Задание 1 ЕГЭ по химии: электронная конфигурация атомов и ионов

Что проверяет задание

Задание 1 проверяет умение строить электронную конфигурацию атома или иона и «читать» её: определять число электронов на внешнем энергетическом уровне, находить период, группу, тип элемента (s-, p-, d-элемент) и связывать строение электронной оболочки со свойствами химического элемента.

В основе задания — периодический закон: строение внешнего электронного уровня атома периодически повторяется у элементов одной группы, а значит, зная номер элемента, можно однозначно восстановить его конфигурацию и сделать вывод о числе валентных электронов без сложных вычислений.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типовая формулировка: «Из указанного ряда химических элементов выберите два элемента, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат определённое число электронов (например, четыре, пять, один и т. п.). Запишите номера выбранных элементов».

Особенность именно этого задания: в ряду элементы пронумерованы цифрами (обычно от 1 до 5), и в ответ нужно записать не порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а номера позиций в предложенном ряду — две цифры без пробелов, в любом порядке (поэтому в критериях часто указывают оба варианта записи через «|»).

Задание оценивается максимум в 2 балла: 2 балла — верно указаны оба элемента, 1 балл — верно указан только один из двух, 0 баллов — ответ неверный или отсутствует.

Что нужно знать

• Электрон в атоме описывается набором квантовых чисел; порядок заполнения подуровней определяется принципом наименьшей энергии (правило Клечковского): $1s,\,2s,\,2p,\,3s,\,3p,\,4s,\,3d,\,4p,\,5s,\,4d,\,5p,\,6s,\,4f,\,5d,\,6p,\,7s,\,5f,\,6d,\,7p$.
• Принцип Паули: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел; на одной орбитали — максимум два электрона с противоположными спинами.
• Правило Хунда: в пределах одного подуровня электроны сначала занимают свободные орбитали по одному, и только потом происходит их спаривание.
• Максимальное число электронов на уровне с главным квантовым числом $n$: $N = 2n^2$; на подуровнях: $s$ — 2, $p$ — 6, $d$ — 10, $f$ — 14.
• Внешний энергетический уровень — уровень с максимальным значением $n$ в конфигурации атома. Именно электроны этого уровня (и не полностью завершённого $d$- или $f$-подуровня) в основном определяют химические свойства элемента.
• Для элементов главных подгрупп (s- и p-элементов) число электронов на внешнем уровне равно номеру группы в короткой форме таблицы Менделеева (для групп IA–VIIIA).
• Номер периода элемента равен значению главного квантового числа $n$ внешнего уровня (у s- и p-элементов) или значению $n$ внешнего $s$-подуровня (у d-элементов).
• У d-элементов конфигурация внешнего уровня — $ns^{1-2}$, а предвнешний $(n-1)d$-подуровень заполняется электронами, но не относится к внешнему уровню; при этом оба подуровня считаются валентными.
• Исключения («провал» электрона): у хрома, меди, молибдена, серебра, золота и некоторых других d-элементов на внешнем s-подуровне остаётся только один электрон из-за повышенной устойчивости полностью или наполовину заполненного d-подуровня, например $Cr:\;[Ar]3d^{5}4s^{1}$, $Cu:\;[Ar]3d^{10}4s^{1}$.
• При образовании катионов атом теряет электроны сначала с внешнего $ns$-подуровня, а лишь затем — с $(n-1)d$ (важно для переходных металлов).
• При образовании анионов атом принимает электроны на внешний уровень до его завершения (для p-элементов — до восьми электронов).
• Изоэлектронные частицы — атомы и ионы с одинаковым числом электронов и, как правило, сходной конфигурацией внешнего уровня (например, $Na^{+}$, $Mg^{2+}$, $Ne$ изоэлектронны).

Методы решения

1. Метод последовательного заполнения подуровней (правило Клечковского). Записываем электроны атома строго по порядку возрастания энергии подуровней, пока не «израсходуем» все электроны, равные порядковому номеру элемента. Пример: для элемента с порядковым номером 16 (сера) записываем $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ — суммарно 16 электронов, внешний уровень $n=3$: $3s^2 3p^4$, то есть 6 электронов.

