§ 47. Строение электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Электронная оболочка атома — совокупность электронов, окружающих ядро. В нейтральном атоме число электронов равно положительному заряду ядра. Поэтому по порядковому номеру элемента можно узнать общее число электронов в его оболочке.

Энергетический уровень — область электронной оболочки, где электроны имеют близкие значения энергии. Уровни нумеруют от ядра: первый находится ближе всего, следующий — дальше. Такое обозначение помогает понять порядок заполнения оболочки.

Электронная формула атома — запись распределения электронов по энергетическим уровням. Например, 2,8,1 означает число электронов на первом, втором и третьем уровнях. Сумма чисел в записи должна равняться общему числу электронов атома.

Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра занятый уровень. Электроны на нём слабее удерживаются ядром и чаще участвуют в образовании химических связей. Поэтому строение внешнего уровня во многом определяет химические свойства элемента.

Как это устроено

Сначала определяют общее число электронов. В нейтральном атоме оно равно заряду ядра, то есть порядковому номеру элемента, потому что положительный заряд протонов и отрицательный заряд электронов взаимно компенсируются. Например, атом алюминия с номером 13 имеет 13 электронов.

Электроны размещаются по уровням от внутреннего к внешнему. Ближайшие к ядру уровни обладают меньшей энергией, поэтому их заполнение энергетически выгоднее и устойчивее. Только после заполнения внутреннего уровня электроны переходят на следующий, более удалённый уровень.

Максимальную вместимость уровня находят по формуле 2n², где n — номер уровня. Для первого уровня получается 2 · 1² = 2, для второго — 2 · 2² = 8, для третьего — 2 · 3² = 18 электронов. Это предельные значения, а не обязательное число электронов для каждого атома.

У элементов первых трёх периодов число занятых уровней совпадает с номером периода. Например, у натрия формула 2,8,1: заняты три уровня, поэтому натрий находится в третьем периоде; у неона формула 2,8, и он относится ко второму периоду. Читая формулу слева направо, получают заполнение первого, второго и последующих уровней.

У элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы. Именно внешние электроны легче всего участвуют в образовании связей, потому что находятся дальше от ядра и слабее им притягиваются. Поэтому элементы с похожим числом внешних электронов часто имеют сходные химические свойства.

Энергетические уровни электронной оболочки

Сначала найдите номер уровня и его максимальную вместимость. Затем сравните её с фактическим числом электронов в примере: уровень может быть заполнен полностью или частично.

Таблица также помогает читать электронные формулы слева направо. Запись 2,8,1 означает, что заняты уровни K, L и M, причём внешний уровень содержит только один электрон.

Разбор задач

Задача 1. Составить распределение электронов по уровням для атома магния с порядковым номером 12. Нужно разместить все 12 электронов, начиная с уровня, ближайшего к ядру. Вместимость первых уровней равна 2, 8 и 18.

1. На первый уровень помещаем 2 электрона: остаётся 12 − 2 = 10.
2. На второй уровень помещаем 8 электронов: остаётся 10 − 8 = 2.
3. Оставшиеся 2 электрона записываем на третий уровень.

Ответ: электронная формула магния — 2,8,2. У атома заняты три уровня, а на внешнем уровне находятся два электрона.

Задача 2. Определить число занятых уровней и число электронов на внешнем уровне атома серы с порядковым номером 16. Сначала нужно распределить 16 электронов по уровням, а затем прочитать полученную запись.

1. На первый уровень помещаем 2 электрона, остаётся 14.
2. На второй уровень помещаем 8 электронов, остаётся 6.
3. Шесть оставшихся электронов размещаем на третьем уровне, поэтому формула равна 2,8,6.

Ответ: заняты три энергетических уровня, на внешнем уровне 6 электронов. Сера находится в третьем периоде и относится к главной подгруппе, для которой характерны шесть внешних электронов.

Задача 3. Электронная формула нейтрального атома имеет вид 2,8,2. Требуется определить число электронов и протонов, порядковый номер и период элемента. Для решения достаточно сложить числа формулы и подсчитать количество занятых уровней.

1. Складываем электроны: 2 + 8 + 2 = 12.
2. В нейтральном атоме протонов столько же, сколько электронов, значит, протонов 12.
3. Порядковый номер равен 12, а три занятых уровня указывают на третий период.

Ответ: у атома 12 электронов и 12 протонов, его порядковый номер — 12, период — третий. Это магний.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Число электронов принимают за номер периода. Так происходит из-за смешения двух разных характеристик: период показывает число занятых уровней, а порядковый номер — число электронов в нейтральном атоме. Проверьте себя: посчитайте и сумму электронной формулы, и количество её чисел.

Ошибка 2. Максимальную вместимость уровня путают с фактическим заполнением. Например, третий уровень может вместить 18 электронов, но у натрия на нём находится только один. Проверка проста: сравните предельное число 2n² с конкретной электронной формулой.

Ошибка 3. Утверждают, что третий уровень всегда содержит не более восьми электронов. У него расчётная вместимость 18, хотя в первых трёх периодах заполняется только часть уровня. Чтобы не ошибиться, различайте общую вместимость уровня и особенности последовательности заполнения.

Ошибка 4. В электронной формуле записывают неправильное общее число электронов. Такая запись не соответствует выбранному элементу, если сумма чисел отличается от его порядкового номера. Сложите все числа после составления формулы и исправьте распределение при необходимости.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома, составе ядра и его заряде. Порядковый номер элемента показывает число протонов, а в нейтральном атоме и число электронов.

Распределение электронов по уровням объясняет периодичность свойств элементов. Число занятых уровней связывает строение атома с периодом, а число внешних электронов помогает понять сходство элементов в группах.

Сведения о внешних электронах понадобятся при изучении химической связи и составлении формул соединений. Именно эти электроны определяют, как атомы взаимодействуют друг с другом.

Что запомнить

• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• Электроны занимают энергетические уровни, начиная с ближайшего к ядру.
• Максимальная вместимость уровня с номером n равна 2n².
• Номер периода показывает число занятых энергетических уровней.
• Электронная формула показывает распределение электронов по уровням.
• Внешние электроны особенно важны для химических свойств элемента.