Электронное строение d-металлов

09.04.2018

В одной из предыдущих статей я рассказывал о том, как электроны живут в атомах, каким законам подчиняются и как записывать электронную конфигурацию легких атомов (к ним относят обычно атомы элементов первых трех периодов таблицы Менделеева). В этой статье опустимся чуть ниже по таблице и поговорим об электронном строении более тяжелых атомов металлов.

Ниже представлен порядок заполнения электронами орбиталей в атомах химических элементов. Главное правило: электроны занимают орбитали по мере увеличения энергии таким образом, чтобы суммарный спин орбитали был максимальным. Проще говоря: уровни заполняются снизу вверх, и сначала электроны на орбиталях размещаются по одному, а только потом начинают спариваться.

Порядок заполнения электронами атомных орбиталей. Над каждой атомной орбиталью указана её сумма главного и орбитального квантовых чисел (n+l).
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей. Над каждой атомной орбиталью указана её сумма главного и орбитального квантовых чисел (n+l).

Вышеприведенных правил и рисунка вполне достаточно для того, чтобы верно записать электронную конфигурацию большинства атомов. Но, как известно, из любого правила есть исключения. Так и здесь. Однако эти исключения вполне легко объяснимы следующим фактом:

Особой энергетической устойчивостью обладают наполовину и полностью заполненные орбитали.

Запишем электронную конфигурацию атома хрома. Найдем хром в таблице Менделеева. Его порядковый номер - 24. Это означает, что заряд ядра атома Cr +24, следовательно в поле ядра движется 24 электрона.

Длиннопериодный вариант периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Длиннопериодный вариант периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Распределим 24 электрона по орбиталям, пользуясь уже известными нам правилами. Помним, что между 4s и 4p-орбиталями заполняется 3d-орбиталь (почему? - объяснял здесь):

Однако, на d-орбитали не хватает одного электрона до наполовину заполненного состояния. А наполовину заполненные орбитали отличаются пониженной энергией. Всё в мире стремится к минимуму энергии; и атом тоже. Поэтому один электрон с 4s-орбитали перескакивает на 3d-орбиталь, благодаря близости энергий этих орбиталей. В результате реальная электронная конфигурация атома хрома записывается так:

Символом в квадратных скобках (у нас это - [Ar]) принято сокращать электронную конфигурацию полностью заполненных невалентных нижних энергетических уровней. У всех благородных газов, которые находятся в 18 группе длиннопериодного варианта периодической системы или в 8 группе краткопериодного, орбитали заполнены полностью, и чтобы не переписывать каждый раз одно и то же пользуются таким способом сокращения записи.

Таким же исключением из правил является атом меди. Ему не хватает одного электрона для полного заполнения 3d-орбитали. И он, как и хром, берет этот электрон с 4-s орбитали:

Именно на тех же основаниях электронная конфигурация молибдена - [Kr] 4d(5)5s(1) (надстрочные индексы указаны в скобках), серебра - [Kr] 4d(10) 5s(1).

Такие же электронные перескоки наблюдаются и у f-элементов. Разберем их электронную конфигурацию в одной из следующих публикаций. Подписывайтесь на наш канал =)