Периодический закон и электронное строение атомов (s- и p-элементы)

Современная теория строения атома базируется на квантовой механике. Электрон обладает корпускулярно-волновым дуализмом (де Бройль) и не движется по фиксированным траекториям, а образует «электронное облако».

Орбиталь — это область пространства вокруг ядра, в которой вероятность нахождения электрона максимальна (более 90%).

• s-орбиталь имеет строгую сферическую форму (шар). На каждом энергетическом уровне имеется ровно одна s-орбиталь, вмещающая до 2 электронов с противоположными спинами (s²).

• p-орбитали имеют форму объемной гантели (восьмерки). Начиная со второго уровня (n=2), появляются три взаимно перпендикулярные p-орбитали (px, py, pz), вмещающие суммарно до 6 электронов (p⁶).

В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами последним, элементы делятся на электронные семейства:

1. s-элементы — элементы главных подгрупп I-А и II-А групп, а также H и He. Валентные электроны находятся на внешней s-орбитали: водород 1s¹, гелий 1s², натрий ₁₁Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ (или [Ne]3s¹).

2. p-элементы — элементы главных подгрупп III-А — VIII-А групп. У них заполняется внешний p-подуровень:

• Углерод ₆C: 1s² 2s² 2p²;

• Азот ₇N: 1s² 2s² 2p³ (три неспаренных электрона обусловливают валентность III);

• Кислород ₈O: 1s² 2s² 2p⁴;

• Неон ₁₀Ne: 1s² 2s² 2p⁶ (завершенный устойчивый октет).

Валентность атома в ковалентных соединениях определяется числом его неспаренных электронов, способных образовывать общие электронные пары (по обменному механизму), а также наличием неподеленных пар и свободных орбиталей (по донорно-акцепторному механизму).

При поглощении энергии атом может переходить в возбужденное состояние (обозначается звездочкой *), если на его внешнем уровне есть спаренные электроны и свободные орбитали того же уровня.

Например, атом углерода ₆C:

• Основное состояние: 2s² 2p² (два неспаренных электрона, валентность II, например в CO);

• При возбуждении C*: электрон со 2s-подуровня распаривается и переходит на свободную 2pz-орбиталь -> 2s¹ 2p³ (четыре неспаренных электрона, валентность IV, например в CH₄, CO₂).

У элементов 2-го периода (N, O, F) нет d-подуровня, поэтому распаривание внешних электронов невозможно (кислород не бывает шестивалентным, а азот — пятивалентным).

Правила заполнения квантовых ячеек:

Типовое задание ЕНТ:

«Сколько неспаренных электронов имеет атом углерода в основном и возбужденном состояниях?»

Разбор:

• Основное состояние C (Z = 6): 1s² 2s² 2p².

На 2s-подуровне пара электронов (2s²: ↑↓), на 2p-подуровне 2 неспаренных электрона (2p²: ↑ ↑ _). Валентность равна II (как в молекуле CO).

• При возбуждении (C*): за счет энергии электрон с 2s-орбитали распаривается и переходит на свободную 2p-орбиталь:

Электронная конфигурация: 1s² 2s¹ 2p³.

Теперь у атома 4 неспаренных электрона (2s¹: ↑, 2p³: ↑ ↑ ↑), валентность равна IV (как в CH₄, CO₂).

Запомните элементы, не имеющие возбужденного состояния: N, O, F (у них во втором периоде нет вакантных d-орбиталей для распаривания электронов)!