Генератор орбитальных диаграмм
Строит орбитальные диаграммы любого элемента или иона, от азота и кислорода до железа, хрома и Fe³⁺: ячейки по порядку заполнения, стрелки по правилу Хунда и электронная конфигурация под схемой. Для уроков и занятий по химии.
Примеры орбитальных диаграмм
Кислород с двумя неспаренными 2p-электронами, железо с четырьмя неспаренными 3d, хром с ожидаемым и реальным заполнением и простой азот, на котором видно правило Хунда. Выберите пример, чтобы взять его запрос.
Как построить орбитальную диаграмму: сера по шагам
На схеме с подписями сера, 16 электронов, энергия растёт снизу вверх. Те же четыре шага дают орбитальную диаграмму любого атома.
- 1
Посчитайте электроны
Порядковый номер серы 16, значит 16 стрелок; для иона прибавьте или вычтите заряд.
- 2
Заполняйте по порядку
1s, 2s, 2p, 3s, 3p снизу вверх, не больше двух противоположных стрелок в ячейке (принцип Паули).
- 3
Сначала по одному в 3p
По стрелке в каждую 3p-ячейку, затем четвёртая встаёт в пару в первой ячейке (правило Хунда).
- 4
Запишите конфигурацию
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴, или [Ne] 3s² 3p⁴, 2 неспаренных электрона.
![Провал электрона у хрома на орбитальной диаграмме: ожидаемая [Ar] 4s2 3d4 с четырьмя неспаренными электронами и реальная [Ar] 4s1 3d5 с шестью](/imgs/examples/topic-diagrams/orbital-diagram-3.webp)
Провал электрона: почему орбитальная диаграмма хрома нарушает порядок заполнения
По порядку заполнения у хрома должно быть [Ar] 4s² 3d⁴. В измеренном основном состоянии один электрон переходит выше, и оба подуровня оказываются заполнены наполовину.
- 1
Ожидается: 4 неспаренных
В 4s пара, в четырёх из пяти 3d-ячеек по одной стрелке, пятая пустая.
- 2
На деле: 6 неспаренных
Один 4s-электрон переходит на 3d: [Ar] 4s¹ 3d⁵, шесть одиночных параллельных стрелок.
- 3
Медь ведёт себя так же
[Ar] 4s¹ 3d¹⁰ вместо 4s² 3d⁹: полностью заполненный 3d выгоднее полной 4s-ячейки.
Орбитальные диаграммы по элементам и схема порядка заполнения
Диаграммы отдельных элементов, которые ищут чаще всего, сгруппированы там, где рисунок стрелок повторяется. Для каждого: число электронов, ячейки, расстановка стрелок и число неспаренных электронов.
Орбитальная диаграмма водорода, гелия, лития и бериллия
Самые маленькие диаграммы, и на них удобно показать принцип Паули. Водород (1): 1s¹, одна стрелка вверх в одной ячейке. Гелий (2): 1s², стрелка вверх и стрелка вниз в одной ячейке. Литий (3): 1s² 2s¹, первый атом со вторым энергетическим уровнем, 1 неспаренный. Бериллий (4): 1s² 2s², все стрелки спарены.
Орбитальная диаграмма азота
7 электронов: 1s² 2s² 2p³. Пары в 1s и 2s, затем по одной стрелке вверх в каждой из трёх 2p-ячеек и ни одной пары, потому что по правилу Хунда ячейки подуровня сначала заполняются по одному. 3 неспаренных электрона: наполовину заполненный 2p объясняет, почему первая энергия ионизации азота выше, чем у кислорода.
Орбитальная диаграмма и электронная конфигурация кислорода
8 электронов: 1s² 2s² 2p⁴. Четвёртый 2p-электрон вынужден встать в пару, поэтому в первой 2p-ячейке ↑↓, а в двух других по одной стрелке: 2 неспаренных электрона. Отталкивание внутри этой единственной спаренной ячейки объясняет, почему кислород отдаёт электрон легче, чем азот.
Орбитальная диаграмма углерода
6 электронов: 1s² 2s² 2p². Два 2p-электрона стоят в разных ячейках с параллельными спинами, 2 неспаренных, и никогда не спарены в одной ячейке. Диаграмма, где один 2s-электрон поднят на 2p и стрелок четыре, показывает возбуждённое состояние углерода, которым объясняют sp³-гибридизацию, а не основное состояние.
