Configuración electrónica de un átomo. es una fórmula que muestra la disposición de los electrones en un átomo por niveles y subniveles. Después de estudiar el artículo, aprenderá dónde y cómo se encuentran los electrones, se familiarizará con los números cuánticos y podrá construir la configuración electrónica de un átomo según su número; al final del artículo hay una tabla de elementos.
¿Por qué estudiar la configuración electrónica de los elementos?
Los átomos son como un conjunto de construcción: hay un cierto número de partes, se diferencian entre sí, pero dos partes del mismo tipo son absolutamente iguales. Pero este set de construcción es mucho más interesante que el de plástico y he aquí por qué. La configuración cambia según quién esté cerca. Por ejemplo, el oxígeno junto al hidrógeno. Tal vez
se convierte en agua, cuando está cerca del sodio se convierte en gas y cuando está cerca del hierro se convierte completamente en óxido.
Para responder a la pregunta de por qué sucede esto y predecir el comportamiento de un átomo junto a otro, es necesario estudiar la configuración electrónica, que se comentará a continuación.
¿Cuántos electrones hay en un átomo?
Un átomo está formado por un núcleo y electrones que giran a su alrededor; el núcleo está formado por protones y neutrones. En estado neutro, cada átomo tiene la misma cantidad de electrones que la cantidad de protones en su núcleo. El número de protones está indicado por el número atómico del elemento; por ejemplo, el azufre tiene 16 protones, el elemento número 16 de la tabla periódica. El oro tiene 79 protones, el elemento número 79 de la tabla periódica. En consecuencia, el azufre tiene 16 electrones en estado neutro y el oro tiene 79 electrones.
- ¿Dónde buscar un electrón?
- Al observar el comportamiento del electrón se derivaron ciertos patrones que se describen mediante números cuánticos, son cuatro en total:
- Número cuántico principal
- Número cuántico orbital
Número cuántico magnético
Número cuántico de espín
Orbital
Además, en lugar de la palabra órbita, usaremos el término “orbital”; un orbital es la función de onda de un electrón, aproximadamente, es la región en la que el electrón pasa el 90% de su tiempo;
norte - nivel
L - concha
M l - número de orbital
Como resultado del estudio de la nube de electrones, descubrieron que, dependiendo del nivel de energía, la nube toma cuatro formas principales: una pelota, mancuernas y otras dos más complejas.
En orden de energía creciente, estas formas se denominan capas s, p, d y f.
Cada una de estas capas puede tener 1 (en s), 3 (en p), 5 (en d) y 7 (en f) orbitales. El número cuántico orbital es la capa en la que se encuentran los orbitales. El número cuántico orbital para los orbitales s,p,d y f toma los valores 0,1,2 o 3, respectivamente.
Hay un orbital en la capa s (L=0): dos electrones.
Hay tres orbitales en la capa p (L=1): seis electrones.
Hay cinco orbitales en la capa d (L=2): diez electrones.
Hay siete orbitales en la capa f (L=3): catorce electrones.
Número cuántico magnético m l
Hay tres orbitales en la capa p, están designados por números de -L a +L, es decir, para la capa p (L=1) hay orbitales “-1”, “0” y “1” .
El número cuántico magnético se indica con la letra m l.
Dentro de la capa, es más fácil que los electrones se ubiquen en diferentes orbitales, por lo que los primeros electrones llenan uno en cada orbital, y luego se agrega un par de electrones a cada uno.
Considere el d-shell:
La capa d corresponde al valor L=2, es decir, cinco orbitales (-2,-1,0,1 y 2), los primeros cinco electrones llenan la capa tomando los valores M l =-2, M l =-1, M l =0 , M l =1,M l =2.
Número cuántico de espín m s
El espín es la dirección de rotación de un electrón alrededor de su eje, hay dos direcciones, por lo que el número cuántico de espín tiene dos valores: +1/2 y -1/2. Un subnivel de energía sólo puede contener dos electrones con espines opuestos. El número cuántico de espín se denota como m s
Entonces, cualquier electrón puede describirse mediante cuatro números cuánticos, la combinación de estos números es única para cada posición del electrón, tome el primer electrón, el nivel de energía más bajo es N = 1, en el primer nivel hay una capa, la El primer caparazón en cualquier nivel tiene la forma de una bola (s -cáscara), es decir. L=0, el número cuántico magnético sólo puede tomar un valor, M l =0 y el espín será igual a +1/2.
