Где именно «сидят» электроны — и как записать это за минуту для любого атома и иона.
Электрон вокруг ядра занимает не любое место, а строго определённую «квартиру». У этой квартиры есть адрес из трёх частей — уровень, подуровень и орбиталь.
Этаж — расстояние от ядра. Номер уровня = номер периода элемента. Чем дальше, тем больше энергия.
Тип квартиры на этаже: s, p, d, f. Различаются формой электронного облака.
Комната, где реально живут электроны. В одной орбитали максимум 2 электрона (принцип Паули).
s — шар (1 орбиталь). p — гантель (3 орбитали, вдоль осей x, y, z). d — сложнее (5 орбиталей). f — ещё сложнее (7 орбиталей). Форму зубрить не надо — важно лишь число орбиталей, оно задаёт ёмкость.
Электрон обладает двойственной природой: ведёт себя одновременно как частица и как волна. У него нет траектории — нельзя сказать «электрон сейчас вот здесь и летит туда». Можно говорить только о вероятности найти его в той или иной области пространства.
Орбиталь — область пространства вокруг ядра, где вероятность найти электрон наибольшая (около 90%). Это не линия и не путь, а облако. Графически орбиталь изображают квантовой ячейкой — пустой клеткой ▢, в которую потом сажают электроны-стрелки.
Электроны крутятся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца.
Это модель Резерфорда — она устарела ещё сто лет назад. Электрон «размазан» по объёму орбитали. Картинка с кольцами наверху — просто привычный символ, а не физика.
Три — по числу осей координат x, y, z: гантели ориентированы взаимно перпендикулярно. Значит, ёмкость p-подуровня 3 × 2 = 6 электронов.
Состояние каждого электрона в атоме задаётся набором из четырёх квантовых чисел. Это как почтовый адрес: город → улица → дом → квартира. Два электрона с полностью одинаковым набором в атоме невозможны.
Отвечает за энергию и размер орбитали, то есть за номер уровня. Принимает натуральные значения: 1, 2, 3, 4… Совпадает с номером периода.
Отвечает за форму орбитали. Принимает значения от 0 до n − 1. Каждому значению соответствует свой тип подуровня: 0 — s, 1 — p, 2 — d, 3 — f.
Отвечает за ориентацию орбитали в пространстве. Пробегает все целые от −l до +l, включая ноль — всего 2l + 1 значений. Это и есть число орбиталей на подуровне.
Отвечает за собственный момент электрона («вращение вокруг оси»). Всего два значения: +½ и −½. Отсюда и правило «на орбитали максимум два электрона».
| n | l = 0 … n−1 | Подуровни | ml (2l+1) | Орбиталей на уровне | Максимум e- (2n2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 1s | 0 | 1 | 2 |
| 2 | 0, 1 | 2s, 2p | 0 · −1,0,+1 | 1 + 3 = 4 | 8 |
| 3 | 0, 1, 2 | 3s, 3p, 3d | … −2…+2 | 1 + 3 + 5 = 9 | 18 |
| 4 | 0, 1, 2, 3 | 4s, 4p, 4d, 4f | … −3…+3 | 1 + 3 + 5 + 7 = 16 | 32 |
Запоминать её целиком не нужно. Достаточно правила l = 0 … n−1: номер уровня говорит, сколько в нём типов подуровней. На 1-м уровне только s, на 2-м — s и p, на 3-м — s, p и d, на 4-м — s, p, d и f. Дальше всё считается само.
На третьем уровне 3d-подуровень существует, но у элементов 3-го периода он пуст: заполнение доходит только до 3p. Аргон — 3s23p6, и это завершённый внешний уровень, хотя 3d свободен. Вот почему «максимум на уровне 18» и «максимум на внешнем уровне 8» — не противоречат друг другу.
3s (1) + 3p (3) + 3d (5) = 9 орбиталей, по 2 электрона на каждую → 18 электронов. Сходится с 2n2 = 2·9 = 18.
Одна орбиталь — 2 электрона. Отсюда мгновенно считается вместимость каждого подуровня: число орбиталей × 2.
| Подуровень | Орбиталей | Максимум e- | Запомнить как |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | «с» — самый маленький |
| p | 3 | 6 | 3 гантели по осям |
| d | 5 | 10 | десятка |
| f | 7 | 14 | для 6–7 периодов |
Максимум электронов на уровне с номером n считается по формуле 2n2: на 1-м — 2, на 2-м — 8, на 3-м — 18, на 4-м — 32.