Орбитальная диаграмма бора, алюминия и кремния
Бор (5): 1s² 2s² 2p¹, одна стрелка в первой 2p-ячейке и две пустые 2p-ячейки. Алюминий (13): [Ne] 3s² 3p¹, та же картина на период ниже. Кремний (14): [Ne] 3s² 3p², две одиночные 3p-стрелки, как у углерода. Пустые p-ячейки тоже рисуйте: p-подуровень состоит из трёх ячеек, заполнены они или нет.
Орбитальная диаграмма серы и фосфора
На период ниже кислорода и азота, с тем же внешним рисунком после полного неонового остова. Фосфор (15): [Ne] 3s² 3p³, три одиночные 3p-стрелки, 3 неспаренных. Сера (16): [Ne] 3s² 3p⁴, одна 3p-пара и две одиночные стрелки, 2 неспаренных. На полной диаграмме под ними видны десять внутренних электронов в 1s, 2s и 2p.
Орбитальная диаграмма хлора, фтора и брома
Галогенам не хватает одного электрона до полного p-подуровня, ns² np⁵. Фтор (9): 1s² 2s² 2p⁵. Хлор (17): [Ne] 3s² 3p⁵. Бром (35): [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵, с заполненным 3d между 4s и 4p. У всех трёх в двух p-ячейках пары, в третьей одна стрелка: 1 неспаренный электрон.
Орбитальная диаграмма натрия, магния, калия и кальция
Натрий (11): [Ne] 3s¹, одна стрелка в 3s. Магний (12): [Ne] 3s², пара, неспаренных нет. Калий (19): [Ar] 4s¹ и кальций (20): [Ar] 4s². 3d-ячеек нет ни у того, ни у другого: до скандия 4s лежит ниже 3d, поэтому 19-й электрон идёт на 4s, а не на 3d.
Орбитальная диаграмма и электронная конфигурация железа
26 электронов: [Ar] 4s² 3d⁶. 4s спарен; в пяти 3d-ячейках первые пять электронов встают по одному, а шестой образует пару в первой ячейке: 4 неспаренных электрона, поэтому атом железа парамагнитен. Fe²⁺ это [Ar] 3d⁶: первыми уходят два 4s-электрона, неспаренных по-прежнему 4; Fe³⁺ это [Ar] 3d⁵, по стрелке в каждой 3d-ячейке, 5 неспаренных.
Орбитальная диаграмма хрома и меди
Два исключения в первом ряду d-элементов, так называемый провал электрона. Хром (24): [Ar] 4s¹ 3d⁵, а не 4s² 3d⁴, шесть одиночных стрелок. Медь (29): [Ar] 4s¹ 3d¹⁰, а не 4s² 3d⁹, заполненный 3d и 1 неспаренный электрон. Если назвать исключение, оно рисуется так, как измерено; если попросить ожидаемую и реальную схемы вместе, получатся два ряда, как в примере с хромом выше.
Орбитальная диаграмма титана, марганца, кобальта, никеля и цинка
После заполнения 4s в каждую 3d-ячейку сначала встаёт по одной стрелке, и только потом появляются пары. Титан (22): [Ar] 4s² 3d², 2 неспаренных. Марганец (25): [Ar] 4s² 3d⁵, 5 неспаренных. Кобальт (27): [Ar] 4s² 3d⁷, 3 неспаренных. Никель (28): [Ar] 4s² 3d⁸, 2 неспаренных. Цинк (30): [Ar] 4s² 3d¹⁰, ни одного, поэтому цинк диамагнитен.
Орбитальная диаграмма неона и аргона
Благородные газы заполняют все свои ячейки. Неон (10): 1s² 2s² 2p⁶, пять ячеек и десять спаренных стрелок. Аргон (18): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, девять ячеек, все спарены. Без неспаренных электронов оба диамагнитны, а их конфигурации становятся остовами [Ne] и [Ar], с которых начинаются сокращённые диаграммы следующих элементов.
