br | brom | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5 | |
| 36 | Kr | kripton | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 |
Kao što je već spomenuto, u svom osnovnom stanju elektroni u atomskim orbitalama smješteni su prema principu najmanje energije. Međutim, u prisutnosti praznih p-orbitala u osnovnom stanju atoma, često se, predajući mu višak energije, atom može prebaciti u tzv. pobuđeno stanje. Na primjer, atom bora u svom osnovnom stanju ima elektroničku konfiguraciju i energetski dijagram sljedećeg oblika:
5 B = 1s 2 2s 2 2p 1
I u pobuđenom stanju (*), tj. Kada se nešto energije prenese atomu bora, njegova elektronska konfiguracija i energetski dijagram izgledat će ovako:
5 B* = 1s 2 2s 1 2p 2
Ovisno o tome koja je podrazina u atomu zadnja ispunjena, kemijski elementi se dijele na s, p, d ili f.
Pronalaženje s, p, d i f elemenata u tablici D.I. Mendeljejev:
- S-elementi imaju zadnji s-podrazinu koju treba ispuniti. Ovi elementi uključuju elemente glavne (lijevo u ćeliji tablice) podskupine skupina I i II.
- Za p-elemente p-podrazina je popunjena. P-elementi uključuju zadnjih šest elemenata svakog razdoblja, osim prvog i sedmog, kao i elemente glavnih podskupina III-VIII skupina.
- d-elementi se nalaze između s- i p-elemenata u velikim periodima.
- f-Elementi se nazivaju lantanidi i aktinidi. Navedeni su na dnu tablice D.I. Mendeljejev.
Kada pišete elektroničke formule za atome elemenata, navedite energetske razine (vrijednosti glavnog kvantnog broja n u obliku brojeva - 1, 2, 3 itd.), energetske podrazine (vrijednosti orbitalnog kvantnog broja l u obliku slova - s, str, d, f) i broj na vrhu označavaju broj elektrona u određenoj podrazini.
Prvi element u tablici je D.I. Mendeljejev je vodik, dakle naboj jezgre atoma N jednako 1, atom ima samo jedan elektron po s-podrazina prve razine. Stoga elektronska formula atoma vodika ima oblik:
Drugi element je helij; njegov atom ima dva elektrona, pa je elektronska formula atoma helija 2 Ne 1s 2. Prva perioda uključuje samo dva elementa, budući da je prva energetska razina ispunjena elektronima, a mogu biti zauzeta samo sa 2 elektrona.
Treći element po redu - litij - već je u drugom razdoblju, stoga se njegova druga energetska razina počinje puniti elektronima (o tome smo gore govorili). Punjenje druge razine elektronima počinje s s-podrazine, stoga je elektronska formula atoma litija 3 Li 1s 2 2s 1 . Atom berilija je završen punjenjem elektronima s- podrazina: 4 Ve 1s 2 2s 2 .
U sljedećim elementima 2. perioda, druga energetska razina nastavlja biti ispunjena elektronima, samo što je sada ispunjena elektronima R-podrazina: 5 U 1s 2 2s 2 2R 1 ; 6 S 1s 2 2s 2 2R 2 … 10 ne 1s 2 2s 2 2R 6 .
Atom neona završava punjenje elektronima R-podnivo, ovaj element završava drugu periodu, ima osam elektrona, od s- I R-podrazine mogu sadržavati samo osam elektrona.
Elementi 3. perioda imaju sličan redoslijed popunjavanja energetskih podrazina treće razine elektronima. Elektronske formule atoma nekih elemenata ovog razdoblja su sljedeće:
11 Na 1s 2 2s 2 2R 6 3s 1 ; 12 Mg 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 ; 13 Al 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 1 ;
14 Si 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 2 ;…; 18 Ar 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 .
Treći period, kao i drugi, završava elementom (argonom), koji je potpuno ispunjen elektronima R-podrazina, iako treća razina uključuje tri podrazine ( s, R, d). Prema gornjem redoslijedu punjenja energetskih podrazina u skladu s pravilima Klečkovskog, energija podrazine 3 d više energije podrazine 4 s, stoga su atom kalija pored argona i atom kalcija iza njega ispunjeni elektronima 3 s– podrazina četvrte razine:
19 DO 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 1 ; 20 Sa 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 2 .
Počevši od 21. elementa - skandijuma, podrazina 3 u atomima elemenata počinje se puniti elektronima d. Elektronske formule atoma ovih elemenata su:
21 sc 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 2 3d 1 ; 22 Ti 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 2 3d 2 .
U atomima 24. elementa (kroma) i 29. elementa (bakar) uočava se pojava koja se naziva "istjecanje" ili "otkazivanje" elektrona: elektron iz vanjskog 4 s– podrazina „pada“ za 3 d– podrazina, ispunjavajući ga do pola (za krom) ili potpuno (za bakar), što doprinosi većoj stabilnosti atoma:
24 Kr 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 1 3d 5 (umjesto...4 s 2 3d 4) i
29 Cu 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 1 3d 10 (umjesto...4 s 2 3d 9).
Počevši od 31. elementa - galija, nastavlja se punjenje 4. razine elektronima, sada - R– podrazina:
31 ga 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 2 3d 10 4str 1 …; 36 Kr 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 4s 2 3d 10 4str 6 .
Ovim elementom završava četvrto razdoblje koje već uključuje 18 elemenata.
Sličan redoslijed popunjavanja energetskih podrazina elektronima javlja se u atomima elemenata 5. periode. Za prva dva (rubidij i stroncij) je ispunjen s– popunjava se podrazina 5. razine za sljedećih deset elemenata (od itrija do kadmija). d– podrazina 4. razine; Period upotpunjuje šest elemenata (od indija do ksenona), čiji su atomi ispunjeni elektronima R– podrazina vanjskog, peta razina. Postoji također 18 elemenata u razdoblju.
