Условие
Запиши электронную конфигурацию атома хлора (порядковый номер 17) и атома калия (порядковый номер 19). Объясни, почему у калия очередной электрон идёт на 4s-подуровень, хотя 3d-подуровень в записи стоит раньше, и почему после кальция заполнение всё-таки возвращается на 3d.
Что известно и что ищем
- Известны порядковые номера элементов, то есть число электронов: у хлора 17, у калия 19.
- Ищем записи вида 1s²2s²… и правило, которое задаёт их порядок.
- По ходу решения нужно проверить, что сумма верхних индексов равна числу электронов.
Ход решения
- Шаг 1. Начинаем с хлора и идём строго по ряду заполнения: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. Заполняем до семнадцати электронов: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Проверяем сумму: 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17. До восьми электронов на внешнем уровне не хватает одного, и это видно по таблице: хлор стоит в VII группе.
- Шаг 2. Переходим к калию. По ряду заполнения после 3p идёт 4s, а не 3d, поэтому получаем 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹. Сумма снова равна девятнадцати.
- Шаг 3. Объясняем порядок через сумму n + l. Для 4s: 4 + 0 = 4. Для 3d: 3 + 2 = 5. Меньшая сумма — у 4s, значит эта орбиталь энергетически ниже и заполняется первой. Дополнительное правило: при равных суммах первым идёт подуровень с меньшим n, поэтому 4s (сумма 4) идёт раньше 3p.
- Шаг 4. Отвечаем на вопрос про «возвращение» на 3d. После того как 4s заполнился, следующий элемент — кальций — тоже получает электрон на 4s, потому что подуровень 4s вмещает два электрона. И только у скандия очередь доходит до 3d: «пятое место» в энергии занимает уже 3d. Так у элементов четвёртого периода внешним остаётся 4s, а между ним и внешним уровнем постепенно заполняется 3d.
- Шаг 5. Проверяем себя на границе. Формула атома кальция: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². Формула скандия: к ней добавляется один электрон на 3d, то есть 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s². Порядок записи подуровней в строке — по номеру, а порядок заполнения — по энергии; путать это нельзя.
Проверь себя
- Ответ: хлор — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; калий — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹; причина — сумма n + l у 4s меньше, чем у 3d.
- Проверка вывода: сумма верхних индексов обязана равняться порядковому номеру элемента. 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17 и 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19 — сходится.
- Ловушка: записать калий как …3d¹, «потому что после 3p идёт 3d». Ряд заполнения строится по энергии, а не по номеру подуровня; 3d появляется в записи раньше места, но заполняется позже.
Как объяснить ребёнку
«Электроны идут не по алфавиту, а по цене билета: чем меньше сумма n + l, тем дешевле место. У 4s билет стоит 4, у 3d — 5, поэтому сначала покупают 4s, хотя по номеру он «дальше». А когда 4s закончился, покупатели возвращаются к 3d — так в четвёртом периоде внешним слоем остаётся 4s, а 3d заполняется «внутри», между ним и ядром».
Тема для отчёта родителю
«Порядок заполнения орбиталей: правило n + l на примере калия и хлора».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.