2. Метод «номер группы = число электронов внешнего уровня» (для s- и p-элементов). Это самый быстрый способ для главных подгрупп: не нужно писать всю конфигурацию, достаточно вспомнить номер группы. Пример: фосфор стоит в VA группе, значит на внешнем уровне у него 5 электронов — конфигурация внешнего уровня $3s^2 3p^3$.

3. Метод определения конфигурации d-элементов через «период = n внешнего s-подуровня». У переходных металлов внешний уровень почти всегда содержит 1–2 электрона ($ns^{1}$ или $ns^{2}$), независимо от того, сколько электронов на предвнешнем d-подуровне. Пример: марганец (номер 25, 4-й период) — $[Ar]3d^{5}4s^{2}$, на внешнем уровне ($n=4$) — 2 электрона, хотя валентных электронов всего 7.

4. Метод построения конфигурации ионов через «атом ± электроны». Сначала строим конфигурацию нейтрального атома, затем убираем или добавляем нужное число электронов с внешнего (для катионов) или на внешний (для анионов) уровень. Пример: ион $Fe^{2+}$ получают из атома железа $[Ar]3d^{6}4s^{2}$ удалением двух электронов с 4s-подуровня: $[Ar]3d^{6}$.

5. Метод сравнения по группам (аналогии) для быстрого выбора элементов в задании. Элементы одной главной подгруппы имеют одинаковое число электронов на внешнем уровне независимо от периода — этим удобно пользоваться, когда нужно быстро найти пару элементов с заданным числом электронов среди пронумерованного ряда. Пример: если в ряду есть углерод и кремний, оба относятся к IVA группе и оба имеют по 4 электрона на внешнем уровне.

Алгоритм решения по шагам

1. Определить точный порядковый (атомный) номер каждого элемента в предложенном ряду, используя таблицу Менделеева.
2. Для каждого элемента построить электронную конфигурацию — полностью (по правилу Клечковского) либо, если элемент относится к главной подгруппе, воспользоваться правилом «номер группы = электроны внешнего уровня».
3. Определить максимальное значение главного квантового числа $n$ в конфигурации — это номер внешнего уровня.
4. Выписать все подуровни с этим значением $n$ и посчитать суммарное число электронов на них — это и есть искомая величина.
5. Сравнить полученное число с условием задания (например, «четыре электрона», «один электрон») для каждого элемента ряда.
6. Отобрать два элемента, удовлетворяющих условию.
7. В ответ записать номера позиций этих элементов в самом ряду (а не их атомные номера), без пробелов, в любом порядке.

Разбор примеров

Пример 1. Условие: в ряду элементов под номерами 1–5 — $Na$ (1), $Mg$ (2), $Si$ (3), $P$ (4), $Ge$ (5) — определить, атомы каких двух элементов содержат на внешнем уровне четыре электрона.

Шаг 1–2. Строим конфигурации внешнего уровня: $Na$ (номер 11): $[Ne]3s^{1}$ — 1 электрон; $Mg$ (номер 12): $[Ne]3s^{2}$ — 2 электрона; $Si$ (номер 14): $[Ne]3s^{2}3p^{2}$ — 4 электрона; $P$ (номер 15): $[Ne]3s^{2}3p^{3}$ — 5 электронов; $Ge$ (номер 32): $[Ar]3d^{10}4s^{2}4p^{2}$, внешний уровень $n=4$: $4s^{2}4p^{2}$ — 4 электрона.

Шаг 3–5. Условию «четыре электрона на внешнем уровне» соответствуют кремний (позиция 3) и германий (позиция 5) — оба относятся к IVA группе, что подтверждает результат методом аналогии.

Шаг 6–7. Ответ: номера позиций 3 и 5, то есть 35 (или 53 — порядок не важен).

Пример 2. Условие: в ряду элементов под номерами 1–5 — $Na$ (1), $K$ (2), $Ca$ (3), $Al$ (4), $S$ (5) — определить, атомы каких двух элементов содержат на внешнем уровне один электрон.