Za elemente šeste periode ovaj redoslijed popunjavanja je narušen. Na početku perioda, kao i obično, nalaze se dva elementa čiji su atomi ispunjeni elektronima s– podrazina vanjske, šeste, razine. Sljedeći element iza njih, lantan, počinje se puniti elektronima d– podrazina prethodne razine, tj. 5 d. Ovo dovršava punjenje elektronima 5 d-podrazina prestaje i sljedećih 14 elemenata - od cerija do lutecija - počinju se puniti f-podrazina 4. razine. Svi su ti elementi uključeni u jednu ćeliju tablice, a ispod je prošireni red tih elemenata koji se nazivaju lantanidi.
Počevši od 72. elementa - hafnija - do 80. elementa - žive, punjenje elektronima se nastavlja 5 d-podrazina, a razdoblje završava, kao i obično, sa šest elemenata (od talija do radona), čiji su atomi ispunjeni elektronima R– podrazina vanjske, šeste, razine. Ovo je najveće razdoblje, uključujući 32 elementa.
U atomima elemenata sedme, nepotpune, periode vidljiv je isti redoslijed popunjavanja podrazina kao što je gore opisano. Prepuštamo učenicima da sami napišu elektroničke formule atoma elemenata 5. – 7. periode, vodeći računa o svemu navedenom.
Bilješka:U nekim udžbenicima dopušten je drugačiji redoslijed pisanja elektroničkih formula atoma elemenata: ne redoslijedom kojim su popunjene, već u skladu s brojem elektrona na svakoj energetskoj razini danim u tablici. Na primjer, elektronska formula atoma arsena može izgledati ovako: As 1s 2 2s 2 2R 6 3s 2 3str 6 3d 10 4s 2 4str 3 .
Struktura elektroničkih ljuski atoma elemenata prve četiri periode: $s-$, $p-$ i $d-$elementi. Elektronička konfiguracija atoma. Osnovno i pobuđeno stanje atoma
Koncept atoma nastao je u starom svijetu za označavanje čestica materije. U prijevodu s grčkog, atom znači "nedjeljiv".
Elektroni
Irski fizičar Stoney na temelju pokusa došao je do zaključka da elektricitet prenose najsitnije čestice koje postoje u atomima svih kemijskih elemenata. Godine 1891. g. Stoney je predložio da se te čestice nazovu elektroni, što na grčkom znači "jantar".
Nekoliko godina nakon što je elektron dobio ime, engleski fizičar Joseph Thomson i francuski fizičar Jean Perrin dokazali su da elektroni nose negativan naboj. To je najmanji negativni naboj koji se u kemiji uzima kao jedinica $(–1)$. Thomson je čak uspio odrediti brzinu elektrona (jednaka je brzini svjetlosti - 300 000 $ km/s) i masu elektrona (1836 $ puta manja od mase atoma vodika).
Thomson i Perrin spojili su polove izvora struje s dvije metalne ploče - katodom i anodom, zalemljenima u staklenu cijev iz koje se odvodi zrak. Kada se na elektrodne ploče dovede napon od oko 10 tisuća volti, u cijevi je zabljesnulo svjetlosno pražnjenje, a čestice su poletjele s katode (negativni pol) na anodu (pozitivni pol), što su znanstvenici prvo nazvali katodne zrake, a zatim otkrili da je to struja elektrona. Elektroni koji udaraju u posebne tvari, poput onih na TV ekranu, uzrokuju sjaj.
Izveden je zaključak: elektroni bježe iz atoma materijala od kojeg je izrađena katoda.
Slobodni elektroni ili njihov tok mogu se dobiti na druge načine, na primjer, zagrijavanjem metalne žice ili osvjetljavanjem metala koje tvore elementi glavne podskupine I. skupine periodnog sustava (na primjer, cezij).
Stanje elektrona u atomu
Stanje elektrona u atomu shvaća se kao ukupnost informacija o energije određeni elektron u prostor, u kojem se nalazi. Već znamo da elektron u atomu nema putanju gibanja, tj. možemo samo razgovarati o vjerojatnosti njegov položaj u prostoru oko jezgre. Može se nalaziti u bilo kojem dijelu tog prostora koji okružuje jezgru, a skup različitih položaja smatra se elektronskim oblakom s određenom gustoćom negativnog naboja. Slikovito se to može zamisliti ovako: kada bi bilo moguće fotografirati položaj elektrona u atomu nakon stotinki ili milijuntinki sekunde, kao u fotofinišu, tada bi elektron na takvim fotografijama bio predstavljen kao točka. Kada bi se bezbroj takvih fotografija superponiralo, slika bi bila elektronski oblak najveće gustoće gdje je i najviše tih točaka.
Slika prikazuje “presjek” takve gustoće elektrona u atomu vodika koji prolazi kroz jezgru, a isprekidana linija ograničava sferu unutar koje je vjerojatnost detekcije elektrona $90%$. Kontura najbliža jezgri pokriva područje prostora u kojem je vjerojatnost detekcije elektrona $10%$, vjerojatnost detekcije elektrona unutar druge konture od jezgre je $20%$, unutar treće je $≈30% $, itd. Postoji određena nesigurnost u stanju elektrona. Da bi okarakterizirao ovo posebno stanje, njemački fizičar W. Heisenberg uveo je pojam princip neizvjesnosti, tj. pokazao je da je nemoguće istodobno i točno odrediti energiju i položaj elektrona. Što je preciznije određena energija elektrona, to je njegov položaj neizvjesniji, i obrnuto, nakon određivanja položaja nemoguće je odrediti energiju elektrona. Raspon vjerojatnosti detekcije elektrona nema jasne granice. Međutim, moguće je odabrati prostor u kojem je vjerojatnost pronalaska elektrona najveća.
