"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Электронная оболочка — совокупность электронов, окружающих ядро атома. Электроны располагаются не произвольно, а по энергетическим уровням, связанным с их энергией и расстоянием от ядра. Модель Н. Бора объясняет такие уровни стационарными орбитами и показывает, почему атом поглощает или испускает энергию при переходах электронов. Эти представления помогают составлять электронные формулы элементов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная оболочка атома — совокупность электронов, движущихся вокруг ядра и распределённых по энергетическим уровням. Она образует внешнюю часть атома и определяет, где находятся электроны. Это понятие нужно, чтобы описывать строение атома не списком отдельных частиц, а упорядоченной системой.
Энергетический уровень — область электронной оболочки, соответствующая определённому запасу энергии электронов и их удалённости от ядра. Уровни нумеруют начиная с первого, ближайшего к ядру. Номер помогает сравнивать энергию и расположение электронов.
Модель атома Бора — представление об атоме, согласно которому электроны движутся вокруг ядра по определённым стационарным орбитам. Стационарная орбита разрешена для электрона и не сопровождается постоянным излучением энергии. Модель объясняет существование уровней и переходы между ними.
Электронная формула — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням с указанием их числа. Например, запись 2, 8, 1 означает три занятых уровня и 11 электронов. Такая запись позволяет быстро увидеть строение электронной оболочки элемента.
Ядро атома имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный, поэтому между ними действует электрическое притяжение. Эта сила удерживает электроны около ядра и не позволяет им удалиться бесконечно далеко. Электронная оболочка возникает как система электронов, связанных с одним и тем же ядром; у нейтрального атома общий отрицательный заряд электронов компенсирует заряд ядра.
Электрон не может занимать любое расстояние от ядра, потому что его состояние в атоме имеет только определённые допустимые значения энергии. В модели Бора этим значениям соответствуют стационарные орбиты. Между разрешёнными уровнями электрон не находится в промежуточном устойчивом состоянии, поэтому нельзя просто выбрать произвольную орбиту.
Номер уровня связан и с энергией, и с расстоянием до ядра. Первый уровень расположен ближе всего и имеет наименьшую энергию, а при увеличении номера уровень в среднем удаляется от ядра и энергия электронов возрастает. Поэтому электрон на третьем уровне обычно обладает большей энергией, чем электрон на втором, если сравниваются состояния одного атома.
Переход электрона между уровнями сопровождается обменом энергией с атомом. При переходе вверх электрон поглощает порцию энергии, а при переходе вниз испускает её в виде кванта; энергия кванта равна разности энергий уровней. Порция не может быть произвольной, потому что сами уровни имеют строго определённые энергии.
Заполнение начинается с первого уровня, затем электроны переходят на второй, третий и следующие уровни. Максимальную вместимость уровня с номером n в упрощённой модели выражают формулой 2n²: первый уровень вмещает 2 электрона, второй — 8, третий — 18, четвёртый — 32. При записи простых электронных формул сначала указывают число электронов на первом уровне, затем на втором и так далее, не превышая вместимость уровня.
| Параметр | 1-й уровень | 2-й уровень | 3-й уровень | 4-й уровень |
|---|---|---|---|---|
| Обозначение уровня | n = 1 | n = 2 | n = 3 | n = 4 |
| Максимальное число электронов | 2 | 8 | 18 | 32 |
| Относительная энергия электронов | Наименьшая | Выше, чем на 1-м | Выше, чем на 2-м | Наибольшая из указанных |
| Удалённость от ядра | Минимальная | Больше, чем у 1-го | Больше, чем у 2-го | Наибольшая из указанных |
| Пример распределения электронов по уровням | 2 | 2, 8 | 2, 8, 8 | 2, 8, 8, 2 |
Сначала найдите в таблице нужный номер уровня, затем сравните его вместимость, энергию и расстояние от ядра. Последняя строка показывает не единственно возможный вариант для всех атомов, а примеры записей распределения электронов. Если электронов меньше максимума, незаполненный уровень может содержать только часть возможного числа.