Схема порядка заполнения (правило Клечковского)
Не отдельный атом, а порядок, в котором заполняется любой атом: подуровни записаны строками по уровням (1s; 2s 2p; 3s 3p 3d; 4s 4p 4d 4f …) и пересечены диагональными стрелками, которые дают 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. Это правило n + l, в русских учебниках правило Клечковского (за рубежом его называют правилом Маделунга): раньше заполняется подуровень с меньшей суммой n + l, а при равенстве тот, у которого меньше n, поэтому 4s (4 + 0) идёт раньше 3d (3 + 2).
Энергетическая диаграмма орбиталей
Те же ячейки, расставленные вдоль оси энергии, а не в одну строку, как на схеме серы выше: каждый подуровень на своей высоте, три p- или пять d-ячеек рядом на одном уровне, потому что они вырождены. Эта версия показывает, почему у калия 4s лежит ниже 3d и насколько далеко последний заполненный подуровень от первого свободного.
Заполнение орбиталей и неспаренные электроны, от водорода до брома
Конфигурации основного состояния, как их дают учебники общей химии, со стрелками последнего заполняемого подуровня (□ означает пустую ячейку). Число неспаренных электронов равно числу одиночных стрелок на всей диаграмме.
| Элемент | Электроны | Сокращённая конфигурация | Ячейки последнего подуровня | Неспаренные электроны |
|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1s¹ | 1s: ↑ | 1 |
| He | 2 | 1s² | 1s: ↑↓ | 0 |
| Li | 3 | [He] 2s¹ | 2s: ↑ | 1 |
| B | 5 | [He] 2s² 2p¹ | 2p: ↑ □ □ | 1 |
| C | 6 | [He] 2s² 2p² | 2p: ↑ ↑ □ | 2 |
| N | 7 | [He] 2s² 2p³ | 2p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| O | 8 | [He] 2s² 2p⁴ | 2p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| F | 9 | [He] 2s² 2p⁵ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ne | 10 | [He] 2s² 2p⁶ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| Na | 11 | [Ne] 3s¹ | 3s: ↑ | 1 |
| Mg | 12 | [Ne] 3s² | 3s: ↑↓ | 0 |
| Al | 13 | [Ne] 3s² 3p¹ | 3p: ↑ □ □ | 1 |
| Si | 14 | [Ne] 3s² 3p² | 3p: ↑ ↑ □ | 2 |
| P | 15 | [Ne] 3s² 3p³ | 3p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| S | 16 | [Ne] 3s² 3p⁴ | 3p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cl | 17 | [Ne] 3s² 3p⁵ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ar | 18 | [Ne] 3s² 3p⁶ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| K | 19 | [Ar] 4s¹ | 4s: ↑ | 1 |
| Ca | 20 | [Ar] 4s² | 4s: ↑↓ | 0 |
| Ti | 22 | [Ar] 4s² 3d² | 3d: ↑ ↑ □ □ □ | 2 |
| Cr | 24 | [Ar] 4s¹ 3d⁵ (исключение) | 4s: ↑, 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 6 |
| Mn | 25 | [Ar] 4s² 3d⁵ | 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 5 |
| Fe | 26 | [Ar] 4s² 3d⁶ | 3d: ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ | 4 |
| Co | 27 | [Ar] 4s² 3d⁷ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ | 3 |
| Ni | 28 | [Ar] 4s² 3d⁸ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cu | 29 | [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ (исключение) | 4s: ↑, 3d: пять пар | 1 |
| Zn | 30 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ | 3d: пять пар | 0 |
| Br | 35 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ | 4p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
От скандия до цинка 3d заполняется после 4s, и выбиваются из ряда только хром и медь. Скандий ([Ar] 4s² 3d¹, 1 неспаренный) и ванадий ([Ar] 4s² 3d³, 3 неспаренных) следуют общему порядку. У катиона электроны снимают сначала с наибольшего n: Cu⁺ и Zn²⁺ оба [Ar] 3d¹⁰.
