"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Электронная оболочка — электроны, расположенные вокруг ядра атома на энергетических уровнях. Уровни отличаются энергией и удалённостью от ядра, а вместимость каждого ограничена правилом 2n². Электроны занимают их последовательно: сначала внутренние, затем внешние. Распределение электронов записывают электронной формулой. По числу занятых уровней и электронов на внешнем уровне можно понять положение элемента в периодической системе и объяснить различия в свойствах атомов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная оболочка атома — совокупность электронов, распределённых вокруг ядра по энергетическим уровням. Иначе говоря, это вся система электронов атома, а не один сплошной слой. Такое понятие помогает описать, где находятся электроны и как они влияют на свойства элемента.
Энергетический уровень — слой электронной оболочки, на котором находятся электроны с близкими значениями энергии. Уровни нумеруют от ядра наружу: чем больше номер, тем дальше от ядра обычно расположены электроны. Номер нужен, чтобы обозначать положение электронов и порядок заполнения оболочки.
Электронная ёмкость энергетического уровня — максимальное число электронов, которое может находиться на уровне; её находят по правилу 2n², где n — номер уровня. Например, при n = 2 получаем 2 · 2² = 8. Это правило позволяет проверить, не записано ли на уровне больше электронов, чем возможно.
Электронная формула — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням. Числа в такой записи показывают, сколько электронов находится на каждом уровне, например 2, 6 для кислорода. По формуле можно увидеть число занятых уровней и количество электронов на внешнем уровне.
Электроны не могут находиться в атоме с любым произвольным значением энергии: их возможные состояния сгруппированы в энергетические уровни. Поэтому оболочку удобнее представлять не как сплошное облако одинаковых частиц, а как несколько уровней. Когда электрон получает энергию, он может перейти на более высокий уровень; при переходе обратно энергия выделяется.
Номер уровня показывает его место в оболочке: первый находится ближе всего к ядру, следующие расположены дальше. В среднем удалённым от ядра электронам требуется больше энергии, чтобы удерживаться в таком состоянии. Вместимость уровня тоже связана с его номером и рассчитывается по формуле 2n²: с увеличением n возможных состояний становится больше.
Подставим номера уровней в правило: для первого получаем 2 · 1² = 2, для второго — 2 · 2² = 8, для третьего — 2 · 3² = 18, для четвёртого — 2 · 4² = 32 электрона. Эти числа показывают максимальную ёмкость, а не обязательное число электронов на каждом уровне. Уровень может быть заполнен частично или вовсе не занят.
В атоме электроны размещаются не снаружи внутрь, а начинают с состояний наименьшей энергии. Поэтому прежде заполняются внутренние уровни, а после них — более высокие. Для первых 20 элементов это обычно даёт распределение 2, 8, 8, 2: третий уровень вмещает до 18 электронов, но оставшиеся места в его подуровнях заполняются позднее.
У элементов одного периода обычно одинаковое число занятых энергетических уровней: при движении по периоду добавляются электроны на внешнем уровне. У элементов первых трёх периодов это особенно наглядно: число электронов снаружи меняется от элемента к элементу, поэтому меняется и их способность взаимодействовать с другими атомами. В первых четырёх периодах встречаются особенности заполнения подуровней, так что правило о числе уровней и периоде не следует превращать в утверждение о полном заполнении каждого уровня.
В таблице различаются максимальная ёмкость уровня и число электронов, встречающееся на нём у первых 20 элементов. Уровни заполняются по возрастанию энергии, но порядок не всегда означает, что один уровень должен полностью вместить свой максимум раньше начала заполнения следующего. Для первых 20 элементов ориентируйтесь на распределение 2, 8, 8, 2.
| Характеристика | 1-й уровень | 2-й уровень | 3-й уровень | 4-й уровень |
|---|---|---|---|---|
| Номер энергетического уровня | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Максимальная электронная ёмкость по правилу 2n² | 2 | 8 | 18 | 32 |
| Число электронов на уровне у первых 20 элементов | 1–2 | 1–8 | 1–8 | 1–2 |
| Порядок заполнения уровня | 1-й | 2-й | 3-й | 4-й |
| Примеры элементов с заполненным или начатым уровнем | He — заполнен | Ne — заполнен | Ar — заполнен до 8 | K — начат |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите номер уровня, затем найдите его максимальную ёмкость. При составлении электронной формулы сверяйте число электронов с последовательностью заполнения, а не с максимальными числами в строке ёмкости. Примеры показывают, что у первых 20 элементов третий уровень может быть заполнен восемью электронами, хотя его теоретический максимум больше.
