Электронно-графические формулы всех химических элементов: секреты их построения
Поразительное многообразие химических элементов и их соединений основано на уникальном строении атомов. Электронно-графические формулы элементов раскрывают их внутреннюю структуру и помогают объяснить свойства веществ. Давайте разберемся, как устроены атомы и откуда берутся электронные формулы.
1. Строение атома и орбитали
В центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг него по орбиталям движутся отрицательно заряженные электроны. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше орбиталь от ядра, тем выше ее энергия.
Энергетические уровни и орбитали
Первый энергетический уровень содержит одну s-орбиталь. На ней умещается максимум два электрона с противоположными спинами. На втором уровне появляется p-орбиталь, куда можно поместить 6 электронов. Количество электронов на уровнях ограничено:
- 1 уровень - 2 электрона
- 2 уровень - 8 электронов
- 3 уровень - 18 электронов
Таким образом, электроны заполняют орбитали по принципу "одна комната - два жильца". Этот принцип называется правилом Паули.
Порядок заполнения орбиталей электронами
Существует определенная последовательность заполнения орбиталей:
- s-орбитали
- p-орбитали
- d-орбитали
- f-орбитали
При этом сначала заполняются орбитали с меньшей энергией. Это называется принципом минимума энергии. Например, у магния конфигурация выглядит так: 1s2 2s2 2p6 3s2.
Электронные и электронно-графические формулы атомов
Для записи распределения электронов в атоме используют два способа:
- Электронная конфигурация
- Электронно-графическая формула
Электронная конфигурация
Здесь орбитали обозначают буквами (s, p, d, f), а количество электронов на них — цифровым индексом. Например, для азота:
1s2 2s2 2p3
Электронно-графическая формула
Каждый электрон изображается стрелкой, а орбитали — квадратами. Для того же азота:
| 1s | ↑↓ |
| 2s | ↑↓ |
| 2p | ↑ ↑ ↑ |
Такие формулы наглядно демонстрируют структуру атома элемента. С их помощью можно объяснить многие свойства веществ, например, электронно-графическая формула калия или электронно-графическая формула серы.
Электронно-графическая формула калия
Рассмотрим электронно-графическую формулу атома калия, который находится в 4 периоде и 1 группе периодической системы:
| 1s | ↑↓ |
| 2s | ↑↓ |
| 2p | ↑↓ ↑↓ ↑↓ |
| 3s | ↑↓ |
| 3p | ↑↓ ↑↓ ↑↓ |
| 4s | ↑ |
Из формулы видно, что в атоме калия 4 энергетических уровня, заполненных 19 электронами. На внешнем уровне находится 1 электрон – это валентный электрон. Такая структура объясняет химические свойства калия.
Электронно-графические формулы всех элементов и периодическая система
Электронно-графические формулы всех элементов тесно связаны с положением элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Рассмотрим эти закономерности:
- Число энергетических уровней соответствует номеру периода
- Число электронов на внешнем уровне определяется номером группы
- Элементы одной группы имеют сходную электронно-графическую формулу внешнего уровня
Эти закономерности позволяют прогнозировать и объяснять свойства всех химических элементов. Например, легко объяснить, почему щелочные металлы так активны – у них всего один электрон на внешнем уровне, который легко отдается.
Исключения из электронных конфигураций
Однако есть и элементы, которые не вписываются в общие правила заполнения орбиталей. Это переходные металлы и лантаноиды. У них внешние и предвнешние уровни заполняются нестандартно.
Например, медь находится не в 5, а в 4 периоде, хотя у нее все 4 орбитали заполнены. Причина в том, что 3d-орбиталь у переходных металлов заполняется до 4s.
Такие исключения тоже можно объяснить с помощью электронно-графических формул всех элементов. Главное при их построении – учитывать принцип минимума энергии и правило Хунда о максимальных спинах.
Применение знаний об электронных формулах
Знания о строении электронных оболочек позволяют:
- Объяснять периодичность свойств химических элементов
- Прогнозировать химические свойства веществ
- Понимать природу и типы химических связей
Объяснение периодичности свойств элементов
Благодаря электронным формулам мы понимаем, почему свойства элементов периодически повторяются:
- Элементы одной группы имеют сходное число валентных электронов
- С ростом заряда ядра увеличивается число энергетических уровней
Так, щелочные металлы всегда проявляют высокую химическую активность, а инертные газы, наоборот, практически не вступают в реакции.
Прогнозирование свойств неорганических соединений
По электронной формуле элемента можно определить, какие соединения он образует:
- Число валентных электронов указывает на степень окисления
- Тип орбиталей определяет тип химической связи (ионная, ковалентная и т.д.)
Так, для элементов побочных подгрупп характерно образование комплексных соединений, а для элементов главных подгрупп – простых веществ и бинарных соединений типа оксидов.
Понимание природы химических связей
Характер взаимодействия атомов также зависит от строения их электронных оболочек. Мы можем объяснить:
- Ионную связь передачей электрона с внешнего уровня
- Ковалентную связь образованием общих электронных пар
- Водородную связь взаимодействием неподеленных электронных пар