Электронная конфигурация атома — это запись того, как электроны распределены по энергетическим уровням и подуровням. Чтобы её составить, берут число электронов (у нейтрального атома оно равно порядковому номеру элемента) и размещают их по подуровням в порядке возрастания энергии: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p… Например, у азота 7 электронов, и его конфигурация — 1s² 2s² 2p³.
Ниже — правила заполнения, пошаговый алгоритм, примеры для N, O, Na, Cl, Fe, Zn и Br, «провал» электрона у хрома и меди, конфигурации ионов и типичные ошибки. По навигатору ФИПИ для ЕГЭ-2026 нужно уметь характеризовать электронное строение атомов и ионов элементов 1–4 периодов, поэтому примеры взяты именно оттуда.
Что такое электронная конфигурация: уровни, подуровни, орбитали
Электроны в атоме занимают энергетические уровни (электронные слои) с номерами n = 1, 2, 3… У элементов 1–4 периодов число занятых уровней равно номеру периода. Каждый уровень делится на подуровни, которые обозначают буквами s, p, d, f. Подуровень состоит из орбиталей — областей пространства, где электрон находится с наибольшей вероятностью. На одной орбитали помещается не больше двух электронов.
| Подуровень | Число орбиталей | Максимум электронов | Появляется на уровне |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | с 1-го |
| p | 3 | 6 | со 2-го |
| d | 5 | 10 | с 3-го |
| f | 7 | 14 | с 4-го |
Номер уровня определяет набор подуровней: на первом есть только 1s, на втором — 2s и 2p, на третьем — 3s, 3p и 3d, на четвёртом — 4s, 4p, 4d и 4f. Максимум электронов на уровне — 2n²: 2, 8, 18, 32.
Правила заполнения: Клечковский, Паули, Хунд
Принцип наименьшей энергии и правило Клечковского
Электроны занимают свободные орбитали с наименьшей энергией. Порядок подсказывает правило Клечковского (в зарубежной литературе его называют правилом Маделунга): подуровни заполняются в порядке возрастания суммы n + l, где l = 0 для s, 1 для p, 2 для d, 3 для f. Если суммы равны, раньше заполняется подуровень с меньшим n.
Поэтому 4s (4 + 0 = 4) заполняется раньше 3d (3 + 2 = 5), а 3d (сумма 5, n = 3) — раньше 4p (сумма 5, n = 4). Полный порядок:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s…
Принцип Паули
В атоме не бывает двух электронов с одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел. На практике это значит: на одной орбитали не больше двух электронов, и их спины противоположны (изображают стрелками ↑↓).
Правило Хунда
В пределах одного подуровня электроны сначала занимают орбитали по одному, с параллельными спинами, и только потом образуют пары. Поэтому в атоме азота три p-электрона расположены на трёх разных орбиталях, а не «пара и один электрон».
Удобно сверять свою запись с наглядной моделью: в интерактивной таблице Менделеева Chemistar можно посмотреть модель Бора (2D и 3D) и электронные орбитали элементов. Открыть интерактивную таблицу Менделеева
Как записать электронную конфигурацию: алгоритм и примеры
- Найдите порядковый номер элемента — это число электронов в нейтральном атоме.
- Выпишите подуровни в порядке Клечковского: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p.
- Заполняйте их по очереди, не превышая ёмкость: s — 2, p — 6, d — 10.
- Остановитесь, когда электроны закончатся.
- Сгруппируйте подуровни по номеру уровня: 3d пишут перед 4s.
- Проверьте: сумма всех верхних индексов должна равняться порядковому номеру.
Сокращённая запись. Заполненную часть заменяют символом ближайшего предыдущего благородного газа в квадратных скобках: [He] — 2 электрона, [Ne] — 10, [Ar] — 18, [Kr] — 36. Остаются только электроны за пределами этого «остова».
