8. Изменение числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов

Определения и обозначения

Внешний энергетический уровень — самый удалённый от ядра занятый электронами уровень. Именно на нём находятся электроны, которые сильнее всего влияют на химическое поведение атома. По его строению можно понять, будет ли атом отдавать, принимать или совместно использовать электроны.

Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Они могут переходить от одного атома к другому или становиться общими для связанных атомов. Поэтому подсчёт валентных электронов помогает объяснять состав веществ и образование ионов.

Электронное семейство — элементы, атомы которых имеют одинаковое число электронов на внешнем уровне и сходные химические свойства. Обычно такое сходство наблюдается у элементов одной главной подгруппы. Термин нужен, чтобы связать положение элемента в таблице со способом его химического взаимодействия.

Как это устроено

При движении слева направо в периоде заряд ядра увеличивается на единицу, потому что растёт порядковый номер элемента. Новые электроны при этом последовательно добавляются на один и тот же внешний энергетический уровень. Поэтому притяжение электронов к ядру усиливается, а строение внешнего уровня постепенно меняется.

В главных подгруппах число электронов на внешнем уровне обычно совпадает с номером группы. Например, у элементов первой главной подгруппы один такой электрон, а у элементов седьмой главной подгруппы — семь. Одинаковое число валентных электронов приводит к сходным способам образования связей, поэтому свойства элементов одной подгруппы похожи.

У атомов элементов главных подгрупп в пределах периода число внешних электронов обычно возрастает от одного до восьми. Восьмиэлектронный внешний уровень устойчив, поэтому благородные газы малоактивны. Исключением является гелий: его первый уровень вмещает только два электрона, и оба электрона полностью его заполняют.

Атомы металлов обычно имеют небольшое число внешних электронов и сравнительно легко их отдают. При этом образуются положительно заряженные ионы, потому что электронов становится меньше, чем протонов. Неметаллы, напротив, часто принимают электроны, превращаясь в отрицательные ионы.

Неметаллу обычно не хватает нескольких электронов до завершения внешнего уровня, поэтому принятие электронов делает его более устойчивым. Металлу энергетически выгоднее потерять внешние электроны, чем удерживать их и принимать новые. Так изменение числа внешних электронов объясняет периодическое изменение свойств элементов и образование ионов.

Изменение числа электронов на внешнем уровне

Сначала определите положение элемента: период показывает число занятых уровней, а главная подгруппа помогает установить число внешних электронов. Затем сравните, сколько электронов уже есть на внешнем уровне и сколько не хватает до завершения. По этому различию можно предположить, отдаст атом электроны или примет их.

Разбор задач

Задача 1

Определите число электронов на внешнем уровне атома натрия, если его порядковый номер — 11. Порядковый номер равен числу электронов в нейтральном атоме. Нужно распределить эти электроны по энергетическим уровням.

1. На первый уровень помещаются 2 электрона.
2. На второй уровень помещаются 8 электронов, остаётся 1 электрон: 11 − 2 − 8 = 1.
3. Оставшийся электрон находится на третьем, внешнем уровне.

Ответ: у натрия 1 электрон на внешнем уровне. Поэтому натрий как металл обычно отдаёт этот электрон и образует положительный ион.

Задача 2

Сравните число электронов на внешнем уровне у магния и кальция и объясните сходство их свойств. Магний и кальций находятся в одной главной подгруппе. Значит, сначала нужно использовать положение элементов в периодической системе.

1. Магний расположен во второй главной подгруппе, поэтому имеет 2 внешних электрона.
2. Кальций также находится во второй главной подгруппе и имеет 2 внешних электрона.
3. Одинаковое строение внешнего уровня объединяет элементы в одно электронное семейство.

Ответ: у магния и кальция по 2 внешних электрона. Оба металла обычно отдают их и проявляют сходные химические свойства.

Задача 3

Для натрия, фосфора и хлора укажите число внешних электронов и определите, сколько электронов нужно отдать или принять для завершения уровня. Все три элемента находятся в третьем периоде, поэтому их внешние электроны добавляются на третий уровень. Сравним их положение слева направо.

1. Натрий имеет 1 внешний электрон и обычно отдаёт 1 электрон.
2. Фосфор имеет 5 внешних электронов и для восьмиэлектронного уровня принимает 3 электрона.
3. Хлор имеет 7 внешних электронов и принимает 1 электрон до завершения уровня.

Ответ: Na — 1 электрон, отдаёт 1; P — 5 электронов, принимает 3; Cl — 7 электронов, принимает 1. Так проявляется переход от металлического поведения к неметаллическому в пределах периода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что номер группы всегда равен числу внешних электронов. Это правило применяют прежде всего к элементам главных подгрупп, а в современной таблице есть побочные подгруппы и переходные элементы. Проверяйте, относится ли элемент к главной подгруппе.

Ошибка: путать номер периода с числом внешних электронов. Номер периода показывает количество занятых энергетических уровней, а не число электронов на последнем уровне. Проверьте себя вопросом: «Считаю я уровни или электроны?»

Ошибка: считать, что в каждом периоде электроны обязательно идут от одного до восьми. У коротких периодов заполнение уровней имеет особенности, поэтому нельзя механически переносить правило на любую ситуацию. Уточняйте период и положение элемента.

Ошибка: утверждать, что любой неметалл только принимает электроны. Способ взаимодействия зависит от элемента и конкретного вещества: атомы могут также образовывать общие электронные пары. Смотрите не только на принадлежность к неметаллам, но и на состав образуемой связи.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома, заряде ядра, порядковом номере и распределении электронов по энергетическим уровням. Эти сведения позволяют перейти от номера элемента к строению его внешнего уровня.

Тема связана с периодической системой: период показывает число занятых уровней, а главная подгруппа — обычно число внешних электронов. Она помогает объяснить периодическое изменение свойств, образование ионов и химических связей.

Что запомнить

• Химические свойства атомов во многом определяются электронами внешнего энергетического уровня.
• Электроны внешнего уровня называют валентными.
• В периоде число внешних электронов у элементов главных подгрупп обычно возрастает слева направо.
• В главной подгруппе число внешних электронов обычно соответствует номеру группы.
• Металлические атомы чаще отдают внешние электроны, неметаллические — принимают недостающие.
• У благородных газов внешний энергетический уровень завершён; у гелия на нём два электрона.