§ 9. Строение электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Электронная оболочка — совокупность электронов, окружающих ядро атома. Она устроена не как сплошное облако одинаковых частиц: электроны распределены по энергетическим уровням. Представление об уровнях помогает описывать строение атома и сравнивать атомы разных элементов.

Энергетический уровень — слой электронов с близкими значениями энергии. Уровни обозначают числами n: первый уровень имеет n = 1, второй — n = 2 и так далее. Номер нужен, чтобы определить, насколько уровень удалён от ядра, и рассчитать его предельную вместимость.

Электронная формула — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням. Числа в ней показывают, сколько электронов находится на каждом уровне, например запись 2, 6 означает два электрона на первом уровне и шесть на втором. Такая запись позволяет быстро увидеть строение внешней части оболочки.

Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Их число помогает понять, как атом может взаимодействовать с другими атомами. Поэтому при объяснении химических свойств особенно часто рассматривают именно внешний уровень.

Как это устроено

Электроны не располагаются вокруг ядра хаотично, потому что в атоме их состояние связано с определёнными значениями энергии. Электроны с близкой энергией образуют энергетические уровни. Такое строение позволяет атому иметь устойчивое состояние и объясняет, почему электроны занимают не любые места, а доступные им энергетические области.

Число электронов в нейтральном атоме можно узнать по порядковому номеру элемента в периодической системе. Порядковый номер показывает заряд ядра, то есть число положительных протонов. В нейтральном атоме заряд электронов уравновешивает заряд ядра, поэтому электронов столько же, сколько протонов.

Заполнение начинается с уровня, ближайшего к ядру, потому что электроны сначала занимают доступные состояния с меньшей энергией. Когда внутренний уровень заполнен, следующие электроны переходят на более удалённые уровни. Поэтому при составлении электронной формулы нельзя произвольно помещать электроны на внешнюю оболочку, оставляя свободные места на внутренней.

Каждый уровень имеет ограниченную вместимость, которая определяется правилом 2n², где n — номер уровня. Для первого уровня получается 2 электрона, для второго — 8, для третьего — до 18. Вместимость показывает максимум, а не обязательное число электронов на уровне: реальное распределение зависит от последовательности заполнения электронных состояний.

У атомов элементов первых трёх периодов особенно важно число электронов на внешнем уровне, потому что именно они непосредственно участвуют в образовании связей. Атомы с одинаковым числом таких электронов часто проявляют сходные химические свойства. Например, элементы одной группы имеют похожее строение внешней оболочки, хотя общее число уровней у их атомов может различаться.

Распределение электронов по энергетическим уровням у атомов первых 20 элементов

В таблице числа через запятую показывают заполнение уровней от внутреннего к внешнему. Сначала найдите элемент и сверьте распределение с его порядковым номером: сумма чисел в формуле должна ему равняться. Отметка «завершён» означает, что внешний уровень заполнен для соответствующего атома.

Разбор задач

Кислород: электронная формула и внешний уровень

Условие. Составить электронную формулу атома кислорода и указать число электронов на внешнем уровне. Сначала нужно выяснить общее число электронов, а затем распределить их по уровням. Такой порядок не даёт случайно поместить слишком много электронов на первый уровень.

1. Находим порядковый номер кислорода: он равен 8, значит, в нейтральном атоме восемь электронов.
2. Первый уровень заполняется первым и вмещает максимум два электрона. После этого остаётся шесть электронов.
3. Оставшиеся шесть электронов записываем на втором уровне. Получаем электронную формулу 2, 6.

Ответ. Формула кислорода — 2, 6; на внешнем уровне находятся 6 электронов. Проверка: сумма чисел 2 + 6 равна порядковому номеру 8.

Хлор и аргон: сравнение внешних уровней

Условие. Составить формулу атома хлора, определить число валентных электронов и сравнить строение с аргоном. У хлора порядковый номер 17, у аргона — 18. Сравнение соседних элементов показывает, что даже один дополнительный электрон может завершить внешний уровень.