Si tomamos el quinto electrón (en cualquier átomo que sea), entonces sus principales números cuánticos serán: N=2, L=1, M=-1, espín 1/2.
La disposición de los electrones en capas o niveles de energía se escribe utilizando fórmulas electrónicas de elementos químicos. Las fórmulas o configuraciones electrónicas ayudan a representar la estructura atómica de un elemento.
estructura atómica
Los átomos de todos los elementos constan de un núcleo cargado positivamente y electrones cargados negativamente, que se encuentran alrededor del núcleo.
Los electrones se encuentran en diferentes niveles de energía. Cuanto más lejos está un electrón del núcleo, más energía tiene. El tamaño del nivel de energía está determinado por el tamaño del orbital atómico o de la nube orbital. Este es el espacio en el que se mueve el electrón.
Arroz. 1. Estructura general del átomo.
- Los orbitales pueden tener diferentes configuraciones geométricas: orbitales s
- - esférico; Orbitales p, d y f
- en forma de mancuerna, situadas en diferentes planos.
En el primer nivel de energía de cualquier átomo siempre hay un orbital s con dos electrones (la excepción es el hidrógeno). A partir del segundo nivel, los orbitales s y p están al mismo nivel.
Arroz. 2. Orbitales s, p, d y f.
Los orbitales existen independientemente de la presencia de electrones en ellos y pueden estar llenos o vacíos.
Escribir una fórmula
- Las configuraciones electrónicas de átomos de elementos químicos se escriben según los siguientes principios:
- cada nivel de energía tiene un número de serie correspondiente, indicado por un número arábigo;
- el número va seguido de una letra que indica el orbital;
Se escribe un superíndice encima de la letra, correspondiente al número de electrones en el orbital.
- Ejemplos de grabación:
calcio -
- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ;
oxígeno -
- 1s 2 2s 2 2p 4 ;
carbono -
1s 2 2s 2 2p 2 .
Tomemos a Na como ejemplo. El sodio está en el primer grupo, en el tercer periodo, en el puesto 11. Esto significa que el átomo de sodio tiene un núcleo cargado positivamente (contiene 11 protones), alrededor del cual se ubican 11 electrones en tres niveles de energía. Hay un electrón en el nivel exterior.
Recuerde que el primer nivel de energía contiene un orbital s con dos electrones y el segundo contiene orbitales s y p. Ya sólo queda completar los niveles y obtener el registro completo:
11 Na) 2) 8) 1 o 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .
Para mayor comodidad, se han creado tablas especiales de fórmulas electrónicas del elemento. En una tabla periódica larga, las fórmulas también se enumeran en cada celda de elemento.
Arroz. 3. Tabla de fórmulas electrónicas.
Por brevedad, los elementos cuya fórmula electrónica coincide con el comienzo de la fórmula del elemento se escriben entre corchetes. Por ejemplo, la fórmula electrónica del magnesio es 3s 2, la del neón es 1s 2 2s 2 2p 6. Por lo tanto, la fórmula completa del magnesio es 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2. 4.6. Calificaciones totales recibidas: 195.
- Primero anotamos el signo químico. elemento, donde en la parte inferior izquierda del cartel indicamos su número de serie.
- A continuación, por el número del período (del cual proviene el elemento), determinamos el número de niveles de energía y dibujamos ese número de arcos junto al signo del elemento químico.
- Luego, según el número de grupo, debajo del arco se escribe el número de electrones en el nivel exterior.
- En el primer nivel, el máximo posible es 2, en el segundo ya hay 8, en el tercero, hasta 18. Comenzamos a poner números debajo de los arcos correspondientes.
- El número de electrones en el penúltimo nivel debe calcularse de la siguiente manera: el número de electrones ya asignados se resta del número de serie del elemento.
