Квантовое состояние с наименьшей энергией атома называется нормальным, или основным; остальные квантовые состояния с бóльшими уровнями энергии называются возбужденными. Электрон в нормальном состоянии связан с ядром наиболее прочно. В возбужденном состоянии атома связь электрона с ядром ослабевает (вплоть до отрыва электрона от атома).

В нормальном состоянии атом может существовать неограниченное время, в возбужденном же состоянии – ничтожные доли секунды (~10−8 с).

Возбуждение атома происходит при нагревании, электроразряде, поглощении света и т.д., и в любом случае атом поглощает лишь определенные порции – кванты энергии.

Возможные энергетические состояния атомов элементов можно наглядно представить с помощью графических формул. Обычно учитывают только валентные электроны, так как именно они обусловливают химические свойства и возможные превращения атомов элементов. Рассмотрим на конкретном примере.

Возьмем два р–элемента VII группы – фтор и хлор. Сокращенные формулы их атомов имеют вид: F…2s22p5; Cl…3s23p5. Распределим эти электроны по атомным орбиталям уровня, представляя электроны в виде стрелочек.

Fn=2 ; Cl n=3

s p s p d

Как мы видим, и атому фтора, и атому хлора достаточно принять один электрон до завершения р-подуровня и приобретения устойчивой восьмиэлектронной оболочки инертного газа …ns2np6. Принимая электрон, атомы приобретают степень окисления, равную −1. Степень окисления – это условный заряд атома элемента в соединении, который подсчитывают, исходя из предположения, что вещества состоят из простых ионов. Степень окисления равна числу условно принятых атомом электронов (со знаком «−») или числу условно отданных атомом электронов (со знаком «+»).

В атоме хлора заполняется электронами третий уровень, в пределах которого энергетически возможен d-подуровень. Энергия его достаточно велика, поэтому заполнение его возможно лишь для элементов 4-го периода (мы это ранее объясняли). Однако, если атому хлора сообщить дополнительную энергию, он может перейти в возбужденное состояние, которое сопровождается постепенным распариванием р- и s-электронов и переходом их на d-подуровень. Для атома хлора возможно несколько возбужденных состояний.

Cl…3s23p5 Cl*…3s23p43d1

s p d

Cl**…3s23p33d2

s p d

Cl***…3s13p33d3

s p d

Атомы хлора в возбужденном состоянии приобретают положительную степень окисления, равную +3, +5, +7 (высшая степень окисления), соответственно.

Валентность, обусловленная числом неспаренных электронов, также различна у этих элементов. Фтор может быть только одновалентным, в то время как хлор за счет возможного перехода в возбужденное состояние может проявлять еще валентность, равную трем, пяти и семи. Так, исходя из электронного строения атомов, мы можем объяснить различные возможности этих элементов в химических превращениях. Более подробно зависимость химических свойств элементов и их соединений от электронного строения атомов элементов разберем ниже.