1. Распределяем 17 электронов хлора: 2 занимают первый уровень, 8 — второй, остаётся 7 для третьего. Формула хлора — 2, 8, 7.
2. Внешний уровень хлора содержит 7 электронов, значит, столько же у атома валентных электронов.
3. У аргона 18 электронов: его формула 2, 8, 8. Внешний уровень аргона завершён, а у хлора до такого заполнения не хватает одного электрона.

Ответ. У хлора 7 валентных электронов, формула — 2, 8, 7; у аргона формула — 2, 8, 8, внешний уровень завершён.

Натрий и магний: почему свойства различаются

Условие. Составить электронные формулы натрия и магния и объяснить, почему их свойства не одинаковы. У обоих атомов по три энергетических уровня, но общее число электронов и заполнение внешнего уровня различаются. Чтобы объяснить разницу, нужно сравнить именно внешние электроны.

1. Порядковый номер натрия равен 11. После заполнения первых двух уровней (2 и 8 электронов) остаётся один электрон: формула 2, 8, 1.
2. Порядковый номер магния равен 12. После распределения 2 и 8 электронов остаются два: формула 2, 8, 2.
3. У натрия один валентный электрон, у магния — два. Различие числа электронов на внешнем уровне влияет на то, как атомы вступают в химические реакции и образуют связи.

Ответ. Формулы натрия и магния — 2, 8, 1 и 2, 8, 2 соответственно. Их химические свойства различаются из-за разного числа валентных электронов, хотя число энергетических уровней у атомов одинаково.

Типичные ошибки

Распределение электронов по уровням иногда выполняют произвольно, например сначала записывают электроны на внешней оболочке. Так ошибаются, если помнят только общее число электронов, но забывают о порядке заполнения. Проверка проста: начинайте с первого уровня, соблюдайте его вместимость и переходите дальше только после заполнения предыдущего.

Другая ошибка — считать, что на любом уровне помещается не больше восьми электронов. Число 8 не является общей вместимостью: максимум рассчитывают по формуле 2n², поэтому третий уровень может вместить до 18 электронов. Не смешивайте это правило с упрощённым распределением электронов внешнего уровня у элементов первых периодов.

Порядковый номер иногда принимают за число электронов в любом атоме, в том числе в ионе. Это верно только для нейтрального атома, потому что в ионе число электронов меняется при отдаче или присоединении частиц. Перед расчётом проверьте, указан ли заряд: если его нет, рассматривайте нейтральный атом.

Наконец, валентными ошибочно называют все электроны атома, хотя это только электроны внешнего уровня. Путаница возникает из-за того, что все электроны входят в электронную оболочку, но не все одинаково участвуют в химических связях. Чтобы проверить ответ, найдите последний уровень электронной формулы и посчитайте электроны только на нём.

Связь с другими темами

Для изучения электронных оболочек нужны знания о составе атома, заряде ядра и порядковом номере элемента. Периодическая система помогает найти этот номер и увидеть, как строение атомов связано с их местом в таблице. Поэтому электронную формулу составляют, опираясь и на сведения о ядре, и на положение элемента.

Знание внешних электронов помогает объяснить периодическое изменение свойств элементов и образование химической связи. Оно также понадобится при изучении ионов: атомы могут отдавать или принимать электроны, а затем — при составлении формул веществ. Так строение отдельного атома связывается с поведением веществ в химических реакциях.

Что запомнить

• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• Электроны атома располагаются по энергетическим уровням.
• Первый энергетический уровень вмещает не более 2 электронов.
• Максимальная вместимость уровня определяется формулой 2n².
• Заполнение электронных уровней идёт от внутреннего уровня к внешнему.
• Химические свойства элементов во многом определяются числом валентных электронов.
• У атомов благородных газов внешний энергетический уровень завершён.