Электронная конфигурация атомов

Электронная конфигурация атома (электронная формула) — запись того, как электроны распределены по энергетическим уровням и подуровням. У кислорода она такая: 1s² 2s² 2p⁴. Цифра — номер уровня, буква — подуровень, верхний индекс — число электронов на нём. Чтобы составить электронную формулу, нужно знать число электронов (оно равно порядковому номеру элемента) и порядок заполнения подуровней: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p…

Уровни, подуровни и орбитали

Электроны в атоме расположены на энергетических уровнях (n = 1, 2, 3…), число уровней равно номеру периода (подробнее — на странице строение атома). Уровень делится на подуровни s, p, d, f, а подуровень — на орбитали: области, где электрон бывает чаще всего. На одной орбитали помещается не больше двух электронов, и их спины направлены противоположно (принцип Паули).

Подуровень	Орбиталей	Максимум электронов	Появляется на уровне
s	1	2	первом
p	3	6	втором
d	5	10	третьем
f	7	14	четвёртом

Отсюда ёмкость уровней: на первом только 1s — 2 электрона, на втором 2s и 2p — 8, на третьем 3s, 3p, 3d — 18, на четвёртом — 32. Общая формула — 2n².

Порядок заполнения подуровней: правила Клечковского и Хунда

Подуровни заполняются от низкой энергии к высокой, но не строго по номерам уровней:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p

Правило Клечковского простыми словами: для каждого подуровня сложите номер уровня n и «номер» подуровня l (s = 0, p = 1, d = 2, f = 3). Чем сумма меньше, тем раньше заполняется подуровень; при равной сумме первым идёт тот, у кого n меньше. У 4s сумма 4 + 0 = 4, у 3d — 3 + 2 = 5, поэтому 4s заполняется раньше 3d. У 3d и 4p сумма одинаковая (5), но у 3d меньше n — сначала 3d.

Правило Хунда: на подуровне с несколькими орбиталями электроны сначала занимают свободные орбитали по одному, с одинаковым направлением спина, и только потом образуют пары. Так рассаживаются пассажиры в автобусе: пока есть пустые двойные сиденья, люди садятся по одному.

Электронные формулы элементов: примеры

Алгоритм: узнайте число электронов по порядковому номеру, заполняйте подуровни по порядку, пока электроны не кончатся, и проверьте сумму верхних индексов.

Элемент	Электронов	Электронная формула	Кратко
Кислород	8	1s² 2s² 2p⁴	[He] 2s² 2p⁴
Натрий	11	1s² 2s² 2p⁶ 3s¹	[Ne] 3s¹
Хлор	17	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵	[Ne] 3s² 3p⁵
Калий	19	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹	[Ar] 4s¹
Хром	24	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵	[Ar] 3d⁵ 4s¹
Железо	26	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶	[Ar] 3d⁶ 4s²
Медь	29	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰	[Ar] 3d¹⁰ 4s¹

Запись в квадратных скобках сокращённая: [Ne] заменяет оболочку неона 1s² 2s² 2p⁶, [Ar] — оболочку аргона. У натрия один электрон сверх оболочки неона, он легко его отдаёт — отсюда степень окисления +1. Хлору до заполнения 3p не хватает одного электрона — отсюда −1.

У железа электроны сначала занимают 4s, затем 3d. Формулу можно записать в порядке заполнения (…4s² 3d⁶) или по уровням (…3d⁶ 4s²) — это одна и та же конфигурация. На страницах элементов справочника она дана по уровням.

Провал электрона. У хрома по правилам ожидается 3d⁴ 4s², а на деле — 3d⁵ 4s¹: один электрон «проваливается» с 4s на 3d, потому что наполовину заполненный d-подуровень устойчивее. У меди вместо 3d⁹ 4s² — 3d¹⁰ 4s¹: устойчив полностью заполненный d-подуровень. Такой же провал у серебра и золота, а у молибдена — как у хрома.

