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

Определения и обозначения

Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра занятый электронами слой атома. Ядро притягивает его электроны слабее, чем электроны внутренних уровней. Поэтому именно внешние электроны чаще участвуют во взаимодействии с другими атомами. Зная устройство этого уровня, легче объяснить, почему разные элементы ведут себя по-разному.

Электроны внешнего энергетического уровня — электроны, находящиеся на самом удалённом занятом слое атома. Их число у элементов главных подгрупп закономерно меняется в периоде. Оно помогает предсказать типичное поведение атома: например, сколько электронов тот может отдать или принять. При этом речь идёт о наиболее вероятном поведении, а не о единственном возможном.

Катион — положительно заряженная частица, которая образуется, когда атом отдаёт один или несколько электронов. Протонов в ядре при этом не становится больше, а электронов становится меньше, поэтому положительный заряд начинает преобладать. Например, после отдачи двух электронов частица имеет заряд 2+. Это обозначение помогает отличать катион от нейтрального атома.

Анион — отрицательно заряженная частица, которая образуется, когда атом присоединяет один или несколько электронов. Ядро атома сохраняется, но электронов становится больше, чем протонов, и возникает отрицательный заряд. Если присоединён один электрон, заряд равен 1−, если два — 2−. Так можно связать число принятых электронов с формулой иона.

Как это устроено

В периоде заряд ядра увеличивается на единицу при переходе от одного элемента к следующему: в ядре становится на один протон больше. У нейтрального атома одновременно на один возрастает и число электронов, но новый электрон обычно занимает внешний уровень. Поэтому у элементов главных подгрупп число электронов на этом уровне возрастает слева направо от одного до восьми. Эта закономерность позволяет связать положение элемента в таблице с его электронным строением.

Многие металлы расположены в левой части таблицы и имеют на внешнем уровне немного электронов. Чтобы отдать их, атому обычно требуется меньше энергии, чем для присоединения большого числа недостающих электронов. После отдачи внешний уровень исчезает или следующим становится уже завершённый внутренний уровень. Поскольку число протонов не меняется, потеря отрицательно заряженных электронов приводит к появлению положительного катиона.

У многих неметаллов на внешнем уровне уже есть несколько электронов, поэтому до восьми не хватает одного, двух или трёх. Присоединение такого числа электронов может сделать внешний уровень завершённым, а оболочку — более устойчивой. При этом число протонов остаётся тем же, а избыток электронов придаёт частице отрицательный заряд. Так образуются анионы, например хлорид-ион Cl⁻ при присоединении одного электрона.

Заряд иона показывает не просто направление изменения, но и число потерянных или приобретённых электронов. Если атом отдал два электрона, он получил заряд 2+, потому что на два положительных заряда протонов стало больше, чем электронов. Если атом принял один электрон, возникает заряд 1−. Именно поэтому знак и число заряда записывают вместе: Mg²⁺ и Cl⁻ обозначают частицы с разным числом электронов относительно нейтральных атомов.

У благородных газов внешний уровень завершён: у большинства на нём восемь электронов, а у гелия — два, что является завершённым первым уровнем. Поэтому им обычно невыгодно отдавать или присоединять электроны. Но правило «получить восемь» не означает, что каждый атом обязательно образует простой ион. Например, атомы могут образовывать общие электронные пары в ковалентной связи, а поведение элемента зависит от условий и вида химического соединения.

Изменение числа электронов внешнего уровня и типичное поведение атомов третьего периода

Сначала найдите в таблице элемент, затем сопоставьте его число внешних электронов с типичным изменением. Для металлов в начале периода посчитайте, сколько электронов они отдают; для неметаллов ближе к концу — сколько не хватает до восьми. Кремний и аргон напоминают, что таблица показывает типичную тенденцию, но не обещает образование простого иона каждым атомом.

Разбор задач

1. Определите, сколько электронов на внешнем уровне у атома натрия и какой ион он обычно образует.

Натрий находится в третьем периоде и первой группе главных подгрупп. Это металл, поэтому обычно он отдаёт электрон внешнего уровня, а не присоединяет семь недостающих электронов. После потери электрона атом становится положительно заряженной частицей.