- Queda por convertir nuestro diagrama en una fórmula electrónica:
- Escribimos el elemento químico y su número de serie. El número muestra el número de electrones en el átomo.
- Hagamos una fórmula. Para hacer esto, es necesario averiguar el número de niveles de energía; la base para la determinación es el número de período del elemento.
- Dividimos los niveles en subniveles.
A continuación puedes ver un ejemplo de cómo componer correctamente fórmulas electrónicas de elementos químicos.
- primero llenamos el subnivel s y luego los subniveles p, d- b f;
- según la regla de Klechkovsky, los electrones llenan los orbitales en orden creciente de energía de estos orbitales;
- según la regla de Hund, los electrones dentro de un subnivel ocupan orbitales libres uno por uno y luego forman pares;
- Según el principio de Pauli, en un orbital no hay más de 2 electrones.
La fórmula electrónica de un elemento químico muestra cuántas capas de electrones y cuántos electrones hay en el átomo y cómo se distribuyen entre las capas.
Para componer la fórmula electrónica de un elemento químico, es necesario consultar la tabla periódica y utilizar la información obtenida para este elemento. El número atómico de un elemento de la tabla periódica corresponde al número de electrones de un átomo. El número de capas electrónicas corresponde al número de período, el número de electrones en la última capa electrónica corresponde al número de grupo.
Debe recordarse que la primera capa contiene un máximo de 2 electrones 1s2, la segunda - un máximo de 8 (dos s y seis p: 2s2 2p6), la tercera - un máximo de 18 (dos s, seis p y diez d: 3s2 3p6 3d10).
Por ejemplo, la fórmula electrónica del carbono: C 1s2 2s2 2p2 (número de serie 6, período número 2, grupo número 4).
Fórmula electrónica del sodio: Na 1s2 2s2 2p6 3s1 (número de serie 11, período número 3, grupo número 1).
Para comprobar si la fórmula electrónica está escrita correctamente, puede consultar el sitio web www.alhimikov.net.
A primera vista, compilar una fórmula electrónica para elementos químicos puede parecer una tarea bastante complicada, pero todo quedará claro si sigue el siguiente esquema:
- primero escribimos los orbitales
- Insertamos números delante de los orbitales que indican el número del nivel de energía. No olvides la fórmula para determinar el número máximo de electrones en el nivel de energía: N=2n2
¿Cómo puedes saber el número de niveles de energía? Basta mirar la tabla periódica: este número es igual al número del período en el que se encuentra el elemento.
- encima del icono del orbital escribimos un número que indica la cantidad de electrones que hay en este orbital.
Por ejemplo, la fórmula electrónica del escandio se verá así.
La tarea de elaborar una fórmula electrónica para un elemento químico no es la más sencilla.
Entonces, el algoritmo para compilar fórmulas electrónicas de elementos es el siguiente:
Aquí están las fórmulas electrónicas de algunos elementos químicos:
Es necesario crear fórmulas electrónicas de elementos químicos de esta manera: es necesario observar el número del elemento en la tabla periódica y así descubrir cuántos electrones tiene. Luego necesitas averiguar el número de niveles, que es igual al período. Luego se escriben y completan los subniveles:
En primer lugar, es necesario determinar el número de átomos según la tabla periódica.
Para compilar la fórmula electrónica, necesitará el sistema periódico de Mendeleev. Encuentre allí su elemento químico y observe el período: será igual a la cantidad de niveles de energía. El número de grupo corresponderá numéricamente al número de electrones del último nivel. El número de un elemento será cuantitativamente igual al número de sus electrones. También es necesario saber claramente que el primer nivel tiene un máximo de 2 electrones, el segundo - 8 y el tercero - 18.
Estos son los puntos principales. Además, en Internet (incluido nuestro sitio web) puede encontrar información con una fórmula electrónica preparada para cada elemento, para que pueda probarse usted mismo.
La compilación de fórmulas electrónicas de elementos químicos es un proceso muy complejo que no se puede realizar sin tablas especiales y es necesario utilizar una gran cantidad de fórmulas. Brevemente, para compilar es necesario pasar por estas etapas:
Es necesario elaborar un diagrama orbital en el que haya una idea de en qué se diferencian los electrones entre sí. El diagrama resalta orbitales y electrones.