Разберём железо (26 электронов): 1s² (2) → 2s² (4) → 2p⁶ (10) → 3s² (12) → 3p⁶ (18) → 4s² (20). Остаётся 6 электронов — они идут на 3d. Получаем 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s², а в сокращённом виде [Ar] 3d⁶ 4s².
| Элемент | Z | Полная конфигурация | Сокращённая | Неспаренных электронов |
|---|---|---|---|---|
| N | 7 | 1s² 2s² 2p³ | [He] 2s² 2p³ | 3 |
| O | 8 | 1s² 2s² 2p⁴ | [He] 2s² 2p⁴ | 2 |
| Na | 11 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ | [Ne] 3s¹ | 1 |
| Cl | 17 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ | [Ne] 3s² 3p⁵ | 1 |
| Fe | 26 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² | [Ar] 3d⁶ 4s² | 4 |
| Zn | 30 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² | [Ar] 3d¹⁰ 4s² | 0 |
| Br | 35 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ | [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ | 1 |
«Провал» электрона у хрома и меди
У двух элементов 4 периода — хрома и меди — реальная конфигурация отличается от той, что даёт простое заполнение по Клечковскому: один электрон с 4s «проваливается» на 3d-подуровень. В школьном курсе это объясняют повышенной устойчивостью наполовину заполненного (d⁵) и полностью заполненного (d¹⁰) подуровней.
| Элемент | Ожидалось бы по правилу | На самом деле |
|---|---|---|
| Cr (Z = 24) | [Ar] 3d⁴ 4s² | [Ar] 3d⁵ 4s¹ |
| Cu (Z = 29) | [Ar] 3d⁹ 4s² | [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ |
Полные записи: Cr — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹, Cu — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹. Именно они совпадают с экспериментальными данными (справочник NIST по хрому, по меди). У хрома получается 6 неспаренных электронов (пять на 3d и один на 4s), у меди — 1.
У остальных d-элементов 4 периода (Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Zn) на 4s остаются два электрона. В 5 периоде и дальше исключений больше (например, у молибдена и серебра), но экзамен ограничен элементами 1–4 периодов.
Электронная конфигурация ионов
Катион образуется, когда атом отдаёт электроны, анион — когда принимает. Главное правило: электроны уходят с внешнего уровня (с наибольшим n). У d-элементов поэтому первыми уходят 4s-электроны, хотя в атоме 4s заполнялся раньше 3d, и только потом снимаются 3d-электроны. Для аниона электроны добавляются на внешний подуровень до его завершения.
- Na+: из 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ уходит 3s¹ → 1s² 2s² 2p⁶, как у неона.
- Cl−: к 3p⁵ добавляется один электрон → 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, как у аргона.
- Fe2+: из [Ar] 3d⁶ 4s² уходят оба 4s-электрона → [Ar] 3d⁶.
- Fe3+: уходит ещё один электрон, уже с 3d → [Ar] 3d⁵ (подуровень наполовину заполнен, 5 неспаренных электронов).
- Cu2+: из [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ уходят 4s¹ и один 3d-электрон → [Ar] 3d⁹.
Частицы с одинаковой конфигурацией называют изоэлектронными. Конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ имеют S2−, Cl−, Ar, K+ и Ca2+ — по 18 электронов у каждой частицы. Такие ряды любят давать в экзаменационных заданиях.
Графическая запись, неспаренные и валентные электроны
Графическая запись по ячейкам
Каждую орбиталь изображают клеткой, а электрон — стрелкой: ↑↓ — электронная пара, одиночная стрелка — неспаренный электрон. Внутри подуровня клетки заполняют по правилу Хунда.
| Атом | Подуровень | Ячейки | Неспаренных |
|---|---|---|---|
| N | 2s | [↑↓] | 0 |
| N | 2p | [↑] [↑] [↑] | 3 |
| O | 2p | [↑↓] [↑] [↑] | 2 |
| Fe | 3d | [↑↓] [↑] [↑] [↑] [↑] | 4 |
| Fe | 4s | [↑↓] | 0 |
Как посчитать неспаренные электроны
Нарисуйте ячейки внешнего уровня (для d-элементов — ещё и 3d), расставьте стрелки по правилу Хунда и сосчитайте одиночные. Так считают для основного состояния. В возбуждённом состоянии электрон переходит на свободную орбиталь того же уровня: у углерода 2s² 2p² (2 неспаренных) → 2s¹ 2p³ (4 неспаренных). У азота и кислорода на втором уровне свободных орбиталей нет, поэтому возбуждение внутри этого уровня невозможно.
