§ 47. Строение электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Электронная оболочка — совокупность электронов, окружающих ядро атома. Электроны оболочки не находятся в одной точке, а занимают области вокруг ядра. Это понятие нужно, чтобы описывать, где находятся электроны и как они влияют на свойства атома.

Энергетический уровень — слой электронной оболочки, на котором электроны имеют близкие значения энергии. Уровни условно считают от ядра наружу: первый расположен ближе всего, следующий — дальше. Такое деление помогает упорядочить электроны и определить, какие из них находятся на внешнем уровне.

Электронная формула — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням. Числа в ней показывают, сколько электронов находится на каждом уровне, например запись 2, 8, 7 означает три уровня. Формула удобна для подсчёта электронов и сравнения строения атомов разных элементов.

Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Именно внешние электроны взаимодействуют с другими атомами, поэтому их число важно для объяснения химических свойств элемента. Например, запись 2, 6 показывает, что на внешнем уровне атома шесть электронов.

Как это устроено

Электроны притягиваются к положительно заряженному ядру, поэтому находятся вокруг него, образуя электронную оболочку. Но они не могут иметь любое значение энергии: возможны лишь определённые состояния, которые в школьной модели объединяют в энергетические уровни. Уровни отличаются энергией и удалённостью от ядра. Поэтому электронную оболочку описывают как систему уровней, а не как беспорядочную совокупность частиц.

Уровень, расположенный ближе к ядру, обычно соответствует меньшей энергии электрона. Атом стремится к состоянию с наименьшей возможной энергией, поэтому сначала электроны занимают доступные места на ближайшем уровне. Когда он заполнен, новые электроны переходят на более удалённый. Такое правило позволяет последовательно составлять электронные формулы, не расставляя электроны произвольно.

Для уровня с номером n максимальное число электронов рассчитывают по формуле 2n². Для первого уровня n = 1, значит, 2 × 1² = 2: больше двух электронов на нём разместить нельзя. Для второго уровня получается 2 × 2² = 8, для третьего — 18. Формула задаёт вместимость уровня, но при составлении оболочек важно также учитывать, в каком порядке уровни заполняются.

У атомов первых 20 элементов распределение по уровням удобно записывать по схеме 2, 8, 8, 2. Например, после заполнения первого уровня электроны переходят на второй, а затем начинают занимать третий. Хотя по формуле 2n² третий уровень может вместить 18 электронов, у первых 20 элементов на нём обычно указывают не более восьми, прежде чем начинается заполнение четвёртого. Поэтому формула вместимости и порядок заполнения — связанные, но не одинаковые сведения.

Внешний уровень важен, потому что именно его электроны могут участвовать во взаимодействии атомов. При образовании химической связи атомы перераспределяют или обобществляют такие электроны, стремясь к более устойчивому состоянию. Поэтому элементы с похожим числом внешних электронов часто проявляют сходные химические свойства. Число валентных электронов помогает объяснить, сколько связей атом может образовать и как он взаимодействует с другими частицами.

Распределение электронов по энергетическим уровням

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите число электронов атома, а затем распределите их по уровням от первого к последующим. Для элементов первых 20 электронную формулу можно проверить по схеме 2, 8, 8, 2. Последнее число в формуле показывает число электронов на внешнем уровне.

Разбор задач

Распределение электронов в атоме кислорода

Условие. Записать распределение электронов по энергетическим уровням для атома кислорода и определить число его валентных электронов. Кислород — нейтральный атом с порядковым номером 8. Значит, всего в его оболочке восемь электронов.

1. Записываем число электронов: у нейтрального атома оно равно порядковому номеру, то есть 8.
2. Заполняем уровни изнутри наружу: на первом уровне размещаем максимум 2 электрона. Остаётся 8 − 2 = 6 электронов.
3. Оставшиеся шесть электронов помещаем на второй уровень. Получаем электронную формулу 2, 6; второй уровень здесь внешний.

