Электронная структура атома, или электронное строение атома – это распределение электронов по энергетическим уровням и орбиталям в атоме. Знание электронного строения позволяет определить многие важные характеристики атомов, в том числе число неспаренных электронов.
Электронное строение атома и распределение электронов по орбиталям
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Число протонов в ядре называется зарядом ядра или Z. Оно определяет порядковый номер химического элемента в Периодической системе.
Вокруг ядра движутся электроны по определенным орбитам или энергетическим уровням. Каждый уровень обозначается главным квантовым числом n = 1, 2, 3 и т.д. Уровень делится на подуровни: s, p, d и f. В каждом подуровне располагаются атомные орбитали, позволяющие разместить строго определенное число электронов.
Например, на первом энергетическом уровне ( n = 1) имеется только один s-подуровень и одна 1s-орбиталь. Она может вместить только 2 электрона.
На каждом энергетическом уровне атома общее число электронов не может превышать 2 n 2, где n – номер уровня.
Энергетические уровни атома заполняются электронами по правилу Клечковского – от низшего к высшему. Сначала заполняются орбитали с самой низкой энергией.
Рассмотрим на примере электронное строение атома кислорода с зарядом ядра +8. Значит, в атоме 8 электронов. Согласно правилу Клечковского эти электроны будут последовательно заполнять орбитали:
- 1s с 2 электронами
- 2s с 2 электронами
- 2p с 4 электронами
Итого получаем электронную конфигурацию атома кислорода: 1s2 2s2 2p4
Что такое неспаренные электроны и почему они важны
Как видно в примере выше, на каждой орбитали электроны могут располагаться либо по одному (неспаренные), либо парами (спаренные).
Неспаренные электроны – это электроны в атоме, не образующие пары на орбиталях. В силу своего одиночного положения они обладают высокой химической активностью.
Наличие неспаренных электронов позволяет атомам вступать в реакции с другими атомами. Неспаренный электрон одного атома может образовать связь со спаренным или неспаренным электроном другого атома.
Максимальная стабильность характерна для атомов с завершенными электронными оболочками и отсутствием неспаренных электронов. Например, атомы инертных газов с 8 электронами на внешнем уровне.
Как определить число неспаренных электронов в атоме
"Как определить число неспаренных электронов в атоме"
Для определения неспаренных электронов нужно:
- Записать полную электронную конфигурацию атома
- Посмотреть на заполнение последнего энергетического уровня
- Выявить неспаренные электроны на нем и посчитать их количество
Рассмотрим пример для атома серы. Электронная конфигурация:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
Внешний 3 уровень заполнен не полностью, есть 2 электрона на s-подуровне и 4 на р-подуровне. Согласно правилу Гунда, сначала по одному электрону занимают каждую из 3 р-орбиталей. Остается 1 неспаренный электрон.
Итого число неспаренных электронов в атоме серы = 1.
Роль неспаренных электронов в химических реакциях
Наличие неспаренных электронов определяет способность атомов вступать в химические реакции и образовывать химические связи с другими атомами.
Неспаренный электрон одного атома может взаимодействовать со спаренным или неспаренным электроном другого атома, образуя ковалентную связь. При этом электроны как бы "спариваются", становятся общими для обоих атомов.
Чем больше у атома неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне, тем он проявляет бόльшую химическую активность и может образовывать большее число химических связей.
Влияние неспаренных электронов на физические свойства веществ
Наличие неспаренных электронов в атомах химических элементов влияет на физические свойства образуемых ими веществ.
В частности, неспаренные электроны определяют магнитные свойства веществ. С их наличием связан парамагнетизм – способность некоторых веществ намагничиваться под действием внешнего магнитного поля.
К парамагнитным относятся вещества, атомы которых содержат неспаренные электроны. Например, марганец, хром, железо и их соединения.
Как распределены неспаренные электроны в атомах элементов
Распределение неспаренных электронов в атомах элементов подчинено определенным закономерностям:
- У s-элементов неспаренные электроны находятся на внешнем s-подуровне
- У р-элементов – на внешнем р-подуровне
- У d-элементов – частично на внешнем s-подуровне и частично на предвнешнем d-подуровне
Как правило, металлы имеют небольшое число неспаренных электронов (от 1 до 3), а неметаллы – большее число (от 4 до 7).
Примеры атомов и ионов с неспаренными электронами
Рассмотрим примеры атомов и ионов, имеющих неспаренные электроны:
- Атом натрия - 1 неспаренный электрон
- Атом магния - 2 неспаренных электрона
- Атом алюминия - 3 неспаренных электрона
- Катион Fe2+ - 4 неспаренных электрона
- Атом хлора - 1 неспаренный электрон
- Анион S2- - 2 неспаренных электрона
Зная электронное строение атомов и ионов, можно легко определить число неспаренных электронов и объяснить их химические и физические свойства.
