7. Строение электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Электронная оболочка (электронные слои) — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням вокруг ядра. Она показывает, где находятся электроны и как они связаны с ядром. По строению оболочки можно объяснять свойства атома.

Энергетический уровень — область электронной оболочки, обозначаемая номером n и содержащая электроны с близкой энергией. Уровни нумеруют от ядра: первый расположен ближе всего, следующий — дальше. Такое обозначение помогает записывать строение атома кратко.

Вместимость энергетического уровня — наибольшее число электронов, которое может находиться на уровне. Для уровня с номером n её рассчитывают по формуле 2n². Зная вместимость, можно правильно распределить электроны между уровнями.

Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра занятый уровень. Число электронов на нём особенно важно, потому что оно связано с химическими свойствами элемента. Сравнение внешних уровней помогает находить сходство между элементами одной группы.

Как это устроено

Электроны в атоме располагаются не произвольно, потому что каждый из них обладает определённой энергией. Чем ближе электронный уровень к положительно заряженному ядру, тем сильнее притяжение и тем меньше энергия электрона. Поэтому устойчивое строение атома начинается с заполнения ближайших к ядру уровней.

Уровни нумеруют от ядра, и номер n используют в формуле их максимальной вместимости 2n². При увеличении номера уровень становится более удалённым и в принципе может вместить больше электронов. Например, первый уровень рассчитан на 2 электрона, а второй — на 8.

Сначала заполняются уровни с меньшей энергией, а затем более удалённые. Если внутренний уровень ещё не заполнен, электрон не помещают сразу на внешний. Такое правило отражает стремление атома к более устойчивому состоянию с наименьшей возможной энергией.

Для элементов первых трёх периодов распределение электронов записывают числами, разделёнными запятыми: каждое число показывает количество электронов на одном занятом уровне. Сумма этих чисел равна заряду ядра нейтрального атома, то есть порядковому номеру элемента. Например, запись 2, 8, 1 означает три занятых уровня и всего 11 электронов.

У элементов первых 20 порядковых номеров на внешнем уровне находится не более восьми электронов. Число внешних электронов влияет на способность атомов вступать в химические реакции и на сходство элементов одной группы. Поэтому, сравнивая внешние уровни, можно заранее заметить общие черты химического поведения.

Энергетические уровни и распределение электронов

В первых двух столбцах таблицы находят положение уровня и его номер. Затем проверяют, сколько электронов он может вместить по формуле 2n². В последнем столбце показано, как записи распределения связываются с конкретными атомами.

Нельзя путать максимальную вместимость с фактическим числом электронов: уровень может быть заполнен частично. При решении задач сначала учитывают занятые уровни и их последовательное заполнение, а затем проверяют сумму электронов.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите число электронов в нейтральном атоме натрия, если его порядковый номер равен 11. Нужно использовать связь между зарядом ядра и числом электронов. Нейтральность атома означает отсутствие общего электрического заряда.

1. Порядковый номер натрия равен числу протонов в его ядре.
2. Заряд 11 протонов равен по модулю заряду 11 электронов.
3. Следовательно, в нейтральном атоме натрия должно быть 11 электронов.

Ответ: 11 электронов. Если бы атом потерял или приобрёл электроны, он стал бы ионом, а не нейтральным атомом.

Задача 2

Условие: распределите 12 электронов атома магния по энергетическим уровням. Электроны нужно размещать от ближайшего к ядру уровня к более удалённым. Вместимость первого уровня равна 2, второго — 8.

1. На первый уровень помещаем 2 электрона: остаётся 12 − 2 = 10.
2. На второй уровень помещаем 8 электронов: остаётся 10 − 8 = 2.
3. Оставшиеся 2 электрона переходят на третий уровень.

Ответ: распределение магния — 2, 8, 2. Проверка даёт 2 + 8 + 2 = 12, поэтому все электроны учтены.

Задача 3

Условие: распределение электронов по уровням равно 2, 8, 7. Определите число электронов, порядковый номер и период элемента. Числа уже показывают заполненность трёх уровней, поэтому нужно сложить их и посчитать занятые уровни.

1. Складываем электроны: 2 + 8 + 7 = 17.
2. В нейтральном атоме 17 электронов, значит, его порядковый номер равен 17.
3. Заняты три уровня, следовательно, элемент находится в третьем периоде.

Ответ: 17 электронов, порядковый номер 17, третий период. Такая запись соответствует атому хлора.

Типичные ошибки

Путают номер уровня с числом электронов на нём. Номер показывает положение уровня относительно ядра, а не его заполненность. Проверьте себя: у третьего уровня может находиться, например, 1, 7 или 18 электронов.

Считают, что на внешнем уровне всегда восемь электронов. Восемь — это возможная заполненная оболочка, но у незавершённого уровня электронов меньше. Сравните запись 2, 8, 1: внешний уровень здесь содержит один электрон.

Заполняют сначала внешний уровень. Так делают, забывая, что электроны занимают состояния с меньшей энергией. Начинайте с первого уровня и переходите дальше только после его заполнения.

Забывают проверить сумму электронов. Из-за этого в записи может оказаться лишний электрон или не хватить одного. Сложите все числа и сравните результат с порядковым номером нейтрального атома.

Связь с другими темами

Для понимания распределения электронов нужны знания о строении атома, заряде ядра и порядковом номере элемента. Порядковый номер показывает число протонов, а в нейтральном атоме — ещё и число электронов. Поэтому он служит основой для составления электронной схемы.

Эта тема пригодится при изучении периодической системы и электронного строения атомов. По внешнему уровню можно объяснять сходство химических свойств элементов и предсказывать особенности их взаимодействия. Позже эти сведения помогут понимать образование ионов и химических связей.

Что запомнить

• Электроны атома распределены по энергетическим уровням.
• Уровни нумеруют, начиная с ближайшего к ядру.
• Максимальную вместимость уровня с номером n рассчитывают по формуле 2n².
• Сначала заполняются уровни с меньшей энергией.
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• Число занятых уровней соответствует номеру периода.
• Для элементов первых 20 порядковых номеров на внешнем уровне не более восьми электронов.