1. Устанавливаем положение натрия: третий период, первая группа.
2. Для элемента главной подгруппы первой группы определяем один электрон на внешнем уровне.
3. При отдаче одного электрона возникает заряд 1+, поэтому записываем Na⁺.

Ответ: у натрия один внешний электрон; типичный ион — Na⁺.

2. Запишите схему образования иона магния из атома: укажите число отданных электронов и заряд частицы.

Магний — элемент второй группы главных подгрупп, значит, на его внешнем уровне два электрона. Как металл, он обычно отдаёт оба электрона, а под ними остаётся завершённый предыдущий уровень. Потеря двух отрицательных зарядов оставляет частицу с зарядом 2+.

1. Определяем число внешних электронов магния по его положению в таблице: их два.
2. Записываем отдачу этих электронов: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻.
3. Проверяем знак и величину заряда: атом отдал два электрона, следовательно, заряд иона равен 2+.

Ответ: атом магния отдаёт два электрона и образует ион Mg²⁺.

3. Сравните атомы серы и хлора: определите число электронов, которых каждому не хватает до завершённого внешнего уровня, и запишите формулы типичных анионов.

Сера и хлор находятся в третьем периоде, но у них разное число электронов на внешнем уровне. Серой до восьми не хватает двух электронов, а хлору — одного. Если атомы принимают недостающие электроны, число присоединённых электронов определяет отрицательный заряд аниона.

1. У серы шесть внешних электронов: 8 − 6 = 2, поэтому для завершения уровня она может принять два электрона.
2. У хлора семь внешних электронов: 8 − 7 = 1, поэтому он может принять один электрон.
3. Записываем заряды: сера образует S²⁻, а хлор — Cl⁻.

Ответ: сере не хватает двух электронов, её типичный анион — S²⁻; хлору не хватает одного, его типичный анион — Cl⁻.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при образовании иона меняется число протонов. Так можно подумать, потому что заряд частицы меняется, но ядро при обычном образовании иона остаётся прежним. Меняется число электронов: именно поэтому атом сохраняет название элемента, но получает заряд. Проверьте себя, сравнив запись до и после: число протонов неизменно, а число электронов изменилось.

Ошибка: путать знак заряда с направлением изменения. Отдача электронов иногда кажется «потерей», а значит, отрицательный заряд будто бы должен уменьшиться в минус; на самом деле после потери электронов преобладают протоны и заряд становится положительным. Присоединение электронов, наоборот, даёт отрицательный заряд. Для проверки вспомните: Na⁺ отдаёт электрон, а Cl⁻ принимает.

Ошибка: указывать заряд, не учитывая количество электронов. Её допускают, когда запоминают только знак и забывают посчитать частицы. Один отданный электрон соответствует заряду 1+, два — 2+; при присоединении двух электронов получается 2−. Сверьте модуль заряда с количеством электронов, на которое изменился атом.

Ошибка: утверждать, что любой атом обязательно образует простой ион ради восьми электронов. Так кажется из-за правила завершённого уровня, но оно описывает распространённую тенденцию, а не обязательное действие каждого атома. Например, кремний часто образует ковалентные связи, а благородные газы обычно малоактивны. Проверяйте тип элемента и характер связи, прежде чем записывать формулу иона.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать строение атома, энергетические уровни и правила распределения электронов по ним. Также пригодится умение находить элемент в периодической таблице и определять число внешних электронов у элементов главных подгрупп. Эти знания позволяют переходить от положения элемента к предполагаемому изменению числа электронов. Позже они помогут изучать ионную связь, понимать формулы солей и составлять схемы образования ионов.

Что запомнить

• Число электронов на внешнем уровне связано с положением элемента в периодической таблице.
• В периоде у элементов главных подгрупп число внешних электронов обычно возрастает от одного до восьми.
• Металлы обычно отдают электроны и образуют катионы.
• Неметаллы обычно присоединяют электроны и образуют анионы.
• Отдача электронов приводит к положительному заряду, а присоединение — к отрицательному.
• У атомов благородных газов внешний уровень завершён.