Шаг 1–2. Конфигурации внешнего уровня: $Na$ (номер 11): $3s^{1}$ — 1 электрон; $K$ (номер 19): $4s^{1}$ — 1 электрон; $Ca$ (номер 20): $4s^{2}$ — 2 электрона; $Al$ (номер 13): $3s^{2}3p^{1}$ — 3 электрона; $S$ (номер 16): $3s^{2}3p^{4}$ — 6 электронов.

Шаг 3–5. Условию соответствуют натрий (позиция 1) и калий (позиция 2) — оба элемента IA группы (щелочные металлы), у обоих внешний уровень заканчивается на $ns^{1}$.

Шаг 6–7. Ответ: номера позиций 1 и 2, то есть 12 (или 21).

Пример 3. Условие: в ряду элементов под номерами 1–5 — $N$ (1), $P$ (2), $O$ (3), $Si$ (4), $Cl$ (5) — определить, атомы каких двух элементов содержат на внешнем уровне пять электронов.

Шаг 1–2. Конфигурации внешнего уровня: $N$ (номер 7): $2s^{2}2p^{3}$ — 5 электронов; $P$ (номер 15): $3s^{2}3p^{3}$ — 5 электронов; $O$ (номер 8): $2s^{2}2p^{4}$ — 6 электронов; $Si$ (номер 14): $3s^{2}3p^{2}$ — 4 электрона; $Cl$ (номер 17): $3s^{2}3p^{5}$ — 7 электронов.

Шаг 3–5. Условию соответствуют азот (позиция 1) и фосфор (позиция 2) — оба относятся к VA группе.

Шаг 6–7. Ответ: номера позиций 1 и 2, то есть 12 (или 21).

Во всех трёх примерах видно общий приём: если в ряду встречаются два элемента одной главной подгруппы, они почти всегда и есть искомая пара — это существенно ускоряет решение по сравнению с полным построением всех конфигураций.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают номер позиции элемента в ряду с его атомным (порядковым) номером и записывают в ответ, например, «1132» вместо «12» — при проверке такой ответ считается неверным.
• Считают все электроны атома вместо электронов только внешнего уровня — особенно легко ошибиться у d-элементов, где предвнешний d-подуровень содержит много электронов, но не входит во внешний уровень.
• Забывают про элементы-исключения с «провалом» электрона ($Cr$, $Cu$, $Mo$, $Ag$, $Au$ и др.), приписывая им конфигурацию $ns^{2}$ вместо реальной $ns^{1}$.
• Путают понятия «электроны внешнего уровня» и «валентные электроны»: у d-элементов валентными считаются и $ns$-, и $(n-1)d$-электроны, но на внешнем уровне находятся только электроны $ns$-подуровня.
• При построении конфигурации ионов переходных металлов первыми убирают электроны с $(n-1)d$-подуровня, тогда как правильно сначала снимать электроны с внешнего $ns$-подуровня.
• Неверно определяют группу элемента побочной подгруппы, пытаясь применить правило «номер группы = число внешних электронов», которое работает только для главных подгрупп (s- и p-элементов).
• Ошибаются в порядке заполнения подуровней, забывая, что $4s$ заполняется раньше $3d$, хотя формально относится к более высокому уровню.

Как готовиться

Отработайте построение полных электронных конфигураций для всех элементов первых четырёх периодов (номера 1–36) — это покрывает большинство вариантов задания. Держите перед глазами таблицу Менделеева и тренируйтесь быстро определять число электронов на внешнем уровне по номеру группы для s- и p-элементов, а для d-элементов — по номеру периода.

Отдельно выучите список элементов-исключений с «провалом» электрона и их реальные конфигурации, поскольку именно они часто становятся ловушкой в заданиях. Потренируйтесь строить конфигурации ионов, аккуратно применяя правило: у атомов и катионов главных подгрупп электроны снимаются с внешнего уровня, а у переходных металлов — сначала с $ns$-, затем с $(n-1)d$-подуровня.

При решении тренировочных вариантов вырабатывайте привычку сначала выписывать номер позиции элемента в ряду отдельно от его атомного номера — это исключит самую частую техническую ошибку при заполнении бланка ответов. Регулярно проверяйте себя на элементах из разных периодов и групп, включая переходные металлы, чтобы правило заполнения подуровней и исключения закрепились автоматически.