Как быстро найти неспаренные электроны

Атомно-молекулярное учение

Мы приступаем к изучению химии — мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными
формулами элементов.

Атом (греч. а — отриц. частица + tomos — отдел, греч. atomos — неделимый) — электронейтральная частица вещества микроскопических
размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).

Описываемая модель атома называется «планетарной» и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом

Протон (греч. protos — первый) — положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов
элементов. Нейтрон (лат. neuter — ни тот, ни другой) — нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех
химических элементов, кроме водорода.

Электрон (греч. elektron — янтарь) — стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома —
порядковый номер в таблице Менделеева — равен числу электронов (и, соответственно, протонов).

Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20)
в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.

Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило:
порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.

Электронная конфигурация атома

Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим
электроны занимают различные энергетические уровни.

Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней:

• Первый уровень

Состоит из s-подуровня: одной «1s» ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами — 1s²)

• Второй уровень

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (2s²) и p-подуровня: трех «p» ячеек (2p⁶), на которых
помещается 6 электронов

• Третий уровень

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (3s²), p-подуровня: трех «p» ячеек (3p⁶) и d-подуровня:
пяти «d» ячеек (3d¹⁰), в которых помещается 10 электронов

• Четвертый уровень

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (4s²), p-подуровня: трех «p» ячеек (4p⁶), d-подуровня:
пяти «d» ячеек (4d¹⁰) и f-подуровня: семи «f» ячеек (4f¹⁴), на которых помещается 14
электронов

Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число
электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а
также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.

Подуровни: «s», «p» и «d», которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или
атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный «рисунок».

S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь — клеверный лист.

Правила заполнения электронных орбиталей и примеры

Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов:

• Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
• На орбитали (в одной «ячейке») не может располагаться более двух электронов
• Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются
  еще одним электроном с противоположным направлением
• Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s

Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было
бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.

Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.

Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и
серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода — 6, у серы — 16.

Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.

Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил.
А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся
одним электроном дополнили первую ячейку.

Таким образом, электронные конфигурации наших элементов:

• Углерод — 1s²2s²2p²
• Серы — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

Внешний уровень и валентные электроны

Количество электронов на внешнем (валентном) уровне — это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда
для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно:

• Углерод — 2s²2p² (4 валентных электрона)
• Сера -3s²3p⁴ (6 валентных электронов)

Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью — способностью атомов образовывать определенное число химических связей.

• Углерод — 2s²2p² (2 неспаренных валентных электрона)
• Сера -3s²3p⁴ (2 неспаренных валентных электрона)

Тренировка

Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных
электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.

Запишем получившиеся электронные конфигурации магния и скандия:

• Магний — 1s²2s²2p⁶3s²
• Скандий — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹
  

В целом несложная и интересная тема электронных конфигураций отягощена небольшим исключением — провалом электрона, которое только подтверждает общее
правило: любая система стремится занять наименее энергозатратное состояние.

Провал электрона

Провалом электрона называют переход электрона с внешнего, более высокого энергетического уровня, на предвнешний, энергетически более
низкий. Это связано с большей энергетической устойчивостью получающихся при этом электронных конфигураций.

Подобное явление характерно лишь для некоторых элементов: медь, хром, серебро, золото, молибден. Для примера выберем хром, и рассмотрим
две электронных конфигурации: первую «неправильную» (сделаем вид, будто мы не знаем про провал электрона) и вторую правильную, написанную
с учетом провала электрона.

Теперь вы понимаете, что кроется под явлением провала электрона. Запишите электронные конфигурации хрома и меди самостоятельно еще раз и
сверьте с представленными ниже.

Основное и возбужденное состояние атома

Основное и возбужденное состояние атома отражаются на электронных конфигурациях. Возбужденное состояние связано с движением электронов
относительно атомных ядер. Говоря проще: при возбуждении пары электронов распариваются и занимают новые ячейки.

Возбужденное состояние является для атома нестабильным, поэтому долгое время в нем он пребывать не может. У некоторых атомов: азота,
кислорода , фтора — возбужденное состояние невозможно, так как отсутствуют свободные орбитали («ячейки») — электронам некуда перескакивать, к тому
же d-орбиталь у них отсутствует (они во втором периоде).

У серы возможно возбужденное состояние, так как она имеет свободную d-орбиталь, куда могут перескочить электроны. Четвертый энергетический
уровень отсутствует, поэтому, минуя 4s-подуровень, заполняем распаренными электронами 3d-подуровень.

По мере изучения основ общей химии мы еще не раз вернемся к этой теме, однако хорошо, если вы уже сейчас запомните, что возбужденное состояние
связано с распаривание электронных пар.

