Калькулятор электронной конфигурации

Результаты

Как пользоваться калькулятором электронной конфигурации

1. 1. Выберите элемент. Введите символ (Fe), английское название (iron) или порядковый номер (26). Регистр не важен.
2. 2. Добавьте заряд для иона. Запишите его после символа, как в Fe3+, Cl- или O2-, или используйте отдельное поле для заряда.
3. 3. Прочитайте конфигурации. Полная и сокращённая записи показаны с настоящими надстрочными индексами, а также число электронов, неспаренные электроны, магнитные свойства и внешняя оболочка. Отметьте опции, чтобы записать подоболочки в порядке заполнения или показать только внешнюю часть схемы.
4. 4. Прочитайте схему орбиталей. Каждый квадрат — одна орбиталь, стрелки обозначают электроны, заполнение идёт по правилу Хунда. Атомы с неспаренными электронами парамагнитны, а атомы без неспаренных электронов диамагнитны.

Правила заполнения

Три принципа описывают, как электроны занимают орбитали. Принцип Ауфбау — электроны заполняют подоболочку с наименьшей из доступных энергий. Принцип Паули — на одной орбитали помещается не более двух электронов с противоположными спинами. Правило Хунда — электроны занимают орбитали подоболочки по одному, с параллельными спинами, и только потом на какой-либо орбитали появляется второй электрон.

Правило Маделунга задаёт обычный порядок: подоболочки заполняются по возрастанию n + l, а при равенстве n + l — по меньшему n. Так получается привычная последовательность ниже. Подоболочка вмещает 2 электрона (s), 6 (p), 10 (d) или 14 (f).

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

s 2, p 6, d 10, f 14

Пример: железо и его ионы

У железа 26 электронов. Заполнение по порядку даёт 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶, а записанное по оболочкам выглядит как 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Если заменить остов 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ на [Ar], получим сокращённую запись [Ar] 3d⁶ 4s². В подоболочке 3d пять орбиталей получают по одному электрону, а шестой электрон образует пару, поэтому неспаренных электронов 4 и железо парамагнитно. Его внешняя оболочка — n = 4, в ней 2 электрона.

Катионы теряют электроны сначала с внешней оболочки, поэтому Fe²⁺ — это [Ar] 3d⁶, а Fe³⁺ — [Ar] 3d⁵, наполовину заполненная подоболочка d с 5 неспаренными электронами. Это обратный порядок относительно заполнения, где 4s заполняется раньше 3d: когда появляются электроны 3d, уровень 4s оказывается выше.

Исключения из порядка заполнения

Для этих двадцати элементов измеренное основное состояние отличается от того, что предсказывает правило Маделунга. Калькулятор берёт каждую нейтральную конфигурацию из таблицы основных уровней NIST, поэтому они верны; в таблице рядом указаны и предсказание, и измерение.

У хрома и меди уровни 3d и 4s так близки, что наполовину или полностью заполненная подоболочка 3d оказывается выгоднее. У палладия нет ни одного электрона 5s. Случаи у лантаноидов и актиноидов связаны с тем, что 4f и 5d (или 5f и 6d) почти равны по энергии. Ничего из этого нельзя предсказать по одной только таблице орбиталей, поэтому данные берутся из измерений.

Часто задаваемые вопросы

Как записать электронную конфигурацию элемента?

Найдите число электронов (порядковый номер для нейтрального атома) и заполняйте подоболочки в порядке 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d и так далее, до вместимости каждой подоболочки. Например, у серы с 16 электронами конфигурация 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Прежде чем полагаться на эту схему для переходных металлов, сверьтесь с таблицей исключений.

Что такое сокращённая запись электронной конфигурации через благородный газ?

Внутренние электроны заменяются символом предыдущего благородного газа в квадратных скобках. Для серы получится [Ne] 3s² 3p⁴, для железа — [Ar] 3d⁶ 4s². Часть в скобках должна быть полной конфигурацией благородного газа, поэтому калькулятор выбирает наибольший подходящий.

Почему переходные металлы теряют сначала электроны 4s, а не 3d?

Когда в подоболочке 3d есть электроны, она ниже по энергии, чем 4s, поэтому электроны 4s оказываются внешними и отрываются легче всего. Поэтому Fe²⁺ — это [Ar] 3d⁶, а не [Ar] 3d⁴ 4s².

Почему хром и медь — исключения?

Их подоболочки 3d и 4s так близки по энергии, что наполовину заполненная (Cr, 3d⁵ 4s¹) или полностью заполненная (Cu, 3d¹⁰ 4s¹) подоболочка d немного стабильнее предсказанного расположения. Тот же эффект даёт исключения в рядах 4d и 5d, а также у лантаноидов и актиноидов.

Что такое правило Хунда?

Электроны сначала по одному занимают орбитали подоболочки с параллельными спинами, и только после этого какая-либо орбиталь получает второй электрон. Поэтому три электрона 2p азота занимают три разные орбитали, давая 3 неспаренных электрона, а на схеме орбиталей сначала показаны одиночные стрелки и только потом пары.

Как неспаренные электроны связаны с магнетизмом?

Атом или ион с одним и более неспаренными электронами парамагнитен, то есть притягивается магнитным полем. Атом, у которого все электроны спарены, диамагнитен и слабо отталкивается. Fe³⁺ с 5 неспаренными электронами сильно парамагнитен, а Zn²⁺, [Ar] 3d¹⁰, диамагнитен.

Какова электронная конфигурация аниона?

Лишние электроны добавляются к следующей подоболочке в порядке заполнения. У хлорид-иона Cl⁻ 18 электронов, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, как у аргона, поэтому его записывают как [Ar]. Оксид O²⁻ — это [Ne].