"Химия", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. (изд. Астрель)
Электронная оболочка — это электроны вокруг ядра атома, распределённые по энергетическим уровням. Такое распределение не случайно: уровни отличаются энергией, а каждый способен вместить ограниченное число электронов. Зная порядковый номер элемента, можно определить общее число электронов и распределить их по уровням. Особенно важен внешний уровень: число электронов на нём помогает объяснять химические свойства элемента и его поведение при образовании связей.
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 образующих электронные слои. Её удобно представлять как несколько областей, расположенных вокруг ядра, а не как одну неразделённую массу. Это понятие помогает описывать, где находятся электроны и как устроен атом.
Энергетический уровень — слой электронов, имеющих близкое значение энергии; уровни нумеруют от ядра. Первый уровень расположен ближе всего к ядру, а следующие находятся дальше. Номер уровня помогает судить об энергии электронов и распределять их в записи строения атома.
Электронный слой — часть электронной оболочки, соответствующая одному энергетическому уровню. Например, электроны первого уровня образуют первый слой, а электроны второго — второй. Понятие слоя позволяет наглядно записывать распределение электронов по уровням.
Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра занятый электронами уровень, определяющий многие химические свойства элемента. Именно на нём находятся электроны, которые чаще всего участвуют во взаимодействии атома с другими атомами. Поэтому при сравнении элементов обращают внимание не только на общее число электронов, но и на число внешних.
Электроны отрицательно заряжены, а ядро имеет положительный заряд, поэтому ядро притягивает электроны. Однако атом нельзя описывать как систему крошечных планет, которые могут оказаться на любом расстоянии от ядра: электроны занимают только определённые устойчивые энергетические состояния. Из-за этого их распределение упорядочено, а не произвольно. Представление об уровнях помогает описать возможные состояния электронов, не изображая их движение по случайным траекториям.
Уровни нумеруют начиная с ближайшего к ядру: первый, второй, третий и так далее. Чем дальше уровень от ядра, тем в среднем больше энергия электронов на нём, поэтому для перехода на более удалённый уровень электрону нужно получить энергию. При заполнении оболочки электроны сначала занимают более низкие уровни, а затем переходят на следующие. Номер уровня тем самым показывает его место относительно ядра, но не число электронов на нём.
Каждый уровень может вместить лишь определённое число электронов. Для расчёта максимальной вместимости используют правило 2n², где n — номер энергетического уровня: при n = 1 получается 2 электрона, при n = 2 — 8, при n = 3 — 18. Это предел для уровня, а не инструкция помещать туда именно столько электронов в каждом атоме. Реальное число зависит от общего количества электронов и порядка заполнения оболочки.
У нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру элемента, поэтому для первых элементов электронную схему строят, начиная с ближайшего к ядру уровня. Первый уровень заполняется двумя электронами, затем электроны переходят на второй, который вмещает до восьми. В начале третьего периода заполняется третий уровень; у первых 20 элементов сначала на нём оказывается до восьми электронов. У калия и кальция после этого начинают занимать четвёртый уровень, хотя третий теоретически может вместить 18 электронов.
Химические свойства во многом связаны с тем, сколько электронов находится на внешнем уровне. Именно внешние электроны обычно участвуют в образовании химической связи или переходят от одного атома к другому. Атомы с похожим числом внешних электронов часто ведут себя сходным образом, поэтому элементы одной группы периодической таблицы имеют некоторые общие свойства. Это не означает, что свойства определяются только внешним уровнем, но его строение — важная подсказка.
| Энергетический уровень | Обозначение | Максимальное число электронов | Число электронов у первых 20 элементов |
|---|---|---|---|
| Первый уровень | n = 1 | 2 | Заполняется первым: до 2 |
| Второй уровень | n = 2 | 8 | Заполняется после первого: до 8 |
| Третий уровень | n = 3 | 18 | У первых 20 элементов сначала заполняются 8 |
| Четвёртый уровень | n = 4 | 32 | Начинает заполняться после заполнения третьего до 8 |
В таблице максимальная вместимость отделена от фактического заполнения: эти числа не всегда совпадают. При решении задачи сначала распределите электроны по ближайшим к ядру уровням, учитывая порядок заполнения для данного элемента. У калия и кальция после схемы 2, 8, 8 появляются электроны на четвёртом уровне.
Условие: составить распределение электронов по энергетическим уровням для атома кислорода с порядковым номером 8. Порядковый номер показывает заряд ядра, а у нейтрального атома число электронов равно ему. Поэтому нужно распределить восемь электронов, начиная с первого уровня. На первом уровне помещается не более двух электронов, а на втором — до восьми.