Задание №1 ЕГЭ по химии

Описание задания

В Задании №1 нам необходимо уметь хорошо пользоваться таблицей Менделеева. Первое задание — это поиск атома или иона с заданной конфигурацией электронов, обычно это количество электронов на внешнем уровне (соответствует номеру группы).

Тематика заданий: электронная конфигурация атомов

Бал: 1

Сложность задания: ♦◊◊

Примерное время выполнения: 1 мин.

Разбор типовых вариантов заданий №1 ЕГЭ по химии

Вариант 1ЕХ1

Опре­де­ли­те, атомы каких двух из указанных в ряду элементов имеют на внешнем энер­ге­ти­че­ском уровне пять электронов.

P

N

S

Al

O

Данный пример — типичный вариант первого задания — необходимо определить количество электронов на внешнем уровне. Вспоминаем, что на количество электронов на внешнем уровне указывает номер ГРУППЫ:

Напомню, что нам важно обращать внимание на то, в главной или побочной группе находится элемент. К сожалению, в таблице, которая дана на ЕГЭ нет деления на главные или побочные группы (какие-то элементы пишут правее, какие-то левее, но это не деление на главные и побочные группы), данная таблица не удобна, однако, по правилам можно пользоваться только ей. Обсуждать недостатки данной таблицы мы не будем, скажем лишь, что в условиях задания представлены всегда элементы главных групп, поэтому данный вопрос отпадает сам собой на экзамене (но нет гарантий, что не могут дать определить количество внешних электронов у кобальта, например, по номеру группы в данной таблице это не определишь).

Итак, находим наши пять элементов из условия:

Определяем номер группы — у алюминия 3 группа, у азота и фосфора — пятая, у кислорода и серы — шестая.

В условии нас спрашивают про пять электронов — значит выбираем элементы из пятой группы — азот и фосфор!

Ответ: 12

Вариант 1ЕХ2

Определите, двум атомам каких из указанных элементов до завершения внешнего уровня не хватает шести электронов.

Ba

At

Bi

Mg

Cs

Данное задание немного другого типа, в нем необходимо определить элементы, которым не хватает какого-то количества электронов до завершения внешнего уровня. В этом случае наш алгоритм прост: мы знаем, что на внешнем уровне должно быть 8 электронов (2 и 3 период, или главные группы 4,5,6.. — в заданиях в основном фигурируют именно эти элементы), а значит вычитаем из 8 заданное число — в нашем случае 6: 8-6=2. Значит, в нашем элементе должно быть два электрона на внешнем уровне и, следовательно, расположен он во второй группе. Определяем группы элементов из условия:

В данном случае элементы второй группы — магний и барий.

Ответ: 14

Вариант 1ЕХ3

Опре­де­ли­те, атомы каких двух из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат один неспаренный электрон.

S

Na

Al

Si

Mg

Следующий вид задания на поиск элементов с неспаренным электроном. Тут все достаточно просто. Так как электроны у нас в орбиталях всегда располагаются по парам (если помните, то есть квадратик, в котором мы рисуем стрелочку вверх и низ), то логично, что неспаренный электрон образуется, когда количество электронов на внешнем уровне нечетно, то есть в элемент должен быть расположен в нечетной группе, а именно 1,3,5,7. Определяем группы указанных нам элементов:

Итак, натрий в первой группе, магний во второй, алюминий в третьей, кремний в четвертой, а сера в шестой.

Выбираем элементы в нечетных группах — это натрий и алюминий!

Ответ: 23

Вариант 1ЕХ4

Опре­де­ли­те, атомы каких двух из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат два неспаренных электрона.

S

Mg

C

B

Li

В данном задании нужно найти два неспаренных электрона. Данное распределение можно найти, начиная с p-подуровня, а именно два неспаренных электрона образуются в четвертой группе, так как на s -подуровне два электрона + 2 должно быть на p-подуровне, и в шестой группе, где 2s+2p(спаренные)+2p(неспаренные) (так как в p-подуровне три орбитали по два электрона на каждой). Таким образом нужно найти элементы четвертой группы или шестой:

В нашем случае это углерод и сера.

Ответ: 13

Вариант 1ЕХ5

Определите, какие два из указанных элементов образуют устойчивый положительный ион, содержащий 10 электронов.

Na

K

N

Li

Al

В данном варианте задания речь идет уже об ионе, причем положительном, который содержит 10 электронов. В такого вида заданиях необходимо определить, сколько заполнено уровней у иона в зависимости от количества электронов. В нашем случае 10 электронов — это полностью заполненные первый (2) и второй (8) уровни (или периоды в таблице). Так мы говорим о положительном ионе — значит элемент потерял электроны, но у него их было больше чем 10, а значит, он расположен в третьем периоде. Ищем такие элементы:

Нам подходят натрий и алюминий.

Ответ: 15

Вариант 1ЕХ6

Определите, какие из указанных элементов об­ра­зу­ют устойчивый от­ри­ца­тель­ный ион, со­дер­жа­щий 18 электронов.