Prostor oko atomske jezgre u kojem se najvjerojatnije nalazi elektron naziva se orbitala.
Sadrži približno $90%$ elektronskog oblaka, što znači da je oko $90%$ vremena elektron u ovom dijelu svemira. Na temelju oblika poznate su četiri vrste orbitala koje se označavaju latiničnim slovima $s, p, d$ i $f$. Grafički prikaz nekih oblika elektronskih orbitala prikazan je na slici.
Najvažnija karakteristika gibanja elektrona po određenoj orbitali je energija njegovog vezanja s jezgrom. Elektroni sa sličnim energetskim vrijednostima tvore jedan sloj elektrona, ili razina energije. Energetske razine su numerirane počevši od jezgre: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ i $7$.
Cijeli broj $n$ koji označava broj energetske razine naziva se glavni kvantni broj.
Karakterizira energiju elektrona koji zauzimaju određenu energetsku razinu. Najnižu energiju imaju elektroni prve energetske razine, najbliže jezgri. U usporedbi s elektronima prve razine, elektrone sljedećih razina karakterizira velika količina energije. Posljedično, elektroni vanjske razine najslabije su vezani za atomsku jezgru.
Broj energetskih razina (elektronskih slojeva) u atomu jednak je broju periode u sustavu D. I. Mendeljejeva kojem kemijski element pripada: atomi elemenata prve periode imaju jednu energetsku razinu; drugi period - dva; sedmo razdoblje - sedam.
Najveći broj elektrona na energetskoj razini određen je formulom:
gdje je $N$ najveći broj elektrona; $n$ je broj razine, odnosno glavni kvantni broj. Posljedično: na prvoj energetskoj razini najbližoj jezgri ne mogu biti više od dva elektrona; na drugom - ne više od 8 $; na trećem - ne više od 18 $; na četvrtom - ne više od 32 $. A kako su, pak, raspoređene energetske razine (elektronički slojevi)?
Počevši od druge energetske razine $(n = 2)$, svaka od razina je podijeljena na podrazine (podslojeve), međusobno malo različite u energiji vezivanja s jezgrom.
Broj podrazina jednak je vrijednosti glavnog kvantnog broja: prva energetska razina ima jednu podrazinu; drugi - dva; treći - tri; četvrti - četiri. Podrazine, pak, tvore orbitale.
Svaka vrijednost $n$ odgovara broju orbitala jednakom $n^2$. Prema podacima prikazanim u tablici, može se pratiti veza između glavnog kvantnog broja $n$ i broja podrazina, tipa i broja orbitala, te maksimalnog broja elektrona na podrazini i razini.
Glavni kvantni broj, vrste i broj orbitala, najveći broj elektrona u podrazinama i razinama.
| Razina energije $(n)$ | Broj podrazina jednak je $n$ | Orbitalni tip | Broj orbitala | Maksimalan broj elektrona | ||
| u podrazini | na razini koja je jednaka $n^2$ | u podrazini | na razini jednakoj $n^2$ | |||
| $K(n=1)$ | $1$ | $1s$ | $1$ | $1$ | $2$ | $2$ |
| $L(n=2)$ | $2$ | $2s$ | $1$ | $4$ | $2$ | $8$ |
| $2p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $M(n=3)$ | $3$ | $3s$ | $1$ | $9$ | $2$ | $18$ |
| $3p$ | $3$ | $6$ | ||||
| 3d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $N(n=4)$ | $4$ | $4s$ | $1$ | $16$ | $2$ | $32$ |
| $4p$ | $3$ | $6$ | ||||
| 4d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $4f$ | $7$ | $14$ | ||||
Podrazine se obično označavaju latiničnim slovima, kao i oblik orbitala od kojih se sastoje: $s, p, d, f$. Tako:
- $s$-podrazina - prva podrazina svake energetske razine najbliža atomskoj jezgri, sastoji se od jedne $s$-orbitale;
- $p$-podrazina - druga podrazina svake, osim prve, energetske razine sastoji se od tri $p$-orbitale;
- $d$-podrazina - treća podrazina svake, počevši od treće, energetske razine, sastoji se od pet $d$-orbitala;
- $f$-podrazina svake, počevši od četvrte energetske razine, sastoji se od sedam $f$-orbitala.
Atomska jezgra
Ali nisu samo elektroni dio atoma. Fizičar Henri Becquerel otkrio je da prirodni mineral koji sadrži uranovu sol također emitira nepoznato zračenje, izlažući fotografske filmove zaštićene od svjetlosti. Ova pojava je nazvana radioaktivnost.
Postoje tri vrste radioaktivnih zraka:
- $α$-zrake, koje se sastoje od $α$-čestica koje imaju naboj $2$ puta veći od naboja elektrona, ali s pozitivnim predznakom, i masu $4$ puta veću od mase atoma vodika;
- $β$-zrake predstavljaju tok elektrona;
- $γ$-zrake su elektromagnetski valovi zanemarive mase koji ne nose električni naboj.
Posljedično, atom ima složenu strukturu - sastoji se od pozitivno nabijene jezgre i elektrona.
Kako je strukturiran atom?
Godine 1910. u Cambridgeu, blizu Londona, Ernest Rutherford i njegovi studenti i kolege proučavali su raspršenje $α$ čestica koje prolaze kroz tanku zlatnu foliju i padaju na ekran. Alfa čestice obično su odstupale od prvotnog smjera samo za jedan stupanj, prividno potvrđujući ujednačenost i ujednačenost svojstava atoma zlata. I odjednom su istraživači primijetili da su neke $α$ čestice naglo promijenile smjer svoje staze, kao da nailaze na nekakvu prepreku.
