Строение атома и электронные конфигурации

Железо стоит в четвёртом периоде, и конфигурацию его атома ученик пишет верно: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. Затем в задании появляется ион Fe3+, и он снимает три электрона с d-подуровня, получая 3d3 4s2. Это неверно: при образовании катиона электроны уходят с внешнего уровня, сначала с 4s, и лишь потом с 3d. У иона Fe3+ остаётся 3d5. Порядок заполнения выучен, а спросили про обратное, и запись рассыпалась. (Цифра после буквы подуровня означает число электронов на нём; в учебнике её набирают верхним индексом, здесь она стоит в строке.)

Такая ошибка редко живёт в одиночку. У ученика, который снимает электроны железа с d-подуровня, обычно и неспаренные электроны посчитаны по-своему, и число нейтронов выведено из атомной массы в таблице. За этими промахами стоит один пробел: записи никто не научил проверять себя, и каждую строку проверяют на глаз, а глаз на цифрах с индексами подводит.

Конфигурация нужна не ради неё самой. По ней читают число неспаренных электронов, возможные валентности и степени окисления, а значит, и то, какую связь образует элемент (ионную, ковалентную или металлическую), и почему свойства повторяются в группе (периодический закон). Ошибка в записи тянется в задания, которые на первый взгляд строения атома не касаются.

Ион записывают с конца

Порядок заполнения подуровней — 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d и дальше — описывает, как атом собирается из ядра и электронов, один электрон за другим. Удаление электронов идёт по другому правилу: первыми уходят электроны уровня с наибольшим номером. У железа это два электрона 4s, затем 3d. Поэтому Fe2+ записывается как 3d6, а Fe3+ как 3d5, с наполовину заполненным d-подуровнем.

Из той же конфигурации школьные учебники объясняют знакомый факт из неорганики: осадок гидроксида железа(II) на воздухе буреет, потому что Fe2+ отдаёт ещё один электрон и переходит в Fe3+ с устойчивым наполовину заполненным подуровнем. Задание про цвет осадка и задание про запись иона оказываются одним заданием.

Медь: у атома 3d10 4s1. Ион Cu+ теряет электрон 4s и получает 3d10, ион Cu2+ теряет ещё один, уже с 3d, и становится 3d9. У цинка оба электрона 4s уходят сразу, и Zn2+ имеет 3d10. Анионы собираются в обратную сторону: хлорид-ион Cl− принимает один электрон и приходит к конфигурации аргона, сульфид-ион S2− тоже, и у обоих по 18 электронов.

Я бы приучил ученика к проверке суммой. До записи считаем число электронов частицы: порядковый номер минус заряд иона, для Fe3+ это 26 − 3 = 23. После записи складываем числа при буквах: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 5 = 23. Сошлось — запись как минимум не потеряла и не прибавила электрон. Ловит это и перепутанный знак заряда, который иначе замечают только на разборе.

Хром и медь

Атом хрома имеет конфигурацию 3d5 4s1, а не ожидаемую 3d4 4s2; у меди 3d10 4s1 вместо 3d9 4s2. Один электрон переходит с 4s на 3d, потому что наполовину или полностью заполненный d-подуровень выгоднее. Правило этих двух атомов не выведет, их просто помнят (серебро ведёт себя как медь: 4d10 5s1). Ион Cr3+ после этого — 3d3.

Неспаренные электроны и валентность

Вопрос «сколько неспаренных электронов» ломается на слове «возбуждённое»: его либо не замечают, когда оно есть, либо додумывают, когда его нет. Если слова в условии нет, речь об основном состоянии. Четыре случая, на которых видно разницу:

• углерод: в основном состоянии 2s2 2p2, неспаренных два; в возбуждённом 2s1 2p3, их четыре, и отсюда валентность IV
• азот: 2s2 2p3, неспаренных три, возбуждаться некуда: на втором уровне нет свободной орбитали
• сера: 3s2 3p4, неспаренных два; возбуждённые состояния 3s2 3p3 3d1 и 3s1 3p3 3d2 дают четыре и шесть
• кислород и фтор: два и один неспаренный электрон, возбуждение закрыто по той же причине, что у азота

Отдельная ловушка здесь — порядок, в котором электроны садятся на орбитали подуровня. Они занимают орбитали по одному и только потом образуют пары (правило Хунда). Подуровень p состоит из трёх орбиталей, и у азота с конфигурацией 2p3 на каждой сидит по одному электрону. У кислорода 2p4: две орбитали остаются с одним электроном, на третьей уже пара. Ученик, который сразу ставит пару, получает у азота один неспаренный электрон вместо трёх, и дальше ошибка идёт в валентность.

Отсюда растёт путаница валентности со степенью окисления. В азотной кислоте HNO3 степень окисления азота +5, а валентность IV: на втором уровне четыре орбитали, и больше четырёх связей азот образовать не может. Тот, кто пишет «азот пятивалентен», обычно подменил одно понятие другим. Как возбуждённый углерод работает дальше, виден в статье об углеводородах: вся органика держится на том, что у углерода четыре неспаренных электрона.

Протоны, электроны, нейтроны

Число нейтронов находят вычитанием: массовое число минус порядковый номер. Для хлора-35 это 35 − 17 = 18, для хлора-37 — 20. В таблице у хлора стоит 35,5; это среднее по двум природным изотопам, и считать по нему нейтроны нельзя, нужны целые числа из условия. Откуда берётся 35,5, легко проверить счётом. Если считать, что на три атома хлора-35 приходится один атом хлора-37, среднее выходит (3 · 35 + 37) / 4 = 35,5. В природе соотношение чуть другое, но схема показывает, что дробное число в таблице получено усреднением и ни у одного отдельного атома не встречается. Атомов с массой 35,5 не существует, и поэтому нейтронов «в среднем» тоже не бывает.