Ответ: распределение кислорода — 2, 6. Проверка: сумма электронов на уровнях равна 2 + 6 = 8, то есть порядковому номеру кислорода. Внешний уровень здесь второй, и на нём находятся 6 электронов.
Условие: определить число электронов на внешнем уровне атома алюминия с порядковым номером 13 и записать распределение по слоям. Так как атом нейтрален, у него 13 электронов. Сначала заполняем первый уровень, затем второй, после чего оставшиеся электроны попадают на третий. Внешним будет последний уровень, на котором есть электроны.
Ответ: распределение алюминия — 2, 8, 3; на внешнем уровне 3 электрона. Сумма 2 + 8 + 3 равна 13, поэтому всё число электронов учтено. Три занятых уровня также показывают, что алюминий находится в третьем периоде.
Условие: по электронной схеме 2, 8, 7 определить элемент, его порядковый номер и число электронов на внешнем уровне. Схема показывает число электронов на каждом занятом уровне, поэтому сначала нужно сложить все числа. Для нейтрального атома полученная сумма равна порядковому номеру. Затем по нему находят элемент в периодической таблице.
Ответ: это хлор, его порядковый номер — 17, на внешнем уровне 7 электронов. Проверка: в схеме три занятых уровня, значит, элемент находится в третьем периоде; хлор действительно расположен в третьем периоде. Сумма чисел схемы совпадает с его порядковым номером.
Ошибка: считать, что на каждом уровне обязательно находится ровно 2n² электронов. Формула даёт максимально возможную вместимость, а не фактическое заполнение; её часто принимают за обязательное правило, потому что в ней прямо указано число электронов. Проверьте себя: сложите числа в своей схеме и сравните сумму с общим числом электронов атома. Например, у кислорода второй уровень содержит 6, а не 8 электронов.
Ошибка: сначала помещать электроны на внешний уровень, оставляя незаполненными внутренние. Так можно ошибиться, если представлять оболочку как набор независимых мест; в записи сначала учитывают уровни, ближайшие к ядру. Проверка проста: начинайте с первого уровня, затем переходите к следующему и сверяйте число оставшихся электронов.
Ошибка: путать номер периода с числом электронов. Номер периода показывает количество занятых уровней, а не общее число электронов; путаница возникает из-за того, что оба числа связаны со строением атома. Чтобы проверить ответ, отдельно посчитайте уровни в схеме и отдельно сложите электроны на них.
Ошибка: определять число электронов по одному лишь названию элемента, не сверяясь с его порядковым номером. Названия элементов сами по себе не показывают, сколько электронов нужно распределить. Для нейтрального атома найдите порядковый номер в периодической таблице — он равен числу электронов; после распределения проверьте, что сумма совпала с ним.
Для изучения электронных уровней нужно знать строение атома, состав ядра и смысл порядкового номера элемента. Порядковый номер позволяет узнать число электронов нейтрального атома и начать составление электронной схемы. Распределение электронов помогает объяснять периодичность свойств и устройство периодической таблицы. Оно также пригодится при изучении валентности, химической связи и составлении формул соединений.
Почему электроны не падают на ядро?
Электроны находятся не на произвольных расстояниях, а в устойчивых состояниях с определённой энергией. В таких состояниях атом сохраняет устойчивость, хотя ядро притягивает электроны. Поэтому электрон нельзя представлять как маленький шарик, который просто вращается и постепенно падает на ядро.
Как узнать число электронов в атоме элемента?
У нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру элемента в периодической таблице. Например, у кислорода порядковый номер 8, значит, в его атоме 8 электронов. У заряженного иона число электронов может отличаться от порядкового номера.
Чем энергетический уровень отличается от электронной оболочки?
Электронная оболочка — совокупность всех электронов атома вокруг ядра. Она состоит из электронных слоёв, каждый из которых соответствует одному энергетическому уровню. Значит, уровень или слой — часть оболочки, а оболочка включает их все.
Почему на внешнем уровне у первых 20 элементов обычно не бывает больше 8 электронов?
У первых 20 элементов после заполнения внешнего уровня из восьми электронов обычно начинается заполнение следующего уровня. Поэтому у большинства этих элементов внешний слой содержит не более восьми электронов. У калия и кальция третий уровень ещё не заполнен полностью: электроны переходят на четвёртый.
Как по распределению электронов определить период и элемент?
Сложите числа электронов на всех уровнях: их сумма равна порядковому номеру нейтрального атома, по которому находят элемент в таблице. Число занятых уровней показывает номер периода. Например, схема 2, 8, 7 даёт 17 электронов и три занятых уровня: это хлор, элемент третьего периода.
§ 44. Электронная оболочка атома