Орбитальная диаграмма, электронная конфигурация и модель Бора
Все три описывают одни и те же электроны. Электронная конфигурация записывает их строкой текста (1s² 2s² 2p⁴), орбитальная диаграмма рисует каждую орбиталь с её стрелками, а модель Бора показывает только уровни в виде колец, без подуровней и без спина. Запись с ячейками и стрелками в русских учебниках называют электронно-графической формулой, и это другое название орбитальной диаграммы.
| Орбитальная диаграмма | Электронная конфигурация | Модель Бора | |
|---|---|---|---|
| Что показывает | Каждую орбиталь как ячейку, каждый электрон как стрелку | Подуровни с числом электронов в верхнем индексе | Уровни как кольца, электроны как точки |
| Кислород | 1s ↑↓, 2s ↑↓, 2p ↑↓ ↑ ↑ | 1s² 2s² 2p⁴, или [He] 2s² 2p⁴ | 2 точки на первом кольце, 6 на втором |
| Спин | Показан стрелками вверх и вниз | Не показан | Не показан |
| Неспаренные электроны | Считаются по одиночным стрелкам | Находятся по правилу Хунда | Не видны |
| Подуровни (s, p, d) | Наборы из 1, 3 и 5 ячеек | Записываются как 1s, 2p, 3d … | Нет, только уровни |
| Сравнение с диаграммой молекулярных орбиталей | Один атом; диаграмма МО ставит орбитали двух атомов в крайние столбцы и комбинирует их | Для молекул пишут конфигурации МО: σ2s² σ*2s² … | Молекулярного аналога нет |
Рисуйте орбитальную диаграмму, когда вопрос касается спина или магнитных свойств. «Сколько неспаренных электронов у железа?» требует нарисовать пять 3d-ячеек; «какова электронная конфигурация железа?» требует только [Ar] 4s² 3d⁶.
Что такое орбитальная диаграмма?
Орбитальная диаграмма (в школьных учебниках электронно-графическая формула или схема квантовых ячеек) показывает, где находятся электроны атома: одна ячейка или чёрточка на орбиталь, ячейки сгруппированы в подуровни (1s, 2s, 2p, 3s …) по порядку заполнения, а каждый электрон нарисован полустрелкой, направление которой обозначает спин. Она несёт тот же подсчёт, что и электронная конфигурация, 1s² 2s² 2p⁴ для кислорода, и ещё то, чего конфигурация не говорит: на каких орбиталях пара, а на каких один неспаренный электрон.
Коротко
- Каждую стрелку ставят три правила. Принцип наименьшей энергии: сначала заполняется подуровень с самой низкой энергией. Принцип Паули: не больше двух электронов на орбитали, с противоположными спинами. Правило Хунда: в наборе орбиталей одинаковой энергии электроны сначала занимают каждую по одному, все с одинаковым спином, и только потом образуют пары.
- 4s заполняется раньше 3d и раньше же освобождается. Калий и кальций размещают внешние электроны на 4s, со скандия начинается 3d. Когда переходный металл образует катион, первыми он теряет 4s-электроны: Fe это [Ar] 4s² 3d⁶, Fe²⁺ это [Ar] 3d⁶.
- В s-, p-, d- и f-подуровнях 1, 3, 5 и 7 орбиталей. Значит, s-подуровень вмещает 2 электрона, p 6, d 10 и f 14, поэтому блоки периодической таблицы шириной 2, 6, 10 и 14 элементов.
- Неспаренные электроны делают атом парамагнитным. Посчитайте одиночные стрелки: у азота 3, у кислорода 2, у железа 4, у хрома 6. Атом, у которого все стрелки спарены, как неон или цинк, диамагнитен.
- Хром и медь нарушают простой порядок. Cr это [Ar] 4s¹ 3d⁵, Cu это [Ar] 4s¹ 3d¹⁰: наполовину или полностью заполненный 3d энергетически выгоднее конфигурации, которую даёт порядок заполнения. Молибден и серебро, стоящие под ними, ведут себя так же с 5s и 4d.
Вопросы об орбитальных диаграммах
Как построить орбитальную диаграмму?
Посчитайте электроны, нарисуйте подуровни по порядку заполнения (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d …) по одной ячейке на орбиталь и заполняйте снизу вверх: две противоположные стрелки в ячейке, и по одной стрелке в каждую ячейку p- или d-подуровня, прежде чем какая-то из них получит пару. Остановитесь, когда стрелок станет столько же, сколько порядковый номер, запишите конфигурацию под схемой и посчитайте одиночные стрелки, чтобы узнать число неспаренных электронов.