Число электронов у нейтрального атома равно числу протонов, у иона Cl− их 18: от порядкового номера отнимают заряд, а он здесь отрицательный, и знак на этом месте путают чаще всего.

Конфигурацию 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 имеет целый ряд частиц: S2−, Cl−, атом Ar, K+, Ca2+. Электронов у всех по 18, а протонов от 16 до 20, и на этом построен привычный вопрос о радиусе. Оболочка одна и та же, заряд ядра растёт, поэтому ядро сильнее стягивает электроны и радиус убывает слева направо: S2− больше всех, Ca2+ меньше всех. Ученик, который сравнивает частицы по числу электронов, видит одинаковые 18 и отвечает наугад; смотреть нужно на ядро.

Номер периода равен числу энергетических уровней. Номер группы равен числу электронов внешнего уровня только для главных подгрупп: хром стоит в шестой группе, а на внешнем уровне у него один электрон.

Когда тема проходится и почему забывается

В большинстве учебников строение атома открывает курс химии в восьмом классе, и там оно упрощённое: энергетические уровни, число электронов на каждом, схема вроде 2, 8, 8 для первых элементов. Подуровни s, p, d, орбитали и запись конфигурации приходят в старших классах. Между первой встречей и полной записью лежат годы, и девятый класс, где идёт неорганика, тему почти не трогает.

Одиннадцатиклассник поэтому вспоминает схему с уровнями, а подуровни видит заново. Вторая причина проще: тема проходится как теория, без задач, и руке негде набить запись. На экзамене она относится к блоку теоретических основ (разбор структуры ЕГЭ по химии). Отдельной строкой её могут и не спросить, но задания второй части с электронным балансом опираются на то же понимание: откуда электроны берутся и куда уходят.

Мой совет одиннадцатикласснику: вернуться к теме в сентябре, а не оставлять её на весну. Она короткая, но через неё входят в химическую связь и в периодическую систему, а оттуда в неорганику, и если она провисает, всё следующее держится на запоминании готовых фактов. Как эта тема стоит среди остальных и в каком порядке они проваливаются, описано в обзоре школьной химии.

Что достаточно выучить и когда звать репетитора

Заучивать конфигурации десятков элементов бессмысленно. Достаточно одной строки с порядком заполнения и умения читать её по таблице: на экзамене периодическая система лежит на столе (состав материалов сверьте по спецификации своего года), и в четвёртом периоде там два s-элемента, затем десять d-элементов, затем шесть p-элементов, то есть 4s, 3d, 4p. Порядок подсказывает сама таблица.

Если таблицы под рукой нет, порядок восстанавливается по правилу Клечковского: подуровни заполняются по возрастанию суммы номера уровня и орбитального числа (s — 0, p — 1, d — 2), а при равной сумме раньше идёт тот, у кого номер уровня меньше. Для 4s сумма 4 + 0 = 4, для 3d она 3 + 2 = 5, поэтому 4s заполняется раньше; у 3d и 4p суммы равны пяти, и первым идёт 3d как подуровень меньшего уровня. Два подуровня сравниваются быстро, а порядок, выученный как стихотворение, к экзамену забывается вместе с остальным.

Дальше тренировка: выписать от руки конфигурации от калия до цинка по порядку, у каждой сверить сумму с номером, хром и медь подчеркнуть. Потом ионы тех же элементов с проверкой суммой. Если сумма всё равно не сходится, нужен репетитор, и разговор разумно начинать с тех атомов, где запись ошибается чаще: железо, медь, хром, цинк и сера. Страница с их конфигурациями, ионами и неспаренными электронами показывает, что в теме работает, а что придётся объяснять заново. Это хороший повод для пробного занятия.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• репетиторы по химии для подготовки к ЕГЭ
• репетиторы по химии для 10–11 класса
• пробное занятие по химии

Вопросы и ответы

Нужно ли знать конфигурации всех элементов? Нет. Нужно уметь записать конфигурацию любого элемента по порядку заполнения и помнить два исключения, хром и медь.

Почему у хрома 3d5 4s1, а не 3d4 4s2? Школьный ответ такой: наполовину заполненный d-подуровень энергетически выгоднее, и электрон с 4s переходит на 3d. Для задания достаточно факта, объяснение в записи не требуется.

Как проверить, что ион записан верно? Сосчитать электроны иона и сложить числа при буквах подуровней. Для сульфид-иона S2−: 16 + 2 = 18 электронов; запись 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 даёт 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18. Если суммы расходятся, ошибка в заряде или в счёте. Если сошлись, а запись всё равно сомнительна, смотрите порядок: у катионов электроны уходят с внешнего уровня.

Что такое валентные электроны у железа? Это электроны, которые участвуют в образовании связей. У элементов главных подгрупп они совпадают с электронами внешнего уровня. У железа к двум электронам 4s добавляются электроны 3d, и валентных набирается больше, чем на внешнем уровне, где их только два. Сравнивать железо с натрием по числу внешних электронов поэтому нельзя.

Чем электронная конфигурация отличается от распределения электронов по уровням? Распределение даёт только числа по уровням: у железа 2, 8, 14, 2. Конфигурация расписывает те же электроны по подуровням, и четырнадцать на третьем уровне превращаются в 3s2 3p6 3d6.