"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Электронная оболочка — это электроны, движущиеся вокруг ядра и распределённые по энергетическим уровням. Её строение определяется зарядом ядра: в нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента. Электроны заполняют уровни от менее энергичных к более энергичным, а электроны внешнего уровня участвуют в химических связях. Поэтому электронная конфигурация помогает объяснить положение элемента в периодической системе и сходство его химических свойств с другими элементами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная оболочка — совокупность электронов атома, распределённых вокруг его ядра. В нейтральном атоме отрицательный заряд электронов по величине равен положительному заряду ядра, поэтому атом не имеет общего заряда. Если электронов становится меньше или больше, образуется ион.
Энергетический уровень — область электронной оболочки, соответствующая определённому запасу энергии электронов. Уровни нумеруют от ядра: первый расположен ближе всего к ядру, следующие находятся дальше. Номер уровня помогает понять, сколько слоёв электронной оболочки занято.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням. Для нейтрального атома общее число электронов равно порядковому номеру элемента. Поэтому по этому номеру можно построить конфигурацию и затем определить число занятых уровней.
Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, участвующие в образовании химических связей. Они определяют, как атом взаимодействует с другими атомами и какие свойства проявляет элемент. Поэтому при сравнении элементов особенно рассматривают их внешний уровень.
Электроны в атоме не распределяются произвольно, потому что их энергия может принимать только определённые значения. Каждому такому набору значений соответствует энергетический уровень. Чем дальше уровень от ядра, тем обычно больше запас энергии электронов, поэтому уровни образуют упорядоченную систему.
Порядковый номер элемента показывает заряд ядра, то есть число протонов в нём. В нейтральном атоме положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом такого же числа электронов. Значит, порядковый номер сразу задаёт общее число электронов, а оно определяет электронную конфигурацию.
Заполнение начинается с уровня, которому соответствует меньшая энергия. Только после его заполнения электроны