§ 7. Электроны в атоме распределены по энергетическим уровням

Определения и обозначения

Энергетический уровень — совокупность электронов атома с близкой энергией; уровни нумеруют от ядра числом n. Первый уровень расположен ближе всего к ядру, следующие находятся дальше. Это понятие помогает описывать, где находятся электроны и насколько они связаны с ядром.

Электронная оболочка — область вокруг ядра, в которой находятся электроны; в школьной модели оболочки соответствуют энергетическим уровням. Это не набор твёрдых круговых дорожек, а упрощённое представление о распределении электронов. Такая модель позволяет сравнивать строение атомов разных элементов.

Вместимость энергетического уровня — наибольшее число электронов, которое может находиться на уровне; её рассчитывают по формуле 2n². Здесь n обозначает номер уровня, поэтому для разных уровней получаются разные значения. Формула нужна, чтобы определить верхнюю границу числа электронов на каждом из них.

Электронная формула атома — запись распределения электронов по энергетическим уровням, например 2, 8, 1. Числа перечисляют по порядку уровней, начиная с ближайшего к ядру. По такой записи удобно видеть и число занятых уровней, и количество электронов на внешнем.

Как это устроено

Электроны в атоме имеют разную энергию, потому что находятся в разных условиях относительно ядра. Электрический заряд ядра притягивает электроны, а удалённость от него влияет на энергию их состояния. В целом чем дальше уровень от ядра, тем выше энергия его электронов. Поэтому электроны не описывают как одинаково расположенные частицы на одной общей оболочке.

Нумерацию начинают у ядра: ближайший уровень имеет номер 1, следующий — 2, затем идут 3 и 4. Чем дальше уровень, тем больше его номер и, в общем случае, энергия находящихся на нём электронов. При заполнении атома электроны сначала занимают доступные состояния с меньшей энергией. Такое распределение соответствует основному, то есть наиболее устойчивому, состоянию атома.

Максимальную вместимость уровня находят по формуле 2n²: номер уровня возводят в квадрат и результат умножают на два. Для первого уровня это 2 × 1² = 2 электрона, для второго — 2 × 2² = 8. Для третьего получается 2 × 3² = 18, а для четвёртого — 2 × 4² = 32. Это предел вместимости, а не утверждение, что каждый уровень всегда заполнен полностью.

Чтобы составить электронную формулу, сначала узнают число электронов. В нейтральном атоме оно равно порядковому номеру элемента, потому что число отрицательно заряженных электронов уравновешивает число положительных протонов. Затем электроны распределяют начиная с первого уровня: внутренние заполняют раньше внешних, учитывая их вместимость. Например, при 11 электронах первые два уровня получают 2 и 8 электронов, а оставшийся электрон оказывается на третьем.

Распределение электронов связано с положением элемента в периодической таблице. Число занятых уровней соответствует номеру периода: если заняты три уровня, элемент находится в третьем периоде. Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы. Поэтому по положению элемента можно предсказать особенности внешней оболочки, а по электронной формуле — проверить период и число внешних электронов.

Энергетические уровни атома и их вместимость

В таблице вместимость указана как максимальная: реальный атом может иметь на уровне меньше электронов. Чтобы прочитать электронную формулу, сопоставьте числа уровням по порядку, начиная с первого. Например, запись 2, 8, 1 означает три занятых уровня и один электрон на внешнем.

Разбор задач

Кислород: распределение электронов

Условие: порядковый номер кислорода равен 8; запишите распределение электронов в его атоме. Сначала выясним общее число электронов, затем проверим, сколько помещается на первом уровне. Оставшиеся электроны перейдут на второй уровень, потому что он следующий по энергии.

1. В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру: у кислорода их 8.
2. Первый уровень может вместить не более 2 электронов, поэтому поместим на него 2.
3. Осталось 8 − 2 = 6 электронов; они занимают второй уровень.

