Положение электронов в атоме принято обозначать так:

– сначала цифрой указывается номер слоя;

– затем буквой подуровень;

– сверху справа от буквы число электронов на данном подуровне.

Для правильного изображения электронных конфигураций атомов необходимо соблюдать следующие правила:

– каждый электрон занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией (принцип минимума энергии);

– с увеличением порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке возрастания их энергий

– на каждой орбитали максимально может находиться не более двух электронов, причем с противоположными спинами.

Электроны располагаются на орбиталях и уровнях в порядке возрастания их энергий: уровни заполняются от первого к седьмому, а подуровни – в последовательности s-p-d-f. Последовательность возрастания энергии называется шкалой энергии.

Последовательность заполнения электронами орбиталей можно представить следующим рядом:

Примеры электронных формул:

Орбиталь с минимальной энергией – это s-орбиталь. У атома водорода она занята его единственным электроном.

На одной орбитали могут находиться два электрона, поэтому оба электрона атома гелия размещаются на 1s-орбитали. Электронная оболочка завершена и очень устойчива – это благородный газ.

У элементов второго периода заполняется L-уровень (n = 2), причем сначала орбиталь s-подуровня, а затем три орбитали р-подуровня. Третий электрон в атоме ₃Li занимает 2s-орбиталь. Электрон 2s¹ намного слабее связан с ядром атома, чем 1s-электроны, поэтому атом лития может его свободно терять, образуя ион лития Li⁺.

Далее у атомов C, N, F идет заполнение 2р-орбиталей, которое заканчивается у атома Ne.

Начиная с элементов третьего периода у атомов идет заполнение третьего M-уровня (n = 3), состоящего из 3s-, 3p-, 3d-подуровней.

Порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней теоретически обосновывает периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.

Современная формулировка периодического закона следующая:

свойства атомов химических элементов, а также состав и свойства образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.

Период представляет собой последовательный ряд элементов, заряд ядер которых возрастает каждый раз на единицу. Очередной период начинается щелочным элементом (s-элементом) и заканчивается инертным (благородным) газом (р-элементом) с завершенной конфигурацией р-уровня.

В периодах с увеличением заряда ядра металлические свойства убывают и нарастают неметаллические свойства.

Первый период содержит два элемента: водород и гелий, у них заполняется первый электронный слой: ₁Н 1s¹, ₂Не 1s².

Во 2 периоде 8 элементов, и заполняется второй электронный слой:

Третий период начинается с натрия (Na), электроны заполняют третий энергетический уровень: ₁₁Na1s²2s²2p⁶3s¹. Завершается его заполнение у инертного газа аргона: ₁₈Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Четвертый период начинается калием (₁₉К 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹), его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже энергии 4d-подуровня.

В конце периода находится элемент, у которого внешний электронный слой атома заполнен. Его конфигурация включает восемь электронов.

Таким образом, с увеличением заряда ядра наблюдается периодическая повторяемость электронных конфигураций внешнего слоя атомов s- и р-элементов.

Малые периоды отличаются от больших прежде всего числом элементов, а значит и их строением. Разное число элементов в периодах объясняется закономерностью заполнения электронных оболочек атомов.

Первые три периода малые (1–2 электрона, 2 и 3–8 электронов).

В 4-ом периоде 18 элементов, два первых – это s-элементы (К, Са), в атомах которых заполняется внешний электронный слой (4 s-орбиталь). Последние 6 элементов – это р-элементы. В их атомах заполняется внешний слой (4р-орбиталь). Между s- и р-элементами расположены 10 d-элементов. В их атомах заполняются d-орбитали предвнешнего электронного слоя.

Подобная же картина наблюдается в 5-ом периоде, состоящем из 18 элементов. В нем также 2 s-элемента, 10 d-элементов и 6 р-элементов.

Шестой период состоит из 32 элементов. Это 2 s-элемента, 10 d-элементов, 6 р-элементов и 14 f-элементов, которые вынесены за пределы таблицы.

Седьмой период незавершенный. Заполнение электронами электронных уровней аналогично 6-ому периоду. После заполнения 7s-подуровня у франция (Z=87) и радия (Z=88) электрон актиния поступает на 6d-подуровень, после которого начинается заполнение 5f-подуровня 14 электронами. Это происходит у атомов элементов актиноидов с Z=90…103. После 103-го элемента идет заполнение 6d-подуровня: у резерфордия (Z=104), дубния (Z=105), сиборгия (Z=106), бория (Z=107) и т.д. Актиноиды, как и лантоноиды, обладают многими сходными химическими свойствами.

От всех других групп отличается VIII группа. Помимо главной подгруппы имеется побочная подгруппа, состоящая и из 9 элементов: семейство железа (Fe, Co, Ni) и семейство платины (Ru, Rh, Pb, Os, Ir, Pt).

В главную подгруппу входят s- и р-элементы, а в побочную d-элементы.

Таким образом, структура периодической системы связана с электронной структурой элементов. В периодической системе все химические элементы располагаются в порядке возрастания атомных номеров элементов. Величина атомного номера соответствует положительному заряду ядра атома соответствующего элемента. В периодической системе 7 периодов и 18 групп (8 групп А и 10 групп В). С увеличением зарядов ядер происходит постепенное заполнение электронных структур атомов в соответствии с принципами заполнения. Следовательно, структура периодической системы связана с электронной структурой элементов.

В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают четыре типа элементов:

1) s-элементы (завершается s-подуровень),

2) р-элементы (заполняется р-подуровень),

3) d-элементы (заполняется d-подуровень предвнешнего энергетического уровня) и