Условие. Составить электронную формулу атома кислорода, если его порядковый номер равен 8. Считаем, что рассматривается нейтральный атом, а значит, число электронов равно числу протонов. Нужно распределить электроны по уровням в правильном порядке.
Ответ. Электронная формула кислорода — 2, 6. Значит, у атома кислорода два занятых уровня и шесть электронов на внешнем уровне. Проверка простая: сумма чисел 2 + 6 равна порядковому номеру 8.
Условие. Составить электронную формулу атома хлора с порядковым номером 17 и определить число электронов на внешнем уровне. Как и в предыдущем примере, речь идёт о нейтральном атоме. Сначала находим общее число электронов, затем распределяем их последовательно.
Ответ. Электронная формула хлора — 2, 8, 7. Внешним является третий уровень, на нём находятся 7 электронов. Сумма 2 + 8 + 7 равна 17, поэтому общее число электронов совпадает с порядковым номером.
Условие. Сравнить строение электронных оболочек натрия и магния и объяснить различие их положения и свойств в периодической системе. Порядковый номер натрия равен 11, магния — 12. Оба атома нейтральны, поэтому число электронов каждого равно его порядковому номеру.
Ответ. Оболочки натрия и магния имеют одинаковое число уровней, но разное число внешних электронов. При переходе от натрия к магнию порядковый номер увеличивается на единицу, и внешний уровень получает ещё один электрон. Поэтому элементы относятся к соседним группам и проявляют неодинаковые химические свойства.
Ошибка: считать, что номер уровня равен числу электронов на нём. Номер обозначает место уровня в оболочке, а электронов на нём может быть от нуля до допустимого максимума. Проверьте себя: например, в формуле 2, 8, 1 номер внешнего уровня — 3, а число электронов на нём — 1.
Ошибка: начинать распределение с внешнего уровня. Так могут рассуждать, потому что именно внешние электроны часто определяют химические свойства, но заполняются уровни от меньшей энергии к большей. Проверяйте запись по порядку: сначала электроны внутреннего уровня, затем следующего.
Ошибка: думать, что на любом уровне помещается не более 8 электронов. Число 8 подходит для максимальной ёмкости второго уровня, а для остальных уровней нужно применять правило 2n². Самопроверка: при n = 3 получается 18, а при n = 4 — 32, хотя у первых 20 элементов третий уровень часто содержит только 8.
Ошибка: записывать для иона число электронов, равное порядковому номеру элемента. Порядковый номер даёт число протонов, а заряд иона показывает, отличается ли число электронов от числа протонов. Перед распределением электронов прочитайте заряд: у положительного иона электроны отнимают, у отрицательного — добавляют.
Чтобы распределять электроны, нужно знать состав атома, заряд его ядра и правило: в нейтральном атоме порядковый номер равен числу электронов. Строение оболочки помогает объяснять положение элемента в периоде и группе периодической системы. Позднее эти знания понадобятся при изучении валентности, образования ионной и ковалентной химической связи, а также свойств металлов и неметаллов.
Почему электроны не располагаются вокруг ядра одним сплошным слоем?
Электроны могут иметь только определённые значения энергии, поэтому они распределяются по энергетическим уровням. Каждый уровень соответствует своему диапазону энергий и положению относительно ядра.
Как быстро определить число электронов в атоме элемента?
У нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру элемента: заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра. Для иона нужно учесть заряд: к числу электронов добавляют число отрицательных зарядов или вычитают число положительных.
Почему третий энергетический уровень может вместить 18 электронов, но у первых 20 элементов часто содержит только 8?
По правилу 2n² третий уровень максимально вмещает 18 электронов. Но у первых 20 элементов перед заполнением его оставшихся мест начинают заполняться электронами подуровни четвёртого уровня, поэтому на третьем часто оказывается 8 электронов.
Как понять, какой уровень является внешним?
Внешний уровень — самый удалённый от ядра из тех, на которых есть электроны. Например, в распределении 2, 8, 1 внешним будет третий уровень, на котором находится один электрон.
Можно ли по электронной формуле определить положение элемента в периодической системе?
Для элементов главных подгрупп число занятых уровней указывает номер периода, а число электронов на внешнем уровне связано с номером группы. Чтобы правильно определить группу, учитывают, к какой части периодической системы относится элемент.
§ 9. Строение электронных оболочек атомов