Los electrones están llenos de niveles, de abajo hacia arriba, y tienen varios subniveles.
Entonces, primero averiguamos el número total de electrones de un átomo dado.
Completamos la fórmula de acuerdo con un esquema determinado y la escribimos; esta será la fórmula electrónica.
Por ejemplo, para el nitrógeno esta fórmula se ve así, primero nos ocupamos de los electrones:
Y escribe la fórmula:
entender el principio de compilar la fórmula electrónica de un elemento químico, primero debes determinar el número total de electrones en un átomo según el número de la tabla periódica. Después de esto, es necesario determinar el número de niveles de energía, tomando como base el número del período en el que se encuentra el elemento.
Luego, los niveles se dividen en subniveles, que se llenan de electrones según el principio de la mínima energía.
Puede comprobar la exactitud de su razonamiento mirando, por ejemplo, aquí.
Al componer la fórmula electrónica de un elemento químico, puede averiguar cuántos electrones y capas de electrones hay en un átomo en particular, así como el orden de su distribución entre las capas.
Primero, determinamos el número atómico del elemento según la tabla periódica, corresponde al número de electrones. El número de capas de electrones indica el número de período y el número de electrones en la última capa del átomo corresponde al número de grupo.
Composición del átomo.
Un átomo está formado por núcleo atómico Y capa de electrones.
El núcleo de un átomo está formado por protones ( p+) y neutrones ( norte 0). La mayoría de los átomos de hidrógeno tienen un núcleo formado por un protón.
Número de protones norte(p+) es igual a la carga nuclear ( z) y el número ordinal del elemento en la serie natural de elementos (y en la tabla periódica de elementos).
norte(pag +) = z
Suma de neutrones norte(norte 0), denotado simplemente por la letra norte y número de protones z llamado número de masa y se designa con la letra A.
A = z + norte
La capa electrónica de un átomo está formada por electrones que se mueven alrededor del núcleo ( mi -).
Número de electrones norte(mi-) en la capa electrónica de un átomo neutro es igual al número de protones z en su núcleo.
La masa de un protón es aproximadamente igual a la masa de un neutrón y 1840 veces la masa de un electrón, por lo que la masa de un átomo es casi igual a la masa del núcleo.
La forma del átomo es esférica. El radio del núcleo es aproximadamente 100.000 veces menor que el radio del átomo.
Elemento químico- tipo de átomos (conjunto de átomos) con la misma carga nuclear (con el mismo número de protones en el núcleo).
Isótopo- una colección de átomos del mismo elemento con el mismo número de neutrones en el núcleo (o un tipo de átomo con el mismo número de protones y el mismo número de neutrones en el núcleo).
Los diferentes isótopos se diferencian entre sí por el número de neutrones en los núcleos de sus átomos.
Designación de un átomo o isótopo individual: (E - símbolo del elemento), por ejemplo: .
Estructura de la capa electrónica de un átomo.
orbital atómico- estado de un electrón en un átomo. El símbolo del orbital es . Cada orbital tiene una nube de electrones correspondiente.
Los orbitales de los átomos reales en el estado fundamental (no excitado) son de cuatro tipos: s, pag, d Y F.
nube electrónica- la parte del espacio en la que se puede encontrar un electrón con una probabilidad del 90 (o más) por ciento.
Nota: en ocasiones no se distinguen los conceptos de “orbital atómico” y “nube de electrones”, llamándose a ambos “orbital atómico”.
La capa de electrones de un átomo está en capas. capa electrónica formado por nubes de electrones del mismo tamaño. Los orbitales de una capa se forman. nivel electrónico ("energía"), sus energías son las mismas para el átomo de hidrógeno, pero diferentes para otros átomos.
Los orbitales del mismo tipo se agrupan en electrónica (energía) subniveles:
s-subnivel (consta de uno s-orbitales), símbolo - .
pag-subnivel (consta de tres pag
d-subnivel (consta de cinco d-orbitales), símbolo - .
F-subnivel (consta de siete F-orbitales), símbolo - .