Postavljajući ekran ispred folije, Rutherford je uspio detektirati čak i one rijetke slučajeve kada su $α$ čestice, reflektirane od atoma zlata, letjele u suprotnom smjeru.
Izračuni su pokazali da bi se opaženi fenomeni mogli dogoditi ako bi se cijela masa atoma i sav njegov pozitivni naboj koncentrirali u sićušnoj središnjoj jezgri. Polumjer jezgre, kako se pokazalo, 100.000 puta manji je od polumjera cijelog atoma, područja u kojem se nalaze elektroni s negativnim nabojem. Ako primijenimo figurativnu usporedbu, tada se cijeli volumen atoma može usporediti sa stadionom u Luzhnikiju, a jezgra se može usporediti s nogometnom loptom koja se nalazi u središtu igrališta.
Atom bilo kojeg kemijskog elementa usporediv je sa sićušnim Sunčevim sustavom. Stoga se ovaj model atoma, koji je predložio Rutherford, naziva planetarnim.
Protoni i neutroni
Ispostavilo se da se sićušna atomska jezgra, u kojoj je koncentrirana cjelokupna masa atoma, sastoji od dvije vrste čestica - protona i neutrona.
Protoni imaju naboj jednak naboju elektrona, ali suprotnog predznaka $(+1)$, i masu jednaku masi atoma vodika (u kemiji se uzima kao jedinica). Protoni se označavaju znakom $↙(1)↖(1)p$ (ili $p+$). Neutroni ne nose naboj, neutralni su i imaju masu jednaku masi protona, tj. $1$. Neutroni se označavaju znakom $↙(0)↖(1)n$ (ili $n^0$).
Protoni i neutroni zajedno se nazivaju nukleoni(od lat. jezgra- jezgra).
Zbroj broja protona i neutrona u atomu naziva se maseni broj. Na primjer, maseni broj atoma aluminija je:
Budući da se zanemarivo mala masa elektrona može zanemariti, očito je da je cjelokupna masa atoma koncentrirana u jezgri. Elektroni su označeni na sljedeći način: $e↖(-)$.
Budući da je atom električki neutralan, očito je i da da je broj protona i elektrona u atomu isti. Jednak je atomskom broju kemijskog elementa, dodijeljen mu u periodnom sustavu. Na primjer, jezgra atoma željeza sadrži $26$ protona, a $26$ elektrona kruži oko jezgre. Kako odrediti broj neutrona?
Kao što je poznato, masa atoma sastoji se od mase protona i neutrona. Poznavajući redni broj elementa $(Z)$, tj. broj protona i maseni broj $(A)$, jednak zbroju brojeva protona i neutrona, broj neutrona $(N)$ može se pronaći pomoću formule:
Na primjer, broj neutrona u atomu željeza je:
$56 – 26 = 30$.
U tablici su prikazane glavne karakteristike elementarnih čestica.
Osnovne karakteristike elementarnih čestica.
Izotopi
Varijante atoma istog elementa koji imaju isti nuklearni naboj, ali različite masene brojeve nazivaju se izotopi.
Riječ izotop sastoji se od dvije grčke riječi: isos- istovjetan i topos- mjesto, znači “zauzimanje jednog mjesta” (ćelije) u periodnom sustavu elemenata.
Kemijski elementi koji se nalaze u prirodi mješavina su izotopa. Dakle, ugljik ima tri izotopa s masama $12, 13, 14$; kisik - tri izotopa s masama $16, 17, 18, itd.
Obično je relativna atomska masa kemijskog elementa navedena u periodnom sustavu prosječna vrijednost atomskih masa prirodne mješavine izotopa danog elementa, uzimajući u obzir njihovu relativnu zastupljenost u prirodi, stoga vrijednosti atomskih mase su dosta često frakcijske. Na primjer, prirodni atomi klora su mješavina dvaju izotopa - $35$ (u prirodi ih ima $75%$) i $37$ (u prirodi su $25%$); stoga je relativna atomska masa klora 35,5$. Izotopi klora zapisuju se na sljedeći način:
$↖(35)↙(17)(Cl)$ i $↖(37)↙(17)(Cl)$
Kemijska svojstva izotopa klora potpuno su ista, kao i izotopi većine kemijskih elemenata, na primjer kalija, argona:
$↖(39)↙(19)(K)$ i $↖(40)↙(19)(K)$, $↖(39)↙(18)(Ar)$ i $↖(40)↙(18 )(Ar)$
Međutim, svojstva izotopa vodika jako variraju zbog dramatičnog višestrukog povećanja njihove relativne atomske mase; čak su dobili i pojedinačna imena i kemijske simbole: protij - $↖(1)↙(1)(H)$; deuterij - $↖(2)↙(1)(H)$, ili $↖(2)↙(1)(D)$; tricij - $↖(3)↙(1)(H)$, ili $↖(3)↙(1)(T)$.
Sada možemo dati moderniju, strožu i znanstvenu definiciju kemijskog elementa.
Kemijski element skup je atoma s istim nuklearnim nabojem.
Struktura elektroničkih ljuski atoma elemenata prve četiri periode
Razmotrimo prikaz elektroničkih konfiguracija atoma elemenata prema periodima sustava D.I.Mendelejeva.
Elementi prvog razdoblja.
Dijagrami elektroničke strukture atoma prikazuju raspodjelu elektrona po elektroničkim slojevima (razinama energije).
Elektroničke formule atoma pokazuju raspodjelu elektrona po energetskim razinama i podrazinama.