Элементы из примеров

Графическая электронная формула

В графической схеме каждую орбиталь рисуют клеточкой, а электрон — стрелкой ↑ или ↓ (два противоположных направления спина). s-подуровень — одна клеточка, p — три клеточки подряд, d — пять. Ниже клеточки обозначены квадратными скобками, пустая орбиталь — [ ]:

Атом	2s	2p	Неспаренных электронов
Углерод C	[↑↓]	[↑] [↑] [ ]	2
Азот N	[↑↓]	[↑] [↑] [↑]	3
Кислород O	[↑↓]	[↑↓] [↑] [↑]	2
Фтор F	[↑↓]	[↑↓] [↑↓] [↑]	1

У азота по правилу Хунда три p-электрона сидят по одному — три неспаренных электрона, отсюда валентность III в NH₃. У кислорода два неспаренных электрона — валентность II, у фтора один — валентность I. Атом углерода при образовании связей переходит в возбуждённое состояние: 2s-электрон перескакивает на свободную 2p-орбиталь (2s¹ 2p³), неспаренных становится четыре — поэтому в органических веществах углерод четырёхвалентен.

У серы на третьем уровне есть свободный 3d-подуровень. При возбуждении у неё появляются 4 или 6 неспаренных электронов — валентности IV и VI. У кислорода на втором уровне d-подуровня нет, поэтому он двухвалентен. Подробнее — на странице валентность.

Переходы электронов можно увидеть. В пламени электроны получают энергию и переходят на более высокие подуровни, а возвращаясь, испускают свет определённого цвета. Поэтому соли натрия окрашивают пламя в жёлтый цвет, а калия — в фиолетовый: опыт «Окраска пламени».

Электронная конфигурация ионов

Катион получается, когда атом отдаёт электроны, анион — когда принимает. Электроны снимают с внешнего уровня, а добавляют на недостроенный подуровень.

Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶ — натрий отдал 3s-электрон, оболочка стала как у неона.
Cl⁻: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ — хлор принял электрон, оболочка как у аргона.
Fe²⁺: [Ar] 3d⁶ — первыми уходят оба 4s-электрона, хотя 4s заполнялся раньше 3d.
Fe³⁺: [Ar] 3d⁵ — уходит ещё один электрон с 3d, подуровень становится заполненным наполовину.

Устойчивостью конфигурации 3d⁵ объясняют, почему соединения железа(II) на воздухе окисляются до железа(III): серо-зелёный гидроксид железа(II) постепенно буреет (4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃). Ионы Fe³⁺ обнаруживают роданидом — раствор становится кроваво-красным: опыт «Ионы железа(III)».

Частицы с одинаковой электронной оболочкой называют изоэлектронными: O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ и Al³⁺ имеют конфигурацию неона 1s² 2s² 2p⁶.

Электронные конфигурации элементов 1–36

В таблице — электронные формулы первых четырёх периодов, от водорода до криптона. Конфигурация каждого элемента, число электронов на уровнях и степени окисления есть и на его странице: например, железо, медь, хром, цинк, бром.

По конфигурации определяют семейство элемента. У s-элементов (группы IA и IIA, а также гелий) последним заполняется s-подуровень, у p-элементов (группы IIIA–VIIIA) — p-подуровень, у d-элементов (переходные металлы) — d-подуровень предпоследнего уровня, у f-элементов (лантаноиды и актиноиды) — f-подуровень. У элементов главных подгрупп число внешних электронов равно номеру группы в таблице Менделеева: у хлора 7 (3s² 3p⁵), у натрия 1 (3s¹).