Электроны занимают подуровни не по номеру этажа, а по возрастанию энергии — от самого «дешёвого» к дорогому (правило Клечковского). Вот эта заветная лесенка:
После 3p идёт не 3d, а 4s — четвёртый уровень начинает заполняться раньше, чем достроился третий. И только потом возвращаемся к 3d. Именно здесь ошибаются чаще всего (жёлтые плашки выше).
Лесенку выше не надо заучивать как стихотворение — она вытекает из трёх принципов. Знаешь их — восстановишь порядок заполнения даже если забыл картинку.
В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел. Следствие: на одной орбитали — максимум два электрона, и обязательно с противоположными спинами. Такую пару называют спаренными электронами (↑↓), одиночку — неспаренным (↑).
В пределах одного подуровня электроны располагаются так, чтобы число неспаренных электронов было максимальным. Сначала по одному во все клетки — потом спаривание.
Подуровни заполняются в порядке возрастания суммы (n + l). Если суммы равны — раньше заполняется тот, у кого меньше n.
Считаем сумму для каждого подуровня. Напомню: l(s) = 0, l(p) = 1, l(d) = 2.
4s: n + l = 4 + 0 = 4
3d: n + l = 3 + 2 = 5
4 меньше 5 → 4s заполняется первым. Никакой магии, просто арифметика.
А вот 3d и 4p: 3d даёт 5, 4p даёт 4 + 1 = 5. Суммы равны → побеждает меньшее n, то есть 3d. Отсюда и кусок лесенки «4s → 3d → 4p».
Что заполнится раньше — 5s или 4d? А потом?
5s: 5 + 0 = 5. 4d: 4 + 2 = 6. Пять меньше шести → сначала 5s, потом 4d. Дальше 5p: 5 + 1 = 6, сумма как у 4d, но n больше → 5p идёт после 4d. Итог: 5s → 4d → 5p, ровно как в лесенке.
6s: 6 + 0 = 6. 4f: 4 + 3 = 7. Сумма у 6s меньше → она и заполняется первой. Номер уровня сам по себе ничего не решает — решает сумма n + l.
Берём число электронов (= порядковый номер) и «рассаживаем» их по лесенке, пока электроны не кончатся. Показатель степени — сколько электронов на подуровне.
Рассаживаем 16 электронов по порядку: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
Проверка: 2+2+6+2+4 = 16 ✓
Заполненную «сердцевину» заменяют символом ближайшего благородного газа в скобках. Для серы: [Ne] 3s2 3p4. Экономит время и показывает валентный слой — самые важные, внешние электроны.
Число электронов на внешнем уровне = номеру группы (для главных подгрупп). Именно они отвечают за валентность, степени окисления и всю химию элемента.
Запиши полную и сокращённую электронную формулу марганца (Z = 25). Подсказка: не забудь про порядок 4s → 3d.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2
[Ar] 3d5 4s2
Проверка: 2+2+6+2+6+5+2 = 25 ✓. Заполняли в порядке 4s → 3d, а записали по возрастанию номера уровня — так принято.
Заполнение идёт по энергии (…3p → 4s → 3d…), а в готовой формуле подуровни выстраивают по номеру уровня: …3p6 3d5 4s2. Обе записи верны, но вторая — стандарт, и именно её ждут в ответе.
Два — только 4s2. Пять 3d-электронов лежат на предвнешнем третьем уровне. А вот валентных у марганца действительно 7 (3d5 + 4s2) — отсюда и его высшая степень окисления +7. Разбираем это в следующем разделе.
То же самое, но нагляднее: каждую орбиталь рисуют клеткой, а электрон — стрелкой. Спарены — стрелки навстречу (↑↓), одиночный — одна стрелка.
Внутри одного подуровня электроны сначала занимают по одной все клетки (все стрелки вверх) и только потом начинают спариваться. Природа не любит тесноту — одинаковые заряды расселяются пореже.
Три p-электрона садятся по разным клеткам поодиночке — три неспаренных электрона. А вот у кислорода (2p4) четвёртый электрон вынужден спариться: ↑↓ ↑ ↑ — остаётся 2 неспаренных.
