"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Периодический закон связывает свойства химических элементов и их соединений с зарядом ядер атомов. Чтобы понять, почему свойства повторяются, нужно проследить, как электроны распределяются по энергетическим уровням и подуровням. Порядковый номер показывает число электронов в нейтральном атоме, а номер периода — число занятых уровней. Эти сведения помогают читать таблицу Менделеева, определять строение атомов и объяснять поведение элементов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодический закон — свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов. Это означает, что изменения свойств не случайны: они связаны с изменением строения атомов. Закон помогает объяснять закономерности таблицы и предсказывать свойства элементов.
Период — горизонтальный ряд элементов в периодической таблице. Номер периода показывает число энергетических уровней, занятых электронами в атоме элемента. Поэтому по положению элемента в таблице можно предварительно судить о числе его электронных слоёв.
Энергетический уровень — область электронного облака атома, соответствующая определённому запасу энергии электронов. Уровни обозначают числами 1, 2, 3 и далее; чем дальше уровень от ядра, тем обычно выше энергия электронов. Это понятие позволяет описывать, как электроны размещаются вокруг ядра.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 1s² 2s² 2p⁴ показывает не только число электронов на уровнях, но и занятые подуровни. Такая запись нужна для более подробного описания строения атома и объяснения его химических свойств.
До открытия периодического закона элементы казались набором веществ с разрозненными свойствами. Систематизация позволила расположить их так, чтобы сходства и изменения свойств стали закономерными. Поскольку строение атома определяет поведение элемента, периодичность свойств можно связать с повторением особенностей электронных оболочек. Таблица оказалась полезна и для предсказаний: незаполненные места указывали на ещё не открытые элементы и позволяли оценить их свойства.
Порядковый номер элемента в таблице обозначают Z; он равен положительному заряду ядра в единицах элементарного заряда и числу протонов. У нейтрального атома положительный заряд ядра компенсирован электронами, поэтому число электронов равно Z. Например, у атома кислорода Z = 8, значит, в нём восемь протонов и восемь электронов. Для иона равенство числа электронов и Z уже не действует, потому что атом теряет или присоединяет электроны.
Электроны не могут занимать любые состояния с произвольной энергией: их энергия принимает определённые значения. Сначала заполняются состояния с меньшей энергией, затем — с большей, поэтому распределение подчиняется последовательности заполнения. Уровни отличаются запасом энергии, а внутри них выделяют подуровни, обозначаемые буквами s, p и другими. Для элементов первых трёх периодов достаточно учитывать заполнение уровней и подуровней s и p.
У водорода один электрон на первом уровне, а у гелия первый уровень заполнен двумя электронами. Во втором периоде у лития распределение 2,1, а при движении к неону число электронов на втором уровне растёт до восьми: у кислорода оно равно 2,6, у неона — 2,8. В третьем периоде после заполненного первого и второго уровней электроны последовательно занимают третий: у натрия распределение 2,8,1, у фосфора — 2,8,5, у аргона — 2,8,8. Конфигурации уточняют эти записи: кислород — 1s² 2s² 2p⁴, фосфор — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.
При переходе от одного элемента периода к следующему заряд ядра увеличивается на единицу, а нейтральный атом получает ещё один электрон. В пределах периода новые электроны в основном заполняют внешний уровень, поэтому его строение постепенно меняется. Завершение внешнего уровня, а затем начало заполнения нового создают условия для периодического повторения сходных электронных конфигураций. Сходство внешнего строения помогает объяснить, почему свойства элементов в таблице закономерно изменяются и повторяются.
| Период | Элементы | Число энергетических уровней | Распределение электронов по уровням | Примеры электронных конфигураций |
|---|---|---|---|---|
| Первый период | H–He | 1 | H: 1; He: 2 | H: 1s¹; He: 1s² |
| Второй период | Li–Ne | 2 | От 2,1 до 2,8 | Li: 1s² 2s¹; Ne: 1s² 2s² 2p⁶ |
| Третий период | Na–Ar | 3 | От 2,8,1 до 2,8,8 | Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹; Ar: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ |
В столбце распределения сначала указано число электронов на первом уровне, затем на втором и третьем. Для проверки сложите числа: сумма должна равняться порядковому номеру элемента. Электронные конфигурации показывают то же строение подробнее, раскрывая заполнение подуровней.