Grafičke elektroničke formule atoma prikazuju raspodjelu elektrona ne samo po razinama i podrazinama, već i po orbitalama.
U atomu helija, prvi elektronski sloj je potpun - sadrži $2$ elektrona.
Vodik i helij su $s$ elementi; $s$ orbitala ovih atoma ispunjena je elektronima.
Elementi drugog razdoblja.
Za sve elemente druge periode, prvi sloj elektrona je ispunjen, a elektroni ispunjavaju $s-$ i $p$ orbitale drugog sloja elektrona u skladu s načelom najmanje energije (prvo $s$, a zatim $p$ ) i pravila Paulija i Hunda.
U atomu neona, drugi elektronski sloj je završen - sadrži $8$ elektrona.
Elementi trećeg razdoblja.
Za atome elemenata treće periode prvi i drugi elektronski sloj su dovršeni, pa je popunjen treći elektronski sloj u kojem elektroni mogu zauzeti 3s-, 3p- i 3d-podrazine.
Struktura elektroničkih ljuski atoma elemenata treće periode.
Atom magnezija završava svoju elektronsku orbitalu od 3,5$. $Na$ i $Mg$ su $s$-elementi.
U aluminiju i sljedećim elementima, podrazina $3d$ ispunjena je elektronima.
| $↙(18)(Ar)$ Argon |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)s^2(3)p^6$ |  |
Atom argona ima $8$ elektrona u svom vanjskom sloju (treći sloj elektrona). Kako je vanjski sloj završen, ali ukupno u trećem elektronskom sloju, kao što već znate, može biti 18 elektrona, što znači da elementi treće periode imaju nepopunjene $3d$-orbitale.
Svi elementi od $Al$ do $Ar$ su $r$ -elementi.
$s-$ i $p$ -elementi oblik glavne podskupine u periodnom sustavu.
Elementi četvrtog razdoblja.
Atomi kalija i kalcija imaju četvrti elektronski sloj i podrazina $4s$ je ispunjena, jer ima nižu energiju od podrazine $3d$. Za pojednostavljenje grafičkih elektroničkih formula atoma elemenata četvrte periode:
- Označimo konvencionalnu grafičku elektroničku formulu argona na sljedeći način: $Ar$;
- Nećemo prikazati podrazine koje nisu ispunjene ovim atomima.
$K, Ca$ - $s$ -elementi, uključeni u glavne podskupine. Za atome od $Sc$ do $Zn$, 3d podrazina je ispunjena elektronima. Ovo su $3d$ elementi. Uključeni su u bočne podskupine, njihov vanjski elektronski sloj je ispunjen, klasificiraju se kao prijelazni elementi.
Obratite pozornost na strukturu elektroničkih ljuski atoma kroma i bakra. U njima jedan elektron “otkaže” s $4s-$ na $3d$ podrazinu, što se objašnjava većom energetskom stabilnošću rezultirajućih $3d^5$ i $3d^(10)$ elektroničkih konfiguracija:
$↙(24)(Cr)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(4) 4s^(2)…$ 
$↙(29)(Cu)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(9)4s^(2)…$ 
| Simbol elementa, serijski broj, naziv | Dijagram elektroničke strukture | Elektronska formula | Grafička elektronička formula |
| $↙(19)(K)$ Kalij |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1$ | |
| $↙(20)(C)$ Kalcij |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2$ | |
| $↙(21)(Sc)$ Skandij |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^1$ ili $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^1(4)s^1$ |  |
| $↙(22)(Ti)$ Titan |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^2$ ili $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^2(4)s^2$ |  |
| $↙(23)(V)$ Vanadij |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^3$ ili $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^3(4)s^2$ |  |
| $↙(24)(Cr)$ Krom |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^5$ ili $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^5(4)s^1$ |  |
| $↙(29)(Cu)$ Krom |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^(10)$ ili $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^1$ |  |
| $↙(30)(Zn)$ Cink |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)$ ili $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^2$ |  |
| $↙(31)(Ga)$ Galij |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^(1)$ ili $1s^2(2) s^2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^(1)$ |  |
| $↙(36)(Kr)$ Kripton |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^6$ ili $1s^2(2)s^ 2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^6$ |  |
U atomu cinka treći elektronski sloj je završen - u njemu su popunjene sve $3s, 3p$ i $3d$ podrazine, s ukupno $18$ elektrona.
U elementima koji slijede nakon cinka, četvrti elektronski sloj, podrazina $4p$, nastavlja se puniti. Elementi od $Ga$ do $Kr$ - $r$ -elementi.
Vanjski (četvrti) sloj atoma kriptona je potpun i ima $8$ elektrona. Ali ukupno u četvrtom elektronskom sloju, kao što znate, može biti $32$ elektrona; atom kriptona još uvijek ima nepopunjene podrazine $4d-$ i $4f$.
Za elemente pete periode podrazine se popunjavaju sljedećim redoslijedom: $5s → 4d → 5p$. A postoje i iznimke povezane s "kvarom" elektrona u $↙(41)Nb$, $↙(42)Mo$, $↙(44)Ru$, $↙(45)Rh$, $↙(46 ) Pd$, $↙(47)Ag$. $f$ se pojavljuje u šestoj i sedmoj periodi -elementi, tj. elementi za koje su popunjene podrazine $4f-$ i $5f$ trećeg vanjskog elektroničkog sloja.
$4f$ -elementi nazvao lantanoidi.
$5f$ -elementi nazvao aktinidi.
