Строение атома, электронные конфигурации и периодические закономерности
Пишем электронные конфигурации с учётом провала электрона и уверенно сравниваем радиусы, электроотрицательность и высшие степени окисления.
Задания 1–3 ЕГЭ дают часть таблицы Менделеева и требуют выбрать элементы по электронному признаку. Ошибка здесь стоит трёх первичных баллов и одновременно ломает задания на степень окисления и на свойства оксидов, потому что все они опираются на строение атома.
Электроны заполняют подуровни в порядке возрастания суммы n + l (правило Клечковского): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p. Ёмкость подуровней: s — 2, p — 6, d — 10, f — 14 электронов. Правило Хунда: в пределах подуровня электроны сначала занимают все орбитали по одному с параллельными спинами. Валентные электроны у элементов главных подгрупп — на внешнем слое, у d-элементов — внешние s и предвнешние d.
У хрома и меди один s-электрон переходит на d-подуровень, потому что наполовину и полностью заполненный d-подуровень энергетически выгоднее. Cr: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹ вместо 3d⁴ 4s². Cu: 3d¹⁰ 4s¹ вместо 3d⁹ 4s². Аналогично ведут себя Mo, Ag, Au, Pt. Эти конфигурации спрашивают напрямую и требуют знать наизусть.
Валентные электроны и высшая степень окисления
| Элемент | Валентная конфигурация | Высшая СО | Формула высшего оксида |
|---|---|---|---|
| Натрий Na | 3s¹ | +1 | Na2O |
| Алюминий Al | 3s² 3p¹ | +3 | Al2O3 |
| Фосфор P | 3s² 3p³ | +5 | P2O5 |
| Сера S | 3s² 3p⁴ | +6 | SO3 |
| Хлор Cl | 3s² 3p⁵ | +7 | Cl2O7 |
| Марганец Mn | 3d⁵ 4s² | +7 | Mn2O7 |
В периоде слева направо: радиус атома уменьшается, энергия ионизации и электроотрицательность растут, металлические свойства ослабевают, кислотный характер высших оксидов и гидроксидов усиливается. В группе сверху вниз: радиус растёт, электроотрицательность падает, металлические и восстановительные свойства усиливаются. Радиус катиона всегда меньше радиуса исходного атома, радиус аниона — больше.
Условие: из ряда Na, Mg, Al, Si, P выберите два элемента, атомы которых в основном состоянии имеют по три неспаренных электрона, а затем расположите Mg, Al, Si в порядке уменьшения радиуса атома. Решение. Конфигурации внешнего слоя: Na 3s¹ — 1 неспаренный; Mg 3s² — 0; Al 3s² 3p¹ — 1; Si 3s² 3p² — 2; P 3s² 3p³ — 3 неспаренных по правилу Хунда. Три неспаренных электрона только у фосфора; если ряд расширить до N (2s² 2p³), подойдёт и азот. Радиус в периоде убывает слева направо, значит Mg > Al > Si. Ответ: три неспаренных электрона — P (и N); порядок уменьшения радиуса — Mg, Al, Si.
Электроны у d-элементов уходят при ионизации сначала с внешнего 4s, а не с 3d: Fe 3d⁶ 4s², но Fe²⁺ — 3d⁶, а не 3d⁴ 4s². Ошибка в этом месте обнуляет задание. Вторая ловушка — вопрос про неспаренные электроны «в основном состоянии»: если формулировка про возбуждённое состояние, у серы становится 4 или 6 неспаренных, и ответы меняются полностью. Третья — забыть провал у Cr и Cu и записать 3d⁴ 4s².
- ✓Сумма электронов в конфигурации равна Z
- ✓Учтён провал электрона у Cr, Cu, Mo, Ag, Au
- ✓Неспаренные электроны посчитаны по правилу Хунда
- ✓При образовании катиона d-элемента электроны сняты сначала с s-подуровня
- ✓Сравнение радиусов ведётся отдельно по периоду и по группе