Электронная конфигурация атома отражает распределение электронов по орбиталям, которые характеризуются набором квантовых чисел. Она служит фундаментом для понимания строения вещества, химических свойств элементов и их положения в Периодической системе.
Каждый электрон в атоме описывается четырьмя квантовыми числами: главным n, орбитальным l, магнитным ml и спиновым ms. Совокупность этих параметров определяет допустимые состояния электрона. Распределение электронов по орбиталям подчиняется ряду принципов: принципу наименьшей энергии, принципу Паули и правилу Хунда.
Заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания их энергии. Энергетическая последовательность не всегда совпадает с порядком роста главного квантового числа. Существует правило Клечковского (n + l-правило), согласно которому сначала заполняется та орбиталь, у которой сумма n + l меньше; при одинаковой сумме — та, где меньше n.
Пример энергетической последовательности:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p
В одной атомной орбитали может находиться не более двух электронов, причём они должны иметь противоположные спины ($m_s = +\tfrac{1}{2}$ и $m_s = -\tfrac{1}{2}$). Это ограничение обеспечивает уникальность квантового состояния для каждого электрона в атоме.
При заполнении вырожденных орбиталей (например, трёх p-орбиталей) электроны располагаются так, чтобы число неспаренных электронов с одинаковым спином было максимальным. Это связано с минимизацией кулоновского отталкивания и понижением энергии системы.
Для описания используют сокращённую форму записи: указывается тип орбитали и число электронов на ней. Например:
В сокращённой форме запись ведётся с использованием символа ближайшего предшествующего благородного газа в квадратных скобках.
Положение элемента в Периодической системе Менделеева напрямую связано с его электронной конфигурацией.
В ряде случаев наблюдаются отклонения от общего правила Клечковского. Это объясняется повышенной устойчивостью полностью или наполовину заполненных d- и f-подоболочек. Примеры:
Подобные исключения связаны с понижением энергии системы при симметричном распределении электронов.
Валентными называются электроны внешнего энергетического уровня, принимающие участие в образовании химических связей. Конфигурация валентных электронов определяет тип химической связи, степень окисления и реакционную способность атома.
Примеры:
Для элементов побочных подгрупп характерно заполнение d-подуровня. Это приводит к сложному поведению, включая множественные степени окисления, образование комплексных соединений и парамагнитные свойства.
Примеры:
Эти элементы характеризуются постепенным заполнением 4f- и 5f-подуровней. Их электронные конфигурации объясняют спектральные свойства, магнетизм и склонность к образованию координационных соединений.
Электронные конфигурации являются основой для прогнозирования химических свойств, анализа периодических закономерностей и понимания природы химической связи. Они связывают микроскопическое строение атома с макроскопическим поведением вещества, объясняют устойчивость соединений и механизмы реакций.