Redoslijed popunjavanja elektroničkih podrazina u atomima elemenata šeste periode: $↙(55)Cs$ i $↙(56)Ba$ - $6s$ elementi; $↙(57)La ... 6s^(2)5d^(1)$ - $5d$-element; $↙(58)Se$ – $↙(71)Lu - 4f$-elementi; $↙(72)Hf$ – $↙(80)Hg - 5d$-elemenata; $↙(81)T1$ – $↙(86)Rn - 6d$-elemenata. Ali i ovdje postoje elementi kod kojih je narušen redoslijed popunjavanja elektronskih orbitala, što je, na primjer, povezano s većom energetskom stabilnošću polu i potpuno ispunjenih $f$-podrazina, tj. $nf^7$ i $nf^(14)$.
Ovisno o tome koja je podrazina atoma posljednja ispunjena elektronima, svi elementi, kao što ste već razumjeli, podijeljeni su u četiri elektronske obitelji ili blokova:
- $s$ -elementi;$s$-podrazina vanjske razine atoma ispunjena je elektronima; $s$-elementi uključuju vodik, helij i elemente glavnih podskupina I. i II.
- $p$ -elementi;$p$-podrazina vanjske razine atoma ispunjena je elektronima; $p$-elementi uključuju elemente glavnih podskupina III–VIII skupina;
- $d$ -elementi;$d$-podrazina predvanjske razine atoma ispunjena je elektronima; $d$-elementi uključuju elemente sekundarnih podskupina skupina I–VIII, tj. elementi interkalarnih dekada velikih perioda koji se nalaze između $s-$ i $p-$elemenata. Također se nazivaju prijelazni elementi;
- $f$ -elementi; elektroni ispunjavaju $f-$podrazinu treće vanjske razine atoma; tu spadaju lantanidi i aktinoidi.
Elektronička konfiguracija atoma. Osnovno i pobuđeno stanje atoma
Švicarski fizičar W. Pauli 1925. godine otkrio je da atom ne može imati više od dva elektrona u jednoj orbitali, sa suprotnim (antiparalelnim) leđima (prevedeno s engleskog kao vreteno), tj. posjedujući svojstva koja se konvencionalno mogu zamisliti kao rotacija elektrona oko njegove zamišljene osi u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od njega. Ovaj princip se zove Paulijevo načelo.
Ako postoji jedan elektron u orbitali, zove se nesparen, ako dva, onda ovo sparenih elektrona, tj. elektroni sa suprotnim spinovima.
Na slici je prikazan dijagram podjele energetskih razina na podrazine.
$s-$ Orbitalni, kao što već znate, ima sferni oblik. Elektron atoma vodika $(n = 1)$ nalazi se u ovoj orbitali i nije sparen. Iz tog razloga to elektronska formula, ili elektronička konfiguracija, piše se ovako: $1s^1$. U elektronskim formulama broj energetske razine označava se brojem ispred slova $(1...)$, latinično slovo označava podrazinu (vrstu orbitale), a broj napisan desno iznad slovo (kao eksponent) pokazuje broj elektrona u podrazini.
Za atom helija He, koji ima dva uparena elektrona u jednoj $s-$orbitali, ova formula je: $1s^2$. Elektronski omotač atoma helija je potpun i vrlo stabilan. Helij je plemeniti plin. Na drugoj energetskoj razini $(n = 2)$ nalaze se četiri orbitale, jedna $s$ i tri $p$. Elektroni $s$-orbitale druge razine ($2s$-orbitala) imaju veću energiju, jer nalaze se na većoj udaljenosti od jezgre nego elektroni $1s$ orbitale $(n = 2)$. Općenito, za svaku vrijednost $n$ postoji jedna $s-$orbitala, ali s odgovarajućom opskrbom energijom elektrona na njoj i, prema tome, s odgovarajućim promjerom, koji raste kako vrijednost $n$ raste. $ s-$Orbitala, kao što već znate, ima sferni oblik. Elektron atoma vodika $(n = 1)$ nalazi se u ovoj orbitali i nije sparen. Stoga je njegova elektronička formula, odnosno elektronička konfiguracija, zapisana na sljedeći način: $1s^1$. U elektronskim formulama broj energetske razine označava se brojem ispred slova $(1...)$, latinično slovo označava podrazinu (vrstu orbitale), a broj napisan desno iznad slovo (kao eksponent) pokazuje broj elektrona u podrazini.
Za atom helija $He$, koji ima dva uparena elektrona u jednoj $s-$orbitali, ova formula je: $1s^2$. Elektronski omotač atoma helija je potpun i vrlo stabilan. Helij je plemeniti plin. Na drugoj energetskoj razini $(n = 2)$ nalaze se četiri orbitale, jedna $s$ i tri $p$. Elektroni $s-$orbitala druge razine ($2s$-orbitale) imaju veću energiju, jer nalaze se na većoj udaljenosti od jezgre nego elektroni $1s$ orbitale $(n = 2)$. Općenito, za svaku vrijednost $n$ postoji jedna $s-$orbitala, ali s odgovarajućom opskrbom energijom elektrona na njoj i, prema tome, s odgovarajućim promjerom, koji raste kako se povećava vrijednost $n$. 
$p-$ Orbitalni ima oblik bučice ili voluminozne osmice. Sve tri $p$-orbitale nalaze se u atomu međusobno okomito duž prostornih koordinata povučenih kroz jezgru atoma. Treba još jednom naglasiti da svaka energetska razina (elektronički sloj), počevši od $n= 2$, ima tri $p$-orbitale. Kako vrijednost $n$ raste, elektroni zauzimaju $p$-orbitale koje se nalaze na velikim udaljenostima od jezgre i usmjerene su duž $x,y,z$ osi.