Рисовать клетки каждый раз — долго. Достаточно посмотреть на последний подуровень и вспомнить его ёмкость: пока электронов не больше числа орбиталей, все они неспаренные; дальше каждый следующий гасит одного.
| Подуровень | Схема | Неспаренных | Пример |
|---|---|---|---|
| p1 | ↑ _ _ | 1 | B, Al, Ga |
| p2 | ↑ ↑ _ | 2 | C, Si, Ge, Sn, Pb |
| p3 | ↑ ↑ ↑ | 3 | N, P, As |
| p4 | ↑↓ ↑ ↑ | 2 | O, S, Se |
| p5 | ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 | F, Cl, Br, I |
| p6 | ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 | Ne, Ar, Kr |
Число неспаренных растёт 1 → 2 → 3, а потом зеркально падает 2 → 1 → 0. Пик — на p3 (половина заполнения). Та же логика у d: максимум неспаренных на d5. Заметив это, ты закрываешь половину формулировок задания 1 устно.
У каких двух элементов два неспаренных электрона: 1) Se 2) Mg 3) Si 4) B 5) Li
Ответ: 13. Обрати внимание: p2 и p4 дают одинаковый результат — это и есть та самая симметрия.
Элементы одной группы похожи по свойствам не случайно — у них одинаковое строение внешнего уровня, отличается только его номер. Записывают это через n: например, ns2np3 — «два s- и три p-электрона на внешнем уровне».
| Группа | Формула внешнего уровня | 2-й период | 3-й период | 4-й период |
|---|---|---|---|---|
| IA | ns1 | Li 2s1 | Na 3s1 | K 4s1 |
| IIA | ns2 | Be 2s2 | Mg 3s2 | Ca 4s2 |
| IIIA | ns2np1 | B | Al | Ga |
| IVA | ns2np2 | C | Si | Ge |
| VA | ns2np3 | N | P | As |
| VIA | ns2np4 | O | S | Se |
| VIIA | ns2np5 | F | Cl | Br |
| VIIIA | ns2np6 | Ne | Ar | Kr |
Спрашивают не про одинаковые элементы, а про одинаковый столбец. Ищи элементы одной группы (главной подгруппы) — их внешние уровни совпадут по виду nsxnpy, различаясь лишь номером n.
He — благородный газ, но его формула 1s2, а не ns2np6: на первом уровне p-подуровня попросту не существует. Зато по строению внешнего уровня он похож на элементы IIA-группы. Это регулярно обыгрывают в заданиях.
Какие два элемента имеют конфигурацию внешнего уровня ns2np2: 1) Al 2) Be 3) Si 4) B 5) Pb
ns2np2 — это IVA-группа. В списке из неё: Si (3s23p2) и Pb (6s26p2). Al — IIIA (np1), Be — IIA (ns2, без p), B — IIIA. Ответ: 35.
У элементов главных подгрупп эти три понятия совпадают, и разницы будто нет. Но у d-элементов они расходятся — и именно там сыпется большинство.
Электроны на уровне с максимальным n. У марганца это 4s2.
Электроны на предыдущем уровне, n − 1. У марганца — 3s23p63d5.
Те, что реально участвуют в связи. У d-элементов это внешние ns + предвнешние (n−1)d.
Валентные электроны = (n−1)d + ns. Их суммарное число равно номеру группы и задаёт высшую степень окисления элемента.
| Элемент | Валентные электроны | Всего валентных | Группа | Высшая с.о. |
|---|---|---|---|---|
| Ti | 3d24s2 | 4 | IVB | +4 |
| Cr | 3d54s1 | 6 | VIB | +6 |
| Mn | 3d54s2 | 7 | VIIB | +7 |
| Fe | 3d64s2 | 8 | VIIIB | +6 (реально) |
| Cu | 3d104s1 | 11 | IB | +2 |
У Cr и Mn правило работает идеально: +6 и +7 — их реальные высшие степени окисления, отсюда K2CrO4 и KMnO4. У железа и меди оно ломается — все восемь или одиннадцать электронов оторвать энергетически невозможно. Для них рабочие степени окисления запоминают: Fe: +2, +3 (реже +6), Cu: +1, +2.