Пример задания (формулировка авторская). Из ряда Na, N, P, Cl, Fe выберите два элемента, атомы которых в основном состоянии имеют по три неспаренных электрона. Ответ: N и P (2p³ и 3p³). У Na и Cl по одному, у Fe — четыре.
Ещё один пример. Какие из частиц Na+, Cl−, Fe2+, Mg2+, K+ имеют конфигурацию 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶? Ответ: Cl− и K+ (по 18 электронов). У Na+ и Mg2+ их 10, у Fe2+ — 24.
Валентные электроны
В школьном курсе у s- и p-элементов валентными считают электроны внешнего уровня (в главных подгруппах их число равно номеру группы). У d-элементов — электроны внешнего s-подуровня и незавершённого d-подуровня предыдущего уровня. По этому правилу у железа (3d⁶ 4s²) валентных электронов 8, у хрома (3d⁵ 4s¹) — 6, а у цинка d-подуровень завершён, поэтому валентные 4s². Формулировка может немного отличаться в разных учебниках — ориентируйтесь на тот, по которому занимаетесь.
Типичные ошибки
- Заполняют 3d раньше 4s. Тогда у калия вместо правильного …3p⁶ 4s¹ получается …3p⁶ 3d¹.
- Не сверяют сумму электронов с порядковым номером — и теряют или добавляют один-два электрона.
- Забывают о «провале» у Cr и Cu и пишут 3d⁴ 4s² и 3d⁹ 4s².
- При образовании Fe2+ и Fe3+ снимают электроны с 3d, а не с 4s.
- Нарушают правило Хунда: рисуют у азота 2p как [↑↓] [↑] [ ].
- Путаются в числе электронов у ионов: у Cl− их 18, а не 17; у Fe3+ — 23, а не 26.
Частые вопросы
Как быстро узнать число электронов на внешнем уровне?
Для элементов главных подгрупп оно равно номеру группы (у гелия — 2). У d-элементов на внешнем уровне обычно один-два электрона, а остальные валентные электроны находятся на предвнешнем d-подуровне.
Почему 4s заполняется раньше 3d?
По правилу Клечковского: сумма n + l для 4s равна 4, для 3d — 5, поэтому у калия и кальция электроны идут на 4s. При образовании ионов 4s-электроны всё равно уходят первыми.
Почему электрон «проваливается» у хрома и меди?
Состояния 3d⁵ 4s¹ и 3d¹⁰ 4s¹ оказываются энергетически выгоднее, чем 3d⁴ 4s² и 3d⁹ 4s². В школьном курсе это объясняют устойчивостью наполовину и полностью заполненного d-подуровня.
Как записать конфигурацию иона?
Сначала запишите конфигурацию нейтрального атома. Для катиона удалите электроны с внешнего уровня (у d-элементов сначала с 4s), для аниона добавьте электроны на внешний подуровень. Проверьте, что число электронов равно Z минус заряд иона (или плюс модуль заряда для аниона).
Нужно ли знать конфигурации элементов после 4 периода?
Требования ЕГЭ относятся к атомам и ионам элементов 1–4 периодов. Сам алгоритм работает и дальше, но у более тяжёлых элементов исключений из правила Клечковского больше.
Вывод
Электронная конфигурация строится по трём опорам: порядок заполнения по Клечковскому, не более двух электронов на орбитали (Паули) и максимум неспаренных электронов на подуровне (Хунд). Запомните два исключения — Cr и Cu — и правило «при ионизации сначала уходит 4s». Проверяйте сумму электронов по порядковому номеру, и большинство ошибок исчезнет.
Закрепите тему на практике: в Chemistar есть банк из 2300+ заданий по химии с разборами, ИИ-чат с пошаговыми разборами и интерактивная таблица Менделеева с моделью Бора и орбиталями. Начните с 7 дней бесплатно, откройте задания и посмотрите тарифы — они начинаются от 590 ₽ в месяц.