Ответ: электронная формула кислорода — 2, 6. Проверка проста: сумма чисел 2 + 6 равна 8, то есть порядковому номеру кислорода. На втором уровне находятся шесть электронов.

Хлор: внешний уровень

Условие: порядковый номер хлора равен 17; определите число электронов на внешнем уровне и запишите распределение. Действуем от внутреннего уровня к внешнему, а не пытаемся сразу разместить все электроны снаружи. У первых двух уровней суммарная вместимость достаточна, чтобы разместить 10 электронов.

1. В нейтральном атоме хлора 17 электронов.
2. Первому уровню отводим 2 электрона, второму — 8; всего распределено 10.
3. Остаётся 17 − 10 = 7 электронов, их помещаем на третьем уровне.

Ответ: распределение хлора — 2, 8, 7; на внешнем уровне 7 электронов. Проверка: сумма 2 + 8 + 7 равна 17. Внешним здесь является третий уровень, потому что он самый удалённый из занятых.

Элемент третьего периода, главная подгруппа VII группы

Условие: определите число занятых уровней, электронов на внешнем уровне и общее число электронов. Используем две связи с таблицей: период показывает число занятых уровней, а номер главной подгруппы — число внешних электронов. Затем сложим электроны по уровням, чтобы найти их общее количество.

1. Третий период означает, что занято 3 энергетических уровня.
2. Для главной подгруппы VII группы на внешнем уровне 7 электронов.
3. Первые уровни заполняем как 2 и 8; вместе с внешними семью получаем 2 + 8 + 7 = 17.

Ответ: заняты 3 уровня, на внешнем находятся 7 электронов, всего в атоме 17 электронов. Электронная формула — 2, 8, 7. Она соответствует хлору и подтверждает результат по периоду и главной подгруппе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что на любом уровне помещается не более восьми электронов. Так думают, потому что для первых двух уровней пределы действительно равны 2 и 8, а знакомые школьные формулы часто содержат восьмёрку. Но вместимость зависит от номера уровня и рассчитывается как 2n². Проверьте себя: для третьего уровня формула даёт 18, а не 8.

Ошибка: заполнять внешний уровень раньше внутреннего. Она возникает, если представить уровни как независимые места для электронов и не учитывать их энергию. В основном состоянии сначала занимают уровни с меньшей энергией, начиная с ближайшего к ядру. Проверка: при записи электронной формулы убедитесь, что внутренние уровни рассмотрены раньше внешних.

Ошибка: путать число уровней с количеством электронов на внешнем уровне. Номер периода указывает число занятых уровней, а для элементов главных подгрупп число внешних электронов связано с номером группы. Путаница появляется из-за того, что оба сведения можно узнать по таблице. Проверяйте, на какой вопрос отвечаете: о числе оболочек или о числе электронов на крайней из них.

Ошибка: принимать порядковый номер за число нейтронов или число энергетических уровней. Порядковый номер показывает число протонов в ядре, а в нейтральном атоме также равен числу электронов. Число нейтронов зависит ещё и от изотопа, а число занятых уровней связано с периодом. Для самопроверки сопоставьте порядковый номер с суммой чисел электронной формулы.

Связь с другими темами

Для работы с электронными формулами нужно знать строение атома: ядро содержит протоны, а вокруг него находятся электроны. Заряд ядра определяется числом протонов, которое связано с порядковым номером элемента; в нейтральном атоме ему соответствует число электронов. Эти знания позволяют переходить от записи элемента в таблице к распределению электронов. Далее распределение помогает объяснять периодические изменения свойств элементов и образование химических связей.

Что запомнить

• Электроны занимают энергетические уровни вокруг ядра.
• Уровни нумеруют от ядра; энергия уровней в целом возрастает с номером.
• Максимальная вместимость уровня с номером n равна 2n².
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• При распределении электронов сначала заполняют уровни с меньшей энергией.
• Число занятых уровней соответствует номеру периода.
• У элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы.