§ 40. Строение электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Электронная оболочка — совокупность электронов, окружающих ядро атома. Её заряд связан с зарядом ядра: электроны имеют отрицательный заряд и в нейтральном атоме компенсируют положительный заряд протонов. По числу электронов можно понять, как устроен атом элемента.

Энергетический уровень — слой электронной оболочки, электроны которого имеют близкую энергию. Уровни обозначают номерами 1, 2, 3, 4 или буквами K, L, M, N. Номер уровня показывает его удалённость от ядра.

Внешний энергетический уровень — самый удалённый от ядра уровень, занятый электронами. Его электроны слабее связаны с ядром и чаще участвуют в химических реакциях. Поэтому строение внешнего уровня помогает объяснить свойства элемента.

Электронная формула атома — запись распределения электронов по энергетическим уровням. Например, формула 2,8,1 означает: на первом уровне находятся 2 электрона, на втором — 8, на третьем — 1. Такая запись позволяет быстро увидеть число уровней и электронов на внешнем уровне.

Как это устроено

Порядковый номер элемента равен заряду его ядра, выраженному числом положительных зарядов протонов. В нейтральном атоме отрицательных электронов столько же, сколько положительных протонов, иначе атом имел бы общий заряд. Поэтому для составления электронной формулы достаточно узнать порядковый номер: он показывает общее число электронов.

Электроны располагаются по уровням не случайно, потому что уровни отличаются энергией. Электрону выгоднее занимать состояние с меньшей энергией, поэтому сначала заполняется ближайший к ядру уровень, затем следующий. На более удалённый уровень электрон переходит после того, как доступные места на внутреннем уровне уже заняты.

Вместимость уровня находят по формуле 2n², где n — номер уровня. Для первого уровня получается 2 · 1² = 2 электрона, для второго — 2 · 2² = 8, для третьего — 2 · 3² = 18, а для четвёртого — 2 · 4² = 32. В простых формулах для первых 20 элементов третий уровень обычно заполняется восемью электронами, а затем начинается заполнение четвёртого.

Чтобы составить электронную формулу, сначала определяют число электронов по порядковому номеру. Затем последовательно размещают их на уровнях, начиная с первого, и записывают получившиеся количества через запятые. Например, у алюминия 13 электронов: 2 идут на первый уровень, 8 — на второй, оставшиеся 3 — на третий, поэтому формула имеет вид 2,8,3.

Внешний уровень определяет, насколько легко атом вступает в химическое взаимодействие. Элементы одного периода имеют одинаковое число занятых уровней, но число внешних электронов в периоде изменяется. Поэтому свойства постепенно меняются, а элементы с похожим строением внешнего уровня часто имеют сходные химические свойства и занимают одну группу.

Распределение электронов по энергетическим уровням

Сначала найдите номер уровня, затем сравните фактическое число электронов с его максимальной вместимостью. Для первых 20 элементов особенно полезно помнить последовательность 2,8,8,2: она помогает быстро составлять формулы, но не отменяет общего правила 2n².

Разбор задач

Задача 1. Электронная формула натрия

Условие: составить электронную формулу атома натрия, если его порядковый номер равен 11.

1. Натрий имеет порядковый номер 11, значит, его нейтральный атом содержит 11 электронов.
2. На первый уровень помещаем 2 электрона. Остаётся 9 электронов.
3. На второй уровень помещаем 8 электронов. Остаётся 1 электрон.
4. Последний электрон занимает третий уровень.

Ответ: электронная формула натрия — 2,8,1. На внешнем уровне находится один электрон, поэтому натрий легко его отдаёт.

Задача 2. Элемент по электронной формуле

Условие: определить химический элемент по формуле 2,8,7.

1. Складываем электроны всех уровней: 2 + 8 + 7 = 17.
2. В нейтральном атоме 17 электронов означают 17 протонов в ядре.
3. В периодической системе порядковому номеру 17 соответствует хлор.

Ответ: это атом хлора, Cl. Три занятых уровня показывают третий период, а семь внешних электронов объясняют способность хлора принять один электрон.

Задача 3. Магний и хлор

Условие: сравнить строение атомов магния и хлора и объяснить различие их свойств.

1. У магния порядковый номер 12, поэтому его формула — 2,8,2. У хлора номер 17, формула — 2,8,7.
2. Оба атома имеют по три занятых уровня, но на внешнем уровне у магния 2 электрона, а у хлора 7.
3. Магнию проще отдать два внешних электрона, а хлору — принять один электрон до завершения внешнего уровня.

Ответ: магний проявляет металлические свойства и образует положительный ион Mg²⁺, а хлор проявляет неметаллические свойства и может образовать отрицательный ион Cl⁻. Различие связано прежде всего с числом внешних электронов.

Типичные ошибки

Путают уровни и электроны. Номер периода показывает число занятых уровней, а не количество электронов. Ошибка возникает, когда запись 2,8,1 принимают за три электрона; проверьте себя, сложив все числа.

Заполняют внешний уровень первым. Электроны сначала занимают уровни с меньшей энергией, поэтому начинать нужно с первого. Если на внутреннем уровне получилось меньше допустимого числа, распределение, скорее всего, неверно.

Считают вместимость любого уровня равной восьми. Это верно не для всех уровней: формула 2n² даёт для третьего уровня 18, а для четвёртого 32. Для первых 20 элементов третья оболочка часто содержит до 8 электронов, но это особенность заполнения, а не общий предел.

Ищут элемент только по внешним электронам. Семь внешних электронов есть у разных элементов разных периодов. Сначала сложите электроны всех уровней, а затем сопоставьте сумму с порядковым номером.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе ядра, заряде электрона и порядковом номере элемента. Без этого трудно объяснить равенство числа протонов и электронов в нейтральном атоме.

Электронные оболочки помогают объяснить периодическое изменение свойств элементов и образование химической связи. Число внешних электронов показывает, как атом может взаимодействовать с другими атомами.

Электронные формулы пригодятся при изучении валентности, степени окисления и химических реакций. По ним можно предположить, какие электроны атом отдаёт, принимает или использует совместно.

Что запомнить

• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• Электроны располагаются по энергетическим уровням.
• Сначала заполняются уровни с меньшей энергией.
• Максимальное число электронов на уровне определяется формулой 2n².
• Электронная формула показывает распределение электронов по уровням.
• Число занятых энергетических уровней соответствует номеру периода.
• Особенно важны электроны внешнего энергетического уровня.