Задача 1. Запишите электронную формулу атома натрия, если его атомный номер равен 11, и укажите число занятых энергетических уровней. В нейтральном атоме атомный номер сразу даёт число электронов. Их нужно распределить от ближайшего к ядру уровня к более удалённым.
Ответ: электронная формула натрия — 2, 8, 1; заняты 3 энергетических уровня.
Задача 2. Определите элемент, атом которого имеет распределение электронов по уровням 2, 8, 7. Сначала нужно установить общее число электронов, а затем использовать связь этого числа с порядковым номером. Такой способ работает для нейтрального атома.
Ответ: это атом хлора, его электронная формула — 2, 8, 7.
Задача 3. Объясните, что происходит с электроном при переходе с третьего энергетического уровня на второй, и определите, поглощается или испускается энергия. Нужно сравнить номера уровней, потому что большему номеру в данном случае соответствует большая энергия.
Ответ: при переходе с третьего уровня на второй энергия испускается; её квант равен разности энергий этих уровней.
Произвольные орбиты. Ошибка состоит в представлении, будто электрон может двигаться по любой окружности вокруг ядра. Так думают, потому что в обычном рисунке орбиты выглядят как свободно выбранные линии. Проверка проста: в модели Бора нужно называть только разрешённые стационарные орбиты.
Номер уровня путают с числом электронов. Например, запись 3 не означает, что на уровне три электрона: она может обозначать третий уровень. Чтобы не ошибиться, отдельно указывайте номер n и отдельно число электронов.
Нарушают порядок заполнения. Иногда электроны сразу записывают на дальний уровень, не заполнив ближайшие. Причина — механическое распределение без проверки вместимости. Сначала отложите 2 электрона на первом уровне, затем заполните следующий и только после этого переходите дальше.
Неверно определяют направление перехода. При подъёме на более высокий уровень энергия не испускается, а поглощается. При спуске на низший уровень она испускается. Для самопроверки сравните номера уровней до выбора типа энергетического обмена.
До изучения темы нужно знать строение атома, состав ядра и заряд электрона. Также необходимо помнить, что порядковый номер нейтрального атома равен числу его электронов. Эти сведения позволяют правильно составлять электронные формулы.
Электронная оболочка нужна при изучении периодического закона и строения периодической системы. Распределение электронов помогает объяснять валентность, образование ионов и химическую связь. Поэтому электронная формула связывает строение атома с его химическими свойствами.
Модель Бора является важным шагом к современной квантовой модели атома. Позднее понятие точной круговой орбиты заменяется представлением об электронном облаке и вероятности нахождения электрона. Однако уровни энергии и переходы между ними сохраняют своё значение.
Почему электроны не падают на ядро?
Положительное ядро притягивает отрицательные электроны, но в модели Бора электроны могут находиться только на разрешённых стационарных орбитах. На такой орбите электрон не излучает энергию и не теряет её постепенно.
Можно ли точно представить электрон как частицу, движущуюся по круговой орбите?
Для объяснения на уровне модели Бора электрон условно изображают движущимся по круговой орбите. Современная квантовая модель описывает электрон сложнее: нельзя одновременно точно указать его траекторию и положение.
Как определить число электронов в атоме по периодической таблице?
В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента. Например, у натрия с номером 11 имеется 11 электронов.
Почему на первом энергетическом уровне помещается только 2 электрона?
Первый уровень ближе всего к ядру и имеет наименьшее число доступных состояний для электронов. Поэтому его максимальная вместимость равна двум электронам.
Что происходит с энергией атома при переходе электрона между уровнями?
При переходе на более высокий уровень атом поглощает квант энергии. При переходе на более низкий уровень атом испускает квант, равный разности энергий этих уровней.
§9. Электронная оболочка атома. Атомные модели Н. Бора