Задача 1. Определить число электронов и распределить их по уровням в атоме кислорода (Z = 8).
Ответ: в атоме кислорода 8 электронов; распределение по уровням — 2,6.
Задача 2. Записать распределение электронов по уровням и электронную конфигурацию атома фосфора (Z = 15).
Ответ: распределение по уровням — 2,8,5; электронная конфигурация — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.
Задача 3. По распределению электронов 2,8,7 определить элемент, его период и объяснить, сколько электронов ему не хватает до завершения внешнего уровня.
Ответ: это хлор, третий период; до завершения внешнего уровня не хватает одного электрона.
Путать порядковый номер с числом энергетических уровней. Порядковый номер нейтрального атома задаёт число электронов, тогда как число занятых уровней связано с номером периода. Путаница возникает из-за того, что обе характеристики можно прочитать по таблице, но они обозначают разное. Проверьте себя: у кислорода Z = 8, однако заняты только два уровня.
Считать, что электроны заполняют уровни произвольно. Такое представление игнорирует различия в энергии состояний: сначала заполняются состояния с меньшей энергией. Ошибка может появиться, если механически распределять электроны, не учитывая подуровни и последовательность заполнения. Сверьте запись с известным порядком заполнения и убедитесь, что электроны не помещены в более высокое состояние раньше доступного низкоэнергетического.
Не проверять сумму электронов. Если сумма чисел на уровнях не равна Z, распределение не описывает нейтральный атом выбранного элемента. Ошибку допускают при подсчёте остатка после заполнения предыдущих уровней или при переписывании чисел. Всегда сложите значения в записи и сравните результат с порядковым номером.
Смешивать электронную конфигурацию с записью только по уровням. Запись 2,8,5 указывает числа электронов на уровнях, а конфигурация 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ дополнительно раскрывает подуровни. Эти обозначения связаны, но не содержат одинаковой степени подробности. Чтобы проверить себя, сгруппируйте электроны конфигурации по числу перед буквами: так получите распределение по уровням.
Для работы с электронными конфигурациями нужны знания о строении атома, заряде ядра, протонах и электронах, а также умение находить элемент в периодической таблице. Особенно важно различать атом и ион: число электронов равно Z только у нейтрального атома. Распределение электронов помогает объяснять валентность, образование химической связи и изменение свойств элементов в периодах и группах. Поэтому эта тема служит основой для дальнейшего изучения строения веществ и химических реакций.
Почему число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру элемента?
Порядковый номер равен заряду ядра, выраженному в элементарных зарядах, то есть числу протонов. В нейтральном атоме положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов, поэтому их числа совпадают.
Как по электронной конфигурации определить номер периода?
Найдите наибольшее число перед обозначением подуровня в конфигурации. Оно показывает номер самого внешнего занятого уровня и, для атомов элементов главных подгрупп, соответствует номеру периода.
Почему электроны не распределяются по энергетическим уровням произвольно?
Электроны занимают состояния с определённой энергией, начиная с более низких. Поэтому заполнение подчиняется последовательности энергетических состояний, а не выбирается произвольно.
Как проверить, правильно ли записано распределение электронов?
Сложите числа электронов на всех уровнях: сумма должна совпасть с порядковым номером нейтрального атома. Затем проверьте, что уровни заполняются последовательно и число электронов на внешнем уровне не превышает допустимого для рассматриваемого элемента.
Как строение внешнего уровня связано с периодическим изменением свойств элементов?
При движении по периоду число электронов на внешнем уровне постепенно меняется, а внутренние уровни остаются заполненными. После завершения внешнего уровня начинается следующий, и сходное строение внешней оболочки повторяется, что связано с повторением свойств.
§ 3. Периодический закон. Распределение электронов в атомах элементов малых периодов