Что такое электронно-графическая формула?
Это электронная конфигурация, нарисованная ячейками или чёрточками, по одной на орбиталь с подписью подуровня, где каждый электрон изображён стрелкой вверх или вниз. Кислород в такой записи: 1s ↑↓, 2s ↑↓, 2p ↑↓ ↑ ↑. Учебники, где используют этот термин, называют письменную форму 1s² 2s² 2p⁴ электронной формулой или электронной конфигурацией.
Чем орбитальная диаграмма отличается от электронной конфигурации?
Электронная конфигурация говорит, сколько электронов на каждом подуровне; орбитальная диаграмма показывает ещё и то, как они расположены внутри него. Обе дают 2p⁴ для кислорода, но только диаграмма показывает одну 2p-орбиталь с парой и две с одиночными электронами, откуда и берутся 2 неспаренных электрона кислорода.
Что такое схема порядка заполнения орбиталей?
Это схема очерёдности заполнения подуровней: подуровни записаны строками по уровням и пересечены диагональными стрелками, которые читаются 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s и далее. Она следует правилу n + l (правилу Клечковского). Это инструмент для построения орбитальной диаграммы, а не диаграмма какого-то одного атома.
Почему 4s заполняется раньше 3d?
Потому что у калия и кальция 4s лежит по энергии ниже 3d: сумма n + l у него 4, а у 3d 5. Когда 3d начинает заполняться, начиная со скандия, 3d-орбитали опускаются ниже 4s, поэтому катионы переходных металлов первыми теряют 4s-электроны: Fe²⁺ это [Ar] 3d⁶, а не [Ar] 4s² 3d⁴.
Почему хром и медь являются исключениями?
Наполовину или полностью заполненный 3d-подуровень устойчивее конфигурации, которую даёт порядок заполнения, поэтому один 4s-электрон переходит на 3d (провал электрона). Хром это [Ar] 4s¹ 3d⁵ вместо 4s² 3d⁴, медь [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ вместо 4s² 3d⁹. Энергии 4s и 3d здесь так близки, что дополнительная устойчивость параллельных 3d-спинов перевешивает.
Сколько неспаренных электронов у железа?
Четыре. Железо это [Ar] 4s² 3d⁶: 4s спарен, а из шести 3d-электронов первые пять занимают отдельные ячейки, шестой встаёт в пару с одним из них, и остаются четыре одиночные стрелки. У Fe³⁺, [Ar] 3d⁵, их пять, по одной в каждой 3d-ячейке.
Как построить орбитальную диаграмму иона?
Начните с диаграммы нейтрального атома и добавьте или уберите стрелки по заряду. Анионы помещают лишние электроны в следующую свободную ячейку: Cl⁻ это [Ne] 3s² 3p⁶. Катионы теряют их начиная с наибольшего n, поэтому переходные металлы теряют 4s раньше 3d: Fe³⁺ это [Ar] 3d⁵, пять одиночных стрелок и ни одной 4s-ячейки.
Что показывает орбитальная диаграмма валентных электронов?
Только внешний уровень: s- и p-ячейки с наибольшим n, а остов записан символом благородного газа. У серы это [Ne], затем 3s ↑↓ и 3p ↑↓ ↑ ↑, её 6 валентных электронов, из них 2 неспаренных. У переходных металлов обычно рисуют и 3d-ячейки, потому что эти электроны участвуют в образовании связей.
Почему две стрелки в одной ячейке направлены в разные стороны?
Таков принцип Паули: два электрона на одной орбитали должны иметь противоположные спины, +½ и −½, которые рисуют стрелкой вверх и стрелкой вниз. Третий электрон ни одна орбиталь принять не может, поэтому в ячейке никогда не бывает больше двух стрелок.
Источники
- 5.17: Hund's Rule and Orbital Filling Diagrams, Introductory Chemistry (CK-12) — LibreTexts
- Orbital Diagrams, General Chemistry — Chemistry Steps
Продолжить изучение
Другие наши инструменты для схем и руководства к ним.
Постройте свою орбитальную диаграмму
Назовите элемент или ион и получите ячейки, стрелки и конфигурацию, готовые для ответов к задачам или для слайда.
Начать