Строение электронной оболочки атома
Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
Электронная оболочка атома - это совокупность всех электронов в данном атоме.
Атомная орбиталь - часть атомного пространства, в которой вероятность нахождения данного электрона наибольшая. Можно говорить только о вероятности нахождения электрона в разных частях атомного пространства, а не о его траектории движения.
Представим, что мы (каким-то образом) сфотографировали атом с одним электроном 3 раза. Каждый раз этот электрон окажется в разных точках атомного пространства (рис. 1-3). Далее совместим 10 таких снимков в одном (рис 4), 50 снимков (рис. 5) и 100 снимков (рис. 6). В итоге получим изображение атомной s-орбитали, которая имеет форму шара, т.е. в данной части пространства нахождение электрона наиболее вероятно (картинка из Википедии).
 |
 |
 |
| Рис. 1 | Рис. 2 | Рис. 3 |
 |
 |
 |
| Рис. 4 | Рис. 5 | Рис. 6 |
Каждая атомная орбиталь имеет определённую форму, орбитали разной симметрии обозначают буквами s, p, d и f. На следующем рисунке представлены формы орбиталей s, p и d (картинка из Википедии).
Энергия и размер орбитали характеризуются главным квантовым числом n, которое принимает значение целых чисел от 1 до бесконечности:
n = 1, 2, 3, 4, 5, и т.д. Этим числом n обозначают энергетические уровни, на которых находятся электроны.
Энергетический уровень - совокупность орбиталей, которые имеют одинаковое значение главного квантового числа.
Каждый энергетический уровень состоит из n подуровней.
Энергетический подуровень - это совокупность орбиталей, которые находятся на одном энергетическом уровне, он объединяет орбитали одного вида. Например, s-подуровень (одна s-орбиталь), p-подуровень (на нём находятся три p-орбитали: px, py и pz), d-подуровень (на нём находятся пять орбиталей). Орбитали s-, p- и d-подуровней показаны на рисунке выше.
Графически любая орбиталь изображается в виде клетки: 
. На одной орбитали максимум может находиться два электрона, их называют спаренными или неподелённой электронной парой. Если электрон на орбитали один, его называют неспаренным.
Согласно данной схеме, s-подуровень состоит из одной s-орбитали, p-подуровень состоит из трёх p-орбиталей и т.д:
| Подуровень | Число орбиталей | Максимальное число электронов на подуровне |
|---|---|---|
| s | 1 |
2 |
| p | 3  |
6 |
| d | 5  |
10 |
| f | 7  |
14 |
Число подуровней в каждом энергетическом уровне совпадает с номером самого энергетического уровня:
| Энергетический уровень | Число подуровней | Орбитали | Максимальное число электронов |
|---|---|---|---|
| n = 1 | 1 | s |
2 |
| n = 2 | 2 |
s |
8 |
| n = 3 | 3 | s p d |
18 |
| и т.д. |
Электронная конфигурация показывает распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням и орбиталям. Сначала заполняются орбитали с меньшей энергией и далее по возрастанию:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → ...
Экспериментально было показано, что энергия 4s-подуровеня ниже, чем энергия 3d-подуровня и потому заполняется первым.
Рассмотрим заполнение орбиталей первых шести элементов 4-го периода. Верхний индекс показывает количество электронов на соответствующем подуровне. Порядковый номер элемента в периодической таблице показывает количество электронов, которое необходимо распределить по орбиталям.
| Элемент 4-го периода | Электронная конфигурация |
|---|---|
| 19K | 1s22s22p63s23p64s1 |
| 20Ca | 1s22s22p63s23p64s2 |
| 21Sc | 1s22s22p63s23p64s23d1 |
| 22Ti | 1s22s22p63s23p64s23d2 |
| 23V | 1s22s22p63s23p64s23d3 |
| 24Cr | 1s22s22p63s23p64s13d5 |
В атомах хрома и меди происходит "провал" электрона с внешнего 4s- на предвнешний 3d-подуровень. Это объясняется наибольшей энергетической устойчивостью наполовину заполненных орбиталей (d5) в случае хрома и полностью заполненных (d10) в случае меди:
24Cr 1s22s22p63s23p64s13d5
29Cu 1s22s22p63s23p64s13d10.
Следующая схема может помочь в запоминании порядка заполнения орбиталей электронами.
Рассмотрим периодическую систему химических элементов и будем записывать энергетические подуровни, на которых находятся последние электроны элементов, период за периодом.
1. Первым записываем 1s-подуровень (стрелка 1). У водорода есть только один электрон на s-орбитали, у гелия их два.
2. Далее идёт 2-ой период: сначала электронами заполняется подуровень 2s (стрелка 2), затем 2p (стрелка 3). Li и Be - это s-элементы, а B, C, N, O, F и Ne - это p-элементы.
3. Следующий период снова начинается с s-элементов (Na и Mg), стрелка 4, подуровень 3s. И далее также следуют шесть p-элементов (стрелка 5), заполняется подуровень 3p (от Al до Ar).
4. Период 4 также начинается с s-элементов (K и Ca, стрелка 6), т.е. после 3p записываем 4s. Но дальше идут d-элементы предыдущего периода, т.е. заполняются 3d орбитали (от Sc до Zn). И уже затем идут p-элементы 4-го периода (от Ga до Kr), т.е. сначала заполняются 3d орбитали и затем 4p.
5. Следущий 5-ый период начинается с s-элементов (Rb и Sr), т.е. после 4p пишем 5s. Далее снова d-элементы предыдущего периода, т.е. после 5s идёт 4d (от Y до Cd). Дадее следуют p-элементы 5-го периода (In - Xe) и т.д.
Таким образом, следуя периодической таблице период за периодом, можно восстановить порядок заполнения орбиталей электронами, не забывая, что d-орбитали записываем предыдущего, а не текущего периода.