Cr — [Ar]3d54s1. Внешний электрон один (4s1), а валентных шесть (3d5 + 4s1). Именно шесть, а не один, и объясняют степень окисления +6 в хроматах.
Ион — это атом, у которого изменили число электронов. Дописываем формулу атома, а затем убираем (катион) или добавляем (анион) нужное число электронов.
У d-элементов заполнение идёт «4s раньше 3d», но уходят электроны сначала с внешнего 4s, и лишь потом с 3d. Это ключевой момент для железа, хрома, марганца.
Fe0: [Ar] 3d6 4s2
Fe2+: [Ar] 3d6 (убрали 2 с 4s)
Fe3+: [Ar] 3d5 (ещё 1 с 3d)
Fe3+ особенно устойчив: 3d5 — ровно наполовину заполненный d-подуровень, а это выгодное состояние.
С неметаллами проще: они принимают электроны, пока внешний уровень не станет завершённым — таким же, как у ближайшего благородного газа.
| Процесс | Формула иона | Стал как |
|---|---|---|
| F0 + 1ē = F- | 1s22s22p6 | Ne |
| O0 + 2ē = O2- | 1s22s22p6 | Ne |
| N0 + 3ē = N3- | 1s22s22p6 | Ne |
| Na0 − 1ē = Na+ | 1s22s22p6 | Ne |
| Al0 − 3ē = Al3+ | 1s22s22p6 | Ne |
Все пять частиц получили одну и ту же конфигурацию 1s22s22p6 — они изоэлектронны. Разное у них только число протонов в ядре.
«До завершения внешнего уровня не хватает n электронов» — речь про приём электронов, то есть про анионы. Не хватает трёх → элемент VA-группы (np3 → np6): N, P, As.
«Катион имеет конфигурацию 2s22p6» — берём формулу иона и возвращаем отданные электроны, чтобы найти сам элемент.
У каких элементов катионы имеют конфигурацию внешнего уровня 2s22p6: 1) Mg 2) Al 3) Br 4) Cu 5) Se
2s22p6 — это оболочка неона, 10 электронов. Ищем металлы, которые, отдав свои внешние электроны, придут ровно к десяти.
Ответ: 12.
Иногда один электрон «проскакивает» с s-подуровня на d, потому что заполненный ровно наполовину (d5) или полностью (d10) подуровень энергетически выгоднее. Достаточно запомнить два случая.
[Ar] 3d5 4s1
Ожидали 3d44s2, но электрон перескочил → красивый 3d54s1.
[Ar] 3d10 4s1
Вместо 3d94s2 — заполненный 3d104s1. Тот же механизм.
«Хром и медь любят полноту»: d стремится стать наполовину (d5) или целиком (d10) заполненным, забирая электрон у соседнего s.
Проскок (провал) электрона — отступление от обычного порядка заполнения, при котором один s-электрон переходит на d-подуровень. Происходит потому, что такое состояние даёт атому меньшую энергию, чем «правильное».
Для ЕГЭ обязательны Cr и Cu. Тот же проскок есть у их аналогов ниже по группе — Mo, Ag, Au — но в заданиях они встречаются редко, и специально их учить не нужно.
Проскок — это основное, самое устойчивое состояние хрома: 3d54s1 и есть его норма, а не отклонение. Возбуждённое состояние — совсем другая история, и оно требует энергии извне. Разбираем прямо сейчас.
Всё, что мы записывали до сих пор, — основное состояние: электроны сидят как можно ниже по энергии. Но если атом получает энергию извне, электрон может «распарить» пару и перескочить на свободную орбиталь того же уровня.
Состояние с наименьшей энергией. Заполнение строго по трём правилам. Обозначается без звёздочки.
Энергетически нестабильное: один или несколько электронов перешли на свободные орбитали того же уровня. Обозначается звёздочкой: C*.
Основное состояние C: 2s2 2p2 — два неспаренных электрона. По ним углерод должен был бы образовывать две связи.
Но в метане CH4 связей четыре. Значит, атом переходит в возбуждённое состояние: один 2s-электрон распаривается и уходит на свободную 2p-орбиталь.
C*: 2s12p3 — четыре неспаренных электрона, четыре связи. Вся органическая химия стоит на этом переходе.