N

Al

S

Cl

Ca

Отрицательный ион получается путем добавления электронов к атому. 18 электронов — это полностью заполненный третий уровень или период, значит, наши элементы расположены именно в нем (в отличии от предыдущего задания, где мы искали в следующем периоде, так как ион положительный). Смотрим на предоставленные в условии элементы:

В данном случае в третий период попали алюминий, сера и хлор. Алюминий не может принять электроны до 18, так как является металлом и отдает электроны. Наиболее типичные элементы-любители электронов расположены правее. Это сера и хлор для данного задания.

Ответ: 34

Вариант 1ЕХ7

Опре­де­ли­те, какие из указанных элементов на внешнем уровне содержат больше s-электронов, чем p-электронов (в основном состоянии).

H

C

F

Be

P

Такие виды заданий часто встречаются в тренировочных вариантах, нужно либо определить кого меньше, когда равно или кого больше. Разберем для наглядности данный пример. s-электронов всего два, значит p-электронов должно быть 1, чтобы было меньше. В сумме у элемента на внешнем уровне получается максимум 3 электрона (но может быть и ноль p-электронов и один или два s!), а значит он в третьей, второй или первой группе.

Нам подходит водород и бериллий.

Ответ: 14.

Остальные задания очень похожи на разобранные, поэтому вы их точно сможете решить, разобравшись с выше представленными решениями.

Объяснение:

Электроны располагаются вне ядра на различных уровнях, а на каждом уровне есть определенные орбитали.

Орбиталь – пространство вокруг ядра, где наиболее вероятно расположение электрона.

Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, а если два – то это спаренные электроны.

Чтобы понять, как образуются неспаренные электроны, нужно научиться изображать электронно-графическое строение атома. Электроны стремятся занять сначала сободные орбитали,  а кому не хватает свободной орбитали,  он подселяется к электрону первой орбитали.

Например,

1) Калий:  

 порядковый номер — № 19 ,  

 Заряд ядра атома калия Z=+19    Вокруг ядра атома 4 энергетических уровня, на которых располагаются 19 электронов.  

Изобразим  модели строение атома калия:  

а). Модель атома калия при помощи дуг:  

₊₁₉K)₂)₈ )₈)₁  

б). Модель атома -электронная формула калия

₊₁₉K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹  

в).Электронно-графическая модель атома:  

4  уровень s↑  

                  p   ⇅ ⇅ ⇅  

3уровень s⇅  

                  p     ⇅ ⇅ ⇅  

2уровень s⇅  

1уровень s⇅  

₊₁₉K  

У калия легко определить неспареный электрон, так как он на последнем уровне всего один.

2) Азот

порядковый номер — № 7 ,  

 Заряд ядра атома калия Z=+7    Вокруг ядра атома 2 энергетических уровня, на которых располагаются 7 электронов.  

Изобразим  модели строение атома азота:  

а). Модель атома азота при помощи дуг:  

₊₇N)₂)₅  

б). Модель атома -электронная формула калия

₊₇N 1s²2s²2p³  

в).Электронно-графическая модель атома:  

                     p    ↑↑↑  

2уровень s⇅  

1уровень s⇅  

₊₇N  

У азота на p-орбитали 3 электрона, орбиталей тоже 3 вот электроны и расположились каждый на отдельной орбитали и получилось3 неспаренных электрона.

3) Хлор

порядковый номер — № 17 ,  

 Заряд ядра атома калия Z=+17    Вокруг ядра атома 3 энергетических уровня, на которых располагаются 17 электронов.

Изобразим  модели строение атома хлора:  

а). Модель атома калия при помощи дуг:  

₊₁₇CI)₂)₈ )₇  

б). Модель атома -электронная формула калия

 ₊₁₇CI 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵3d⁰  

в).Электронно-графическая модель атома:  

                   d               — — — — —      

                  p   ⇅ ⇅ ↑  

3уровень s⇅  

                  p     ⇅ ⇅ ⇅  

2уровень s⇅  

1уровень s⇅  

₊₁₇CI      

У хлора один неспаренный электрон.

Но у хлора есть еще d-орбиталь и в возбужденном состоянии электроны из s-орбитали и р-орбитали могут распариться и занять место на d-орбиталь:

г).Электронно-графическая модель атома хлора в возбужденном состоянии:  

                    spd             ↑↑ ↑↑↑↑↑        

  3уровень  

                  p     ⇅ ⇅ ⇅  

2уровень s⇅  

1уровень s⇅  

₊₁₇CI*      

Таким образом у хлора в возбужденном состоянии будет 7 неспаренных электронов, он может в таком состоянии, иметь степень окисления -7 , например оксид хлора(VII)  CI₂⁺⁷O₇⁻²