№	Элемент	Электронная формула	По уровням
1	H — Водород	1s¹	1
2	He — Гелий	1s²	2
3	Li — Литий	1s² 2s¹	2, 1
4	Be — Бериллий	1s² 2s²	2, 2
5	B — Бор	1s² 2s² 2p¹	2, 3
6	C — Углерод	1s² 2s² 2p²	2, 4
7	N — Азот	1s² 2s² 2p³	2, 5
8	O — Кислород	1s² 2s² 2p⁴	2, 6
9	F — Фтор	1s² 2s² 2p⁵	2, 7
10	Ne — Неон	1s² 2s² 2p⁶	2, 8
11	Na — Натрий	1s² 2s² 2p⁶ 3s¹	2, 8, 1
12	Mg — Магний	1s² 2s² 2p⁶ 3s²	2, 8, 2
13	Al — Алюминий	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹	2, 8, 3
14	Si — Кремний	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²	2, 8, 4
15	P — Фосфор	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³	2, 8, 5
16	S — Сера	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴	2, 8, 6
17	Cl — Хлор	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵	2, 8, 7
18	Ar — Аргон	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶	2, 8, 8
19	K — Калий	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹	2, 8, 8, 1
20	Ca — Кальций	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²	2, 8, 8, 2
21	Sc — Скандий	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s²	2, 8, 9, 2
22	Ti — Титан	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s²	2, 8, 10, 2
23	V — Ванадий	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d³ 4s²	2, 8, 11, 2
24	Cr — Хром	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹	2, 8, 13, 1
25	Mn — Марганец	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s²	2, 8, 13, 2
26	Fe — Железо	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²	2, 8, 14, 2
27	Co — Кобальт	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁷ 4s²	2, 8, 15, 2
28	Ni — Никель	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 4s²	2, 8, 16, 2
29	Cu — Медь	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹	2, 8, 18, 1
30	Zn — Цинк	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s²	2, 8, 18, 2
31	Ga — Галлий	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p¹	2, 8, 18, 3
32	Ge — Германий	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p²	2, 8, 18, 4
33	As — Мышьяк	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p³	2, 8, 18, 5
34	Se — Селен	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴	2, 8, 18, 6
35	Br — Бром	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵	2, 8, 18, 7
36	Kr — Криптон	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶	2, 8, 18, 8

У хрома и меди — «провал» электрона: 3d⁵4s¹ и 3d¹⁰4s¹ выгоднее, чем 3d⁴4s² и 3d⁹4s². Конфигурации остальных элементов — на их страницах.

Проведите опыт онлайн

Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.

Окраска пламени

Петлю с солью вносят в пламя: Na⁺ — жёлтое, K⁺ — фиолетовое, Cu²⁺ — зелёное.

Открыть в лаборатории

Ионы железа(III)

Роданид калия окрашивает раствор с ионами Fe³⁺ в кроваво-красный цвет.

Открыть в лаборатории

Частые вопросы

Как написать электронную конфигурацию атома?

Найдите порядковый номер элемента — это число электронов. Распределите их по подуровням в порядке 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p…, помня, что на s помещается 2 электрона, на p — 6, на d — 10. Сумма верхних индексов должна равняться порядковому номеру.

Почему 4s заполняется раньше 3d?

По правилу Клечковского: у 4s сумма n + l равна 4, у 3d — 5. Подуровень с меньшей суммой имеет меньшую энергию и заполняется первым. Поэтому у калия и кальция электроны идут на 4s, а 3d начинает заполняться только у скандия.

Что такое провал электрона?

Переход электрона с внешнего s-подуровня на d-подуровень предыдущего уровня, при котором d-подуровень становится заполненным наполовину или полностью. Примеры: хром 3d⁵ 4s¹ вместо 3d⁴ 4s², медь 3d¹⁰ 4s¹ вместо 3d⁹ 4s².

Как определить число неспаренных электронов?

Нарисуйте графическую схему внешнего уровня и разместите электроны по правилу Хунда: сначала по одному на каждую орбиталь подуровня, потом парами. Одиночные стрелки — неспаренные электроны. У азота их 3, у кислорода 2, у хлора 1.

Как записать конфигурацию иона?

Для катиона уберите электроны с внешнего уровня (у d-элементов сначала 4s, потом 3d), для аниона добавьте их на недостроенный подуровень. Na⁺ — 1s² 2s² 2p⁶, Fe³⁺ — [Ar] 3d⁵, Cl⁻ — [Ne] 3s² 3p⁶.