Za elemente druge periode $(n = 2)$ najprije se popunjava jedna $s$-orbitala, a zatim tri $p$-orbitale; elektronska formula $Li: 1s^(2)2s^(1)$. Elektron $2s^1$ slabije je vezan za jezgru atoma, pa ga se atom litija može lako odreći (kao što se očito sjećate, taj se proces naziva oksidacija), pretvarajući se u litijev ion $Li^+$ .
U atomu berilija Be, četvrti elektron se također nalazi u $2s$ orbitali: $1s^(2)2s^(2)$. Dva vanjska elektrona atoma berilija lako se odvajaju - $B^0$ se oksidira u kation $Be^(2+)$.
U atomu bora, peti elektron zauzima $2p$ orbitalu: $1s^(2)2s^(2)2p^(1)$. Zatim se atomi $C, N, O, F$ popunjavaju $2p$-orbitalama, koje završavaju s plemenitim plinom neonom: $1s^(2)2s^(2)2p^(6)$.
Za elemente treće periode popunjene su orbitale $3s-$ odnosno $3p$. Pet $d$-orbitala treće razine ostaje slobodno:
$↙(11)Na 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(1)$,
$↙(17)Cl 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(5)$,
$↙(18)Ar 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)$.
Ponekad se u dijagramima koji prikazuju raspodjelu elektrona u atomima navodi samo broj elektrona na svakoj energetskoj razini, tj. pisati skraćene elektroničke formule atoma kemijskih elemenata, za razliku od gore navedenih potpunih elektroničkih formula, na primjer:
$↙(11)Na 2, 8, 1;$ $↙(17)Cl 2, 8, 7;$ $↙(18)Ar 2, 8, 8$.
Za elemente velikih perioda (četvrti i peti), prva dva elektrona zauzimaju $4s-$ odnosno $5s$ orbitale: $↙(19)K 2, 8, 8, 1;$ $↙(38)Sr 2 , 8, 18, 8, 2$. Počevši od trećeg elementa svake velike periode, sljedećih deset elektrona će ići na prethodne $3d-$ odnosno $4d-$orbitale (za elemente bočnih podskupina): $↙(23)V 2, 8, 11 , 2;$ $↙( 26)Fr 2, 8, 14, 2;$ $↙(40)Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙(43)Tc 2, 8, 18, 13, 2$. U pravilu, kada se popuni prethodna $d$-podrazina, počinje se popunjavati vanjska ($4r-$ odnosno $5r-$) $r-$podrazina: $↙(33)As 2, 8 , 18, 5;$ $ ↙(52)Te 2, 8, 18, 18, 6$.
Za elemente velikih perioda - šesti i nepotpuni sedmi - elektroničke razine i podrazine ispunjene su elektronima, u pravilu, ovako: prva dva elektrona ulaze u vanjsku $s-$podrazinu: $↙(56)Ba 2, 8 , 18, 18, 8, 2;$ $↙(87)Pt 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; sljedeći jedan elektron (za $La$ i $Ca$) na prethodnu $d$-podrazinu: $↙(57)La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ i $↙(89)Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.
Tada će sljedećih $14$ elektrona otići na treću vanjsku energetsku razinu, na $4f$ i $5f$ orbitale lantanida i aktinoida, redom: $↙(64)Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2; $$↙(92 )U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.
Zatim će se ponovno početi graditi druga vanjska energetska razina ($d$-podrazina) elemenata bočnih podskupina: $↙(73)Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙(104)Rf 2, 8, 18 , 32, 32, 10, 2$. I konačno, tek nakon što se $d$-podrazina u potpunosti ispuni s deset elektrona, ponovno će se ispuniti $p$-podrazina: $↙(86)Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.
Vrlo često se struktura elektroničkih ljuski atoma prikazuje pomoću energetskih ili kvantnih ćelija – tzv. grafičke elektronske formule. Za ovu se oznaku koristi sljedeća oznaka: svaka kvantna stanica označena je stanicom koja odgovara jednoj orbitali; Svaki elektron je označen strelicom koja odgovara smjeru spina. Kada pišete grafičku elektroničku formulu, trebali biste zapamtiti dva pravila: Paulijevo načelo, prema kojoj u ćeliji (orbitali) ne mogu biti više od dva elektrona, ali s antiparalelnim spinovima, i F. Hundovo pravilo, prema kojem elektroni zauzimaju slobodne ćelije prvo jedan po jedan i imaju istu vrijednost spina, a tek onda se sparuju, ali će spinovi, prema Paulijevom principu, biti suprotnih smjerova.
Algoritam za sastavljanje elektronske formule elementa:
1. Odredite broj elektrona u atomu pomoću periodnog sustava kemijskih elemenata D.I. Mendeljejev.
2. Pomoću broja razdoblja u kojem se element nalazi odredite broj energetskih razina; broj elektrona u posljednjoj elektronskoj razini odgovara broju grupe.
3. Podijelite razine na podrazine i orbitale i ispunite ih elektronima prema pravilima popunjavanja orbitala:
Mora se zapamtiti da prva razina sadrži najviše 2 elektrona 1s 2, na drugom - najviše 8 (dva s i šest R: 2s 2 2p 6), na trećem - najviše 18 (dva s, šest str, i deset d: 3s 2 3p 6 3d 10).
- Glavni kvantni broj n treba biti minimalan.
- Prvi za punjenje s- podrazina, dakle r-, d- b f- podrazine.
- Elektroni ispunjavaju orbitale redoslijedom povećanja energije orbitala (Klečkovskovo pravilo).
- Unutar podrazine elektroni najprije jedan po jedan zauzimaju slobodne orbitale, a tek potom formiraju parove (Hundovo pravilo).
- U jednoj orbitali ne može biti više od dva elektrona (Paulijev princip).
Primjeri.