Las energías de los orbitales del mismo subnivel son las mismas.
Al designar subniveles, al símbolo del subnivel se le suma el número de la capa (nivel electrónico), por ejemplo: 2 s, 3pag, 5d medio s-subnivel del segundo nivel, pag-subnivel del tercer nivel, d-subnivel del quinto nivel.
El número total de subniveles en un nivel es igual al número de nivel norte. El número total de orbitales en un nivel es igual a norte 2. En consecuencia, el número total de nubes en una capa también es igual a norte 2 .
Designaciones: - orbital libre (sin electrones), - orbital con un electrón desapareado, - orbital con un par de electrones (con dos electrones).
El orden en que los electrones llenan los orbitales de un átomo está determinado por tres leyes de la naturaleza (las formulaciones se dan en términos simplificados):
1. El principio de mínima energía: los electrones llenan los orbitales en orden creciente de energía de los orbitales.
2. El principio de Pauli: no puede haber más de dos electrones en un orbital.
3. Regla de Hund: dentro de un subnivel, los electrones primero llenan los orbitales vacíos (uno a la vez) y solo después forman pares de electrones.
El número total de electrones en el nivel electrónico (o capa de electrones) es 2 norte 2 .
La distribución de subniveles por energía se expresa de la siguiente manera (en orden creciente de energía):
1s, 2s, 2pag, 3s, 3pag, 4s, 3d, 4pag, 5s, 4d, 5pag, 6s, 4F, 5d, 6pag, 7s, 5F, 6d, 7pag ...
Esta secuencia se expresa claramente mediante un diagrama de energía:
La distribución de los electrones de un átomo en niveles, subniveles y orbitales (configuración electrónica de un átomo) se puede representar como una fórmula electrónica, un diagrama de energía o, más simplemente, como un diagrama de capas de electrones ("diagrama electrónico").
Ejemplos de la estructura electrónica de los átomos:
electrones de valencia- electrones de un átomo que pueden participar en la formación de enlaces químicos. Para cualquier átomo, estos son todos los electrones externos más aquellos electrones preexternos cuya energía es mayor que la de los externos. Por ejemplo: el átomo de Ca tiene 4 electrones externos. s 2, también son valencia; El átomo de Fe tiene 4 electrones externos. s 2 pero tiene 3 d 6, por lo tanto el átomo de hierro tiene 8 electrones de valencia. La fórmula electrónica de valencia del átomo de calcio es 4. s 2, y átomos de hierro - 4 s 2 3d 6 .
Tabla periódica de elementos químicos por D. I. Mendeleev
(sistema natural de elementos químicos)
Ley periódica de los elementos químicos.(formulación moderna): las propiedades de los elementos químicos, así como de las sustancias simples y complejas formadas por ellos, dependen periódicamente del valor de la carga de los núcleos atómicos.
Tabla periódica- expresión gráfica de la ley periódica.
Serie natural de elementos químicos.- una serie de elementos químicos ordenados según el número creciente de protones en los núcleos de sus átomos, o, lo que es lo mismo, según las cargas crecientes de los núcleos de estos átomos. El número atómico de un elemento de esta serie es igual al número de protones en el núcleo de cualquier átomo de este elemento.
La tabla de elementos químicos se construye "cortando" la serie natural de elementos químicos en periodos(filas horizontales de la tabla) y agrupaciones (columnas verticales de la tabla) de elementos con una estructura electrónica de átomos similar.
Dependiendo de la forma en que se combinen los elementos en grupos, la tabla puede ser largo periodo(los elementos con el mismo número y tipo de electrones de valencia se recogen en grupos) y corto periodo(Los elementos con el mismo número de electrones de valencia se agrupan).
Los grupos de la tabla de período corto se dividen en subgrupos ( principal Y lado), coincidiendo con los grupos de la tabla de largo período.
Todos los átomos de elementos del mismo período tienen el mismo número de capas de electrones, igual al número de período.
Número de elementos en períodos: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. La mayoría de los elementos del octavo período fueron obtenidos artificialmente los últimos elementos de este período aún no han sido sintetizados; Todos los períodos excepto el primero comienzan con un elemento formador de metales alcalinos (Li, Na, K, etc.) y terminan con un elemento formador de gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, etc.).