Возбуждение возможно, только если на том же уровне есть свободная орбиталь. Поэтому у углерода (есть свободная 2p) оно идёт, а у азота 2s22p3 — нет: на втором уровне все орбитали уже заняты, распаривать 2s некуда. Отсюда и потолок валентности азота IV, а не V.
| Элемент | Основное | Возбуждённое | Неспаренных было → стало |
|---|---|---|---|
| Be | 2s2 | 2s12p1 | 0 → 2 |
| B | 2s22p1 | 2s12p2 | 1 → 3 |
| C | 2s22p2 | 2s12p3 | 2 → 4 |
| N | 2s22p3 | невозможно | 3 → 3 |
| S | 3s23p4 | 3s23p33d1 … 3s13p33d2 | 2 → 4 → 6 |
У элементов третьего периода появляется свободный 3d-подуровень — значит, распариваться можно дважды. Поэтому сера даёт валентности II, IV и VI (H2S, SO2, SO3), а кислород из второго периода — только II.
У каких элементов возможна конфигурация ns1np3 в возбуждённом состоянии: 1) B 2) Ge 3) S 4) N 5) Si
ns1np3 получается из ns2np2 распариванием s-пары — значит, ищем IVA-группу.
Ответ: 25.
Каждая из них выглядит логично — поэтому и живуча. Прочитай левый столбец и честно отметь, сколько раз ты так думал.
3d заполняется сразу после 3p — уровень же третий.
Порядок задаёт сумма n + l: у 4s она 4, у 3d — 5. Сначала 4s, потом 3d. Уровень тут ни при чём.
Раз 4s заполнилась последней, электроны и уходят с 3d.
Уходят всегда с внешнего уровня, то есть первым делом с 4s. Fe → Fe2+ теряет именно два 4s-электрона: [Ar]3d6.
У марганца 7 электронов на внешнем уровне — он же в VII группе.
На внешнем — два (4s2). Семь — это валентные (3d54s2). Для d-элементов номер группы даёт валентные, а не внешние.
Хром 3d54s1 — это возбуждённое состояние.
Это его основное, самое устойчивое состояние. Проскок не требует энергии извне — наоборот, он её экономит.
Азот может возбудиться до 2s12p4 и дать валентность V.
Некуда переходить: на втором уровне нет свободных орбиталей, а 2d не существует. Максимальная валентность азота — IV.
Вопросы идут вперемешку — как на настоящем экзамене, где никто не подсказывает, какой раздел применять. Сначала ответь, потом раскрывай.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. После 3p идёт 4s — не забываем про лесенку. Сумма: 2+2+6+2+6+2 = 20 ✓
Внешний подуровень 2p4 → ↑↓ ↑ ↑ → 2 неспаренных электрона (правило Хунда).
[Ar] 3d5. Из Fe ([Ar]3d64s2) сначала уходят два 4s-электрона, затем один 3d.
Один 4s-электрон «проскакивает» на 3d, чтобы получить устойчивую наполовину заполненную конфигурацию 3d54s1.
За форму — орбитальное l (0 → s-шар, 1 → p-гантель, 2 → d). За ориентацию в пространстве — магнитное ml, оно и задаёт число орбиталей на подуровне: 2l + 1.
4f: n + l = 4 + 3 = 7. 5d: 5 + 2 = 7. Суммы равны → выигрывает меньшее n, то есть 4f. Порядок: 6s → 4f → 5d.
Смотрим только на внешний уровень (4s или 3s):
Ответ: 13. Задание проверяет именно знание проскока — без него Cu и Cr выглядели бы как 4s2.
«Не хватает трёх» → конфигурация ns2np3, то есть VA-группа: до np6 нужно ещё три электрона.
C и Si — IVA (np2, не хватает четырёх), Be — IIA. Остаются N (2s22p3) и As (4s24p3).
Ответ: 35.
Fe3+ — [Ar]3d5. Пять d-орбиталей, пять электронов → по правилу Хунда все сидят поодиночке: 5 неспаренных. Ровно наполовину заполненный подуровень — энергетически выгодная конфигурация, отсюда и устойчивость Fe3+.
У серы третий уровень, там есть свободный 3d-подуровень: 3s23p4 (2 неспаренных) → 3s23p33d1 (4) → 3s13p33d2 (6). У кислорода второй уровень, 2d не существует, распариваться некуда — остаются 2 неспаренных и валентность II.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно