Распространенные элементы. Cтроение атомов. Электронные оболочки. Орбитали

Химический элемент – определенный вид атомов, обозначаемый названием и символом и характеризуемый порядковым номером и относительной атомной массой.

В табл. 1 перечислены распространенные химические элементы, приведены символы, которыми они обозначаются (в скобках – произношение), порядковые номера, относительные атомные массы, характерные степени окисления.

Нулевая степень окисления элемента в его простом веществе (веществах) в таблице не указана.

Таблица 1

Название	Символ	Z	Ar	Степень окисления
Азот	N (эн)	7	14,007	-III, +II, III, IV, V
Алюминий	Al (алюминий)	13	26,982	+III
Аргон	Ar (аргон)	18	39,948	-
Барий	Ba (барий)	56	137,327	+II
Бериллий	Be (бериллий)	4	9,012	+II
Бор	B (бор)	5	10,811	+III
Бром	Br (бром)	35	79,904	-I, +I, V, VII
Ванадий	V (ванадий)	23	50,942	+III, IV, V
Висмут	Bi (висмут)	83	208,980	+III, V
Водород	H (аш)	1	1,008	-I, +I
Вольфрам	W (вольфрам)	74	183,84	+IV, VI
Галлий	Ga (галлий)	31	69,723	+III
Гафний	Hf (гафний)	72	178,49	+IV
Гелий	He (гелий)	2	4,003	-
Германий	Ge (германий)	32	72,61	+IV
Железо	Fe (феррум)	26	55,847	+II, III, VI, VIII
Золото	Au (аурум)	79	196,967	+I, III
Индий	In (индий)	49	114,818	+III
Йод	I (йод)	53	126,904	-I, +I, V, VII
Иридий	Ir (иридий)	77	192,217	+III, IV
Иттрий	Y (иттрий)	39	88,906	+III
Кадмий	Cd (кадмий)	48	112,411	+II
Калий	K (калий)	19	39,098	+I
Кальций	Ca (кальций)	20	40,078	+II
Кислород	O (о)	8	15,999	-II, -I, +II
Кобальт	Co (кобальт)	27	58,933	+II, III
Кремний	Si (силициум)	14	28,086	-IV, +IV
Криптон	Kr (криптон)	36	83,80	+II
Ксенон	Xe (ксенон)	54	131,29	+II, IV, VI, VIII
Лантан	La (лантан)	57	138,906	+III
Литий	Li (литий)	3	6,941	+I
Магний	Mg (магний)	12	24,305	+II
Марганец	Mn (марганец)	25	54,938	+II, IV, VI, VII
Медь	Cu (купрум)	29	63,546	+I, II
Молибден	Mo (молибден)	42	95,94	+IV, VI
Мышьяк	As (арсеникум)	33	74,922	+III, V
Натрий	Na (натрий)	11	22,990	+I
Неон	Ne (неон)	10	20,180	-
Никель	Ni (никель)	28	58,693	+II
Ниобий	Nb (ниобий)	41	92,906	+IV, V
Олово	Sn (станнум)	50	118,710	+II, IV
Осмий	Os (осмий)	76	190,23	+IV, VI, VIII
Палладий	Pd (палладий)	46	106,42	+II, IV
Платина	Pt (платина)	78	195,08	+II, IV
Рений	Re (рений)	75	186,207	+IV, VII
Родий	Rh (родий)	45	102,906	+III, IV
Ртуть	Hg (гидраргирум)	80	200,59	+I, II
Рубидий	Rb (рубидий)	37	85,486	+I
Рутений	Ru (рутений)	44	101,07	+II, IV, VI, VIII
Свинец	Pb (плюмбум)	82	207,2	+II, IV
Селен	Se (селен)	34	78,96	-II, +IV, VI
Сера	S (эс)	16	32,066	-II, +IV, VI
Серебро	Ag (аргентум)	47	107,868	+I
Скандий	Sc (скандий)	21	44,956	+III
Стронций	Sr (стронций)	38	87,62	+II
Сурьма	Sb (стибиум)	51	121,760	+III, V
Таллий	Tl (таллий)	81	204,383	+I, III
Тантал	Ta (тантал)	73	180, 948	+IV, V
Теллур	Te (теллур)	52	127,60	-II, +IV, VI
Титан	Ti (титан)	22	47,867	+III, IV
Торий	Th (торий)	90	232,038	+IV
Углерод	C (цэ)	6	12,011	-IV, +II, IV
Уран	U (уран)	92	238,029	+III, IV, VI
Фосфор	P (пэ)	15	30,974	-III, +I, III, V
Фтор	F (фтор)	9	18,998	-I
Хлор	Cl (хлор)	17	35,453	-I, +I, V, VII
Хром	Cr (хром)	24	51,996	+II, III, VI
Цезий	Cs (цезий)	55	132,905	+I
Цинк	Zn (цинк)	30	65,39	+II
Цирконий	Zr (цирконий)	40	91,224	+IV

Все атомы одного элемента имеют одно и то же число протонов в ядре и число электронов в оболочке. Так, в атоме элемента водород Н находится 1р⁺ в ядре и на периферии 1е^-; в атоме элемента кислород О находится 8р⁺ в ядре и 8е^- в оболочке; атом элемента алюминий Аl содержит 13р⁺ в ядре и 13е^- в оболочке.

Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов в ядре, такие атомы называются изотопами. Так, у элемента водород Н три изотопа: водород-1 (специальное название и символ протий ¹H) с 1 р⁺ в ядре и 1е^- в оболочке; водород-2 (дейтерий ²Н, или D) с 1р⁺ и 1n⁰ в ядре и 1е^- в оболочке; водород-3 (тритий ³Н, или Т) с 1р⁺ и 2n⁰ в ядре и 1е^- в оболочке. В символах ¹Н, ²Н и ³Н верхний индекс указывает массовое число – сумму чисел протонов и нейтронов в ядре. Другие примеры:

Элемент кислород O		Элемент углерод C
Кислород-16 16O	8p+, 8n0, 8e-	Углерод-12 12С	6p+, 6n0, 6e-
Кислород-17 17O	8p+, 9n0, 8e-	Углерод-13 13С	6p+, 7n0, 6e-
Кислород-18 18O	8p+, 10n0, 8e-

Электронную формулу атома любого химического элемента в соответствии с его расположением в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева можно определить по табл. 2.

Таблица 2

Электронная оболочка любого атома делится на энергетические уровни (1, 2, 3-й и т. д.), уровни делятся на подуровни (обозначаются буквами s, р, d, f). Подуровни состоят из атомных орбиталей – областей пространства, где вероятно пребывание электронов. Орбитали обозначаются как 1s (орбиталь 1-го уровня s-подуровня), 2s, 2р, 3s, 3р, 3d, 4s… Число орбиталей в подуровнях:

Подуровень	s	p	d	f
Число орбиталей	1	3	5	7

Заполнение атомных орбиталей электронами происходит в соответствии с тремя условиями:

1. принцип минимума энергии
   Электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией.
   Последовательность нарастания энергии подуровней: 
   1s < 2c < 2p < 3s < 3p < 4s ≤ 3d < 4p < 5s ≤ 4d < 5p < 6s…
2. правило запрета (принцип Паули)
   В каждой орбитали может разместиться не более двух электронов.
   Один электрон на орбитали называется неспаренным, два электрона – электронной парой:
   
3.  принцип максимальной мультиплетности (правило Хунда)
   В пределах подуровня электроны сначала заполняют все орбитали наполовину, а затем – полностью.

Каждый электрон имеет свою собственную характеристику – спин (условно изображается стрелкой вверх или вниз). Спины электронов складываются как вектора, сумма спинов данного числа электронов на подуровне должна быть максимальной (мультиплетность):

Заполнение электронами уровней, подуровней и орбиталей атомов элементов от Н (Z = 1) до Kr (Z = 36) показано на энергетической диаграмме (номера отвечают последовательности заполнения и совпадают с порядковыми номерами элементов):

Из заполненных энергетических диаграмм выводятся электронные формулы атомов элементов. Число электронов на орбиталях данного подуровня указывается в верхнем индексе справа от буквы (например, 3d⁵ – это 5 электронов на Зd-подуровне); вначале идут электроны 1-го уровня, затем 2-го, 3-го и т. д. Формулы могут быть полными и краткими, последние содержат в скобках символ соответствующего благородного газа, чем передается его формула, и, сверх того, начиная с Zn, заполненный внутренний d-подуровень. Примеры:

₁H = 1s¹

₂Не = 1s²

₃Li = 1s²2s¹ = [₂He]2s¹

₈O = 1s²2s²2p⁴ = [₂He]2s²2p⁴

₁₃Al = 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ = [₁₀Ne]3s²3p¹

₁₇Cl = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ = [₁₀Ne]3s²3p⁵

_2OСа = 1s²2s²2p⁶3s²3p4s² = [₁₈Ar]4s²

₂₁Sc = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² = [₁₈Ar]3d¹4s²

₂₅Mn = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s² = [₁₈Ar]3d⁵4s²

₂₆Fe = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² = [₁₈Ar]3d⁶4s²

₃₀Zn = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s² = [₁₈Ar, 3d¹⁰]4s²

₃₃As = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³ = [₁₈Ar, 3d¹⁰]4s²4p³

₃₆Kr = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶ = [₁₈Ar, 3d¹⁰]4s²4p⁶

Электроны, вынесенные за скобки, называются валентными. Именно они принимают участие в образовании химических связей.

Исключение составляют:

₂₄Cr = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹ = [₁₈Аr]Зd⁵4s¹ (а не 3d⁴4s²!),

₂₉Cu = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹ = [₁₈Ar]3d¹⁰4s¹ (а не 3d⁹4s²!).