§ 10. Изменение числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов

Определения и обозначения

Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра уровень, на котором есть электроны. В электронной формуле по уровням это последний записанный уровень, например в записи 2, 8, 1 внешним будет третий. По нему определяют химическую активность атома и число его валентных электронов.

Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Именно они могут переходить к другому атому, присоединяться к нему или становиться общими. Поэтому число валентных электронов помогает предсказать свойства элемента.

Завершённый внешний энергетический уровень — уровень, заполненный максимально возможным числом электронов для данного уровня. Такая электронная оболочка обычно отличается повышенной устойчивостью, поэтому атомы стремятся её получить. Для большинства внешних уровней это восемь электронов.

Электронный октет — восемь электронов на внешнем уровне, характерных для атомов большинства благородных газов. Октет считают устойчивой конфигурацией, к которой атомы приближаются при образовании связей. Исключение среди благородных газов — гелий: его первый уровень завершён двумя электронами.

Как это устроено

Электроны атома располагаются по энергетическим уровням, которые можно представить как оболочки вокруг ядра. В простой электронной формуле их записывают числами по порядку: например, 2, 8, 7. Последнее число показывает, сколько электронов находится на наиболее удалённом занятом уровне, поэтому у хлора семь внешних электронов.

В пределах одного периода атомы имеют одинаковое число занятых энергетических уровней. При движении слева направо ядро получает очередной протон, а атом — очередной электрон на тот же внешний уровень. Поэтому его заполненность обычно увеличивается последовательно: 1, 2, 3 и так далее до 8, после чего уровень оказывается завершённым.

У элементов одной главной подгруппы число энергетических уровней может быть разным, потому что они находятся в разных периодах. Однако строение внешнего уровня у них сходно: например, у лития и натрия по одному внешнему электрону. Поэтому элементы группы проявляют похожие химические свойства и часто образуют соединения сходного типа.

Атомы стремятся сделать внешнюю оболочку более устойчивой, приближая её к завершённой. Металлы с небольшим числом внешних электронов обычно отдают их, неметаллы, которым не хватает электронов до октета, присоединяют их. В ковалентных связях атомы могут не передавать электроны полностью, а обобществлять их, образуя общие электронные пары.

Правило восьми электронов нельзя механически применять к первому уровню. Он состоит только из одной электронной оболочки и вмещает максимум два электрона. Поэтому у гелия конфигурация 2 уже является завершённой и устойчивой, хотя электронного октета у него нет.

Изменение числа электронов на внешнем уровне в третьем периоде

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите последний элемент в электронной формуле по уровням. Число в последней позиции показывает количество электронов на внешнем уровне. Сравнивая строки сверху вниз, можно увидеть постепенное увеличение числа внешних электронов от натрия к аргону.

Разбор задач

Задача 1

Условие: у магния распределение электронов по уровням — 2, 8, 2. Требуется определить число электронов на внешнем уровне. Нужно использовать не общее число электронов, а только последний занятый уровень.

1. В записи 2, 8, 2 выделяем последний уровень.
2. Смотрим, сколько электронов указано на нём: это число 2.
3. Следовательно, у атома магния два валентных электрона.

Ответ: 2 электрона.

Задача 2

Условие: сравнить число внешних электронов у серы и хлора. Их формулы по уровням: S — 2, 8, 6; Cl — 2, 8, 7.

1. Оба атома находятся в третьем периоде, поэтому внешним является третий уровень.
2. У серы на нём шесть электронов, а у хлора — семь.
3. При переходе от серы к хлору добавляется один электрон, поэтому у хлора внешних электронов больше на один.

Ответ: у серы 6, у хлора 7; у хлора на один электрон больше.

Задача 3

Условие: определить, сколько электронов отдаёт магний и сколько принимает кислород для устойчивой оболочки, затем записать формулу соединения. У магния два внешних электрона, а кислороду до восьми не хватает двух.

1. Атом Mg отдаёт два электрона и превращается в ион Mg²⁺.
2. Атом O принимает два электрона и превращается в ион O²⁻.
3. Заряды ионов взаимно компенсируются в отношении 1:1, поэтому один атом магния соединяется с одним атомом кислорода.

Ответ: Mg отдаёт 2 электрона, O принимает 2 электрона; формула соединения — MgO.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Число внешних электронов путают с общим числом электронов атома, потому что смотрят на всю формулу сразу. Проверяйте только последнее число в записи по уровням: в 2, 8, 2 внешних электронов два, а не двенадцать.

Ошибка 2. Правило увеличения числа электронов в периоде переносят на движение вниз по группе. Вниз по главной подгруппе добавляются новые уровни, но число внешних электронов обычно сохраняется; сравнивайте элементы именно одного столбца.

Ошибка 3. Считают, что у каждого благородного газа восемь электронов на внешнем уровне. У гелия первый уровень завершён двумя электронами, поэтому проверяйте вместимость конкретного уровня.

Ошибка 4. Думают, что любой атом обязательно только отдаёт или принимает электроны. При ковалентной связи электроны могут обобществляться; определяйте тип связи и не забывайте об общих электронных парах.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, энергетических уровнях, электронной формуле и порядке заполнения уровней в простых атомах. Эти сведения позволяют правильно находить внешние электроны.

Тема связана с периодической системой и химической связью. Она помогает объяснить образование ионных зарядов, свойства элементов и составление формул соединений.

Что запомнить

• Внешний уровень — наиболее удалённый занятый электронами уровень атома.
• Электроны внешнего уровня называют валентными.
• В главных подгруппах число внешних электронов обычно одинаково у элементов одной группы.
• В периоде число внешних электронов обычно возрастает слева направо.
• Для многих атомов устойчивой является оболочка из восьми внешних электронов.
• У гелия завершённый внешний уровень содержит два электрона.