En la tabla de corto período hay ocho grupos, cada uno de los cuales está dividido en dos subgrupos (principal y secundario), en la tabla de largo período hay dieciséis grupos, los cuales están numerados en números romanos con las letras A o B, por ejemplo: IA, IIIB, VIA, VIIB. El grupo IA del cuadro de largo plazo corresponde al subgrupo principal del primer grupo del cuadro de corto plazo; grupo VIIB - subgrupo secundario del séptimo grupo: el resto - de manera similar.
Las características de los elementos químicos cambian naturalmente en grupos y períodos.
En períodos (con número de serie creciente)
- aumenta la carga nuclear
- el número de electrones externos aumenta,
- el radio de los átomos disminuye,
- la fuerza del enlace entre los electrones y el núcleo aumenta (energía de ionización),
- la electronegatividad aumenta,
- se mejoran las propiedades oxidantes de sustancias simples ("no metalicidad"),
- las propiedades reductoras de las sustancias simples se debilitan ("metalicidad"),
- debilita el carácter básico de los hidróxidos y los óxidos correspondientes,
- aumenta el carácter ácido de los hidróxidos y los óxidos correspondientes.
En grupos (con número de serie creciente)
- aumenta la carga nuclear
- el radio de los átomos aumenta (solo en los grupos A),
- la fuerza del enlace entre los electrones y el núcleo disminuye (energía de ionización; solo en los grupos A),
- la electronegatividad disminuye (solo en los grupos A),
- las propiedades oxidantes de las sustancias simples se debilitan ("no metalicidad"; solo en los grupos A),
- se mejoran las propiedades reductoras de sustancias simples ("metalicidad"; sólo en los grupos A),
- aumenta el carácter básico de los hidróxidos y los óxidos correspondientes (sólo en los grupos A),
- debilita el carácter ácido de los hidróxidos y los óxidos correspondientes (sólo en los grupos A),
- la estabilidad de los compuestos de hidrógeno disminuye (su actividad reductora aumenta; solo en los grupos A).
Tareas y pruebas sobre el tema "Tema 9. "Estructura del átomo. Ley periódica y sistema periódico de elementos químicos por D. I. Mendeleev (PSHE) "."
- ley periódica - Ley periódica y estructura de los átomos de grados 8 a 9.
Debes saber: las leyes de llenado de orbitales con electrones (el principio de mínima energía, el principio de Pauli, la regla de Hund), la estructura de la tabla periódica de elementos.Debe poder: determinar la composición de un átomo por la posición del elemento en la tabla periódica y, a la inversa, encontrar un elemento en el sistema periódico, conociendo su composición; representar el diagrama estructural, la configuración electrónica de un átomo, ion y, a la inversa, determinar la posición de un elemento químico en el PSCE a partir del diagrama y la configuración electrónica; caracterizar el elemento y las sustancias que forma según su posición en el PSCE; determinar los cambios en el radio de los átomos, las propiedades de los elementos químicos y las sustancias que forman dentro de un período y un subgrupo principal del sistema periódico.
Ejemplo 1. Determine el número de orbitales en el tercer nivel de electrones. ¿Cuáles son estos orbitales?
Para determinar el número de orbitales utilizamos la fórmula norte orbitales = norte 2 donde norte- número de nivel. norte orbitales = 3 2 = 9. Uno 3 s-, tres 3 pag- y cinco 3 d-orbitales.Ejemplo 2. Determinar qué átomo de elemento tiene fórmula electrónica 1 s 2 2s 2 2pag 6 3s 2 3pag 1 .
Para determinar de qué elemento se trata, es necesario averiguar su número atómico, que es igual al número total de electrones del átomo. En este caso: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Este es aluminio.Después de asegurarse de haber aprendido todo lo que necesita, proceda a completar las tareas. Le deseamos éxito.
Lectura recomendada:- O. S. Gabrielyan y otros Química 11º grado. M., Avutarda, 2002;
- G. E. Rudzitis, F. G. Feldman. Química 11º grado. M., Educación, 2001.