1. Kreirajmo elektroničku formulu dušika. Dušik je broj 7 u periodnom sustavu.
2. Kreirajmo elektronsku formulu za argon. Argon je broj 18 u periodnom sustavu.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6.
3. Stvorimo elektroničku formulu kroma. Krom je broj 24 u periodnom sustavu.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5
Energetski dijagram cinka.
4. Stvorimo elektroničku formulu cinka. Cink je broj 30 u periodnom sustavu.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
Imajte na umu da je dio elektroničke formule, naime 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6, elektronička formula argona.
Elektronska formula cinka može se prikazati kao:
Konvencionalni prikaz raspodjele elektrona u elektronskom oblaku po razinama, podrazinama i orbitalama naziva se elektronska formula atoma.
Pravila na temelju|na temelju| koji|koji| nadoknaditi|predati| elektronske formule
1. Princip minimalne energije: što manje energije sustav ima, to je stabilniji.
2. pravilo Klečkovskog: raspodjela elektrona među razinama i podrazinama elektronskog oblaka događa se rastućim redoslijedom vrijednosti zbroja glavnog i orbitalnog kvantnog broja (n + 1). Ako su vrijednosti jednake (n + 1), prvi se popunjava podrazina koja ima manju vrijednost n.
1 s 2 s p 3 s p d 4 s p d f 5 s p d f 6 s p d f 7 s p d f Broj razine n 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 Orbitalni 1* 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 kvantni broj
n+1| 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10
Serija Klečkovskog
1* - vidi tablicu br. 2.
3. Hundovo pravilo: pri popunjavanju orbitala jednog podrazina, smještaj elektrona s paralelnim spinovima odgovara najnižoj energetskoj razini.
Kompilacija|prolazi| elektronske formule
Potencijalni niz: 1 s 2 s p 3 s p d 4 s p d f 5 s p d f 6 s p d f 7 s p d f
(n+1|) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10
Serija Klečkovskog
Redoslijed popunjavanja Elektronika 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 ..
(n+l|) 1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8.
Elektronska formula 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 d 10 4s 2 p 6 d 10 f 14 5s 2 p 6 d 10 f 14 6s 2 p 6 d 10 f 14 7s 2 p 6 d 10 f 14 8...
(n+1|) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10
Informacijski sadržaj elektroničkih formula
1. Položaj elementa u periodi|periodi| sustav.
2. Mogući stupnjevi| oksidacija elementa.
3. Kemijska svojstva elementa.
4. Sastav|skladište| i svojstva veza elemenata.
Položaj elementa u periodi|periodično|Sustav D. I. Mendeljejeva:
A) broj razdoblja, u kojem se element nalazi, odgovara broju razina na kojima se nalaze elektroni;
b) broj grupe, kojoj pripada dati element, jednak je zbroju valentnih elektrona. Valentni elektroni za atome s- i p-elemenata su elektroni vanjske razine; za d – elemente to su elektroni vanjske razine i nepopunjene podrazine prethodne razine.
V) elektronička obitelj određen simbolom podrazine na koju dolazi zadnji elektron (s-, p-, d-, f-).
G) podskupina određeno pripadnošću elektroničkoj obitelji: s - i p - elementi zauzimaju glavne podskupine, a d - elementi - sekundarne, f - elementi zauzimaju zasebne odjeljke u donjem dijelu periodnog sustava (aktinoidi i lantanidi).
2. Mogući stupnjevi| oksidacija elemenata.
Oksidacijsko stanje je naboj koji atom dobiva kada predaje ili dobiva elektrone.
Atomi koji doniraju elektrone dobivaju pozitivan naboj, koji je jednak broju predanih elektrona (naboj elektrona (-1)
Z E 0 – ne Z E + n
Atom koji je predao elektrone pretvara se u kation(pozitivno nabijeni ion). Proces odvajanja elektrona od atoma naziva se proces ionizacije. Energija potrebna za odvijanje tog procesa naziva se energija ionizacije ( Eion, eV).
Prvi se od atoma odvajaju elektroni vanjske razine koji nemaju par u orbitali – nespareni. U prisutnosti slobodnih orbitala unutar jedne razine, pod utjecajem vanjske energije, elektroni koji su formirali parove na ovoj razini su nespareni, a zatim se svi zajedno razdvajaju. Proces rasparivanja, koji se javlja kao rezultat apsorpcije dijela energije od strane jednog od elektrona para i njegovog prijelaza na višu podrazinu, naziva se proces pobude.
Najveći broj elektrona koje atom može donirati jednak je broju valentnih elektrona i odgovara broju skupine u kojoj se element nalazi. Naboj koji atom dobije nakon što izgubi sve valentne elektrone naziva se najviše oksidacijsko stanje atom.
Nakon otpusta|razrješenja| valentna razina vanjski postaje|postaje| razina koja|što| prethodna valencija. Ovo je razina potpuno ispunjena elektronima, i stoga|i stoga| energetski stabilan.
Atomi elemenata koji imaju od 4 do 7 elektrona na vanjskoj razini postižu energetski stabilno stanje ne samo davanjem elektrona, već i njihovim dodavanjem. Kao rezultat toga nastaje razina (.ns 2 p 6) - stabilno stanje inertnog plina.
Atom koji je dodao elektrone dobiva negativanstupanjoksidacija– negativni naboj, koji je jednak broju primljenih elektrona.
Z E 0 + ne Z E - n
Broj elektrona koje atom može dodati jednak je broju (8 –N|), gdje je N broj skupine u kojoj|koja| element (ili broj valentnih elektrona) koji se nalazi.
Proces dodavanja elektrona atomu prati oslobađanje energije tzv afinitet prema elektronu (Esafinitet,eB).