Ответ. Электронная формула кислорода — 2, 6. На внешнем уровне находятся 6 валентных электронов.

Элемент по электронной формуле

Условие. Определить химический элемент по электронной формуле 2, 8, 7 и назвать число электронов на его внешнем уровне. Поскольку задача говорит об атоме, рассматриваем нейтральную частицу. Формула сразу показывает три занятых энергетических уровня.

1. Складываем числа: 2 + 8 + 7 = 17. Это общее количество электронов в оболочке.
2. Для нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру. Элемент с номером 17 — хлор.
3. Последнее число формулы относится к внешнему уровню. Значит, на нём находятся 7 электронов.

Ответ. Это атом хлора; на его внешнем уровне семь электронов.

Сравнение магния и хлора

Условие. Сравнить строение электронных оболочек атомов магния и хлора и объяснить различие их химических свойств. Магний имеет порядковый номер 12, а хлор — 17. Оба элемента находятся в третьем периоде, поэтому у их атомов одинаковое число занятых уровней.

1. Записываем распределение магния: 12 электронов дают формулу 2, 8, 2. На внешнем уровне у него 2 электрона.
2. Для хлора распределение такое: 2, 8, 7. У него также три уровня, но на внешнем уровне 7 электронов.
3. Сопоставляем внешние уровни: магнию проще отдать два внешних электрона, а хлору — присоединить один электрон или участвовать в образовании связи, заполняя внешний уровень.

Ответ. У магния и хлора по три энергетических уровня, но различается число валентных электронов: 2 и 7. Поэтому атомы по-разному взаимодействуют с другими частицами, и их химические свойства отличаются.

Типичные ошибки

Электроны иногда записывают в произвольном порядке, например начинают с дальнего уровня. Так делают, забывая, что сначала заполняется ближайший к ядру уровень с меньшей энергией. Проверка: убедитесь, что первый уровень занят прежде, чем электроны распределены по следующим. Для первых 20 элементов сверяйтесь со схемой 2, 8, 8, 2.

Другая ошибка — помещать на первом уровне больше двух электронов. Причина в том, что формулу вместимости 2n² применяют не к тому номеру уровня или забывают возвести его в квадрат. Подставьте n = 1: получится 2 × 1² = 2. Если в электронной формуле первое число больше двух, распределение неверно.

Не следует путать общее число электронов с числом электронов на внешнем уровне. Например, в формуле 2, 8, 7 всего 17 электронов, но валентных — только 7. Для проверки сложите все числа, чтобы получить общее количество, а затем отдельно найдите последнее число: оно показывает заполнение внешнего уровня.

По числу электронов в оболочке можно определить порядковый номер только у нейтрального атома. Ошибка возникает, когда это правило без проверки применяют к иону: при образовании иона количество электронов меняется, хотя ядро и сам элемент остаются теми же. Уточните, рассматривается ли нейтральный атом или заряженная частица. Если указан ион, его число электронов может отличаться от порядкового номера элемента.

Связь с другими темами

Для изучения электронных оболочек нужно знать строение атома, состав ядра, порядковый номер элемента и уметь пользоваться периодической системой. Порядковый номер помогает узнать число электронов нейтрального атома, а сведения о ядре позволяют отличать протоны от электронов. Распределение электронов помогает объяснять периодическое изменение свойств химических элементов. Позже оно пригодится при изучении валентности, химической связи и образования ионов.

Что запомнить

• Электронная оболочка состоит из энергетических уровней.
• Электроны заполняют энергетические уровни начиная с ближайшего к ядру.
• Максимальное число электронов на уровне определяется формулой 2n².
• На первом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов.
• У атомов первых 20 элементов распределение электронов по уровням подчиняется схеме 2, 8, 8, 2.
• Валентные электроны находятся на внешнем энергетическом уровне.
• Число электронов нейтрального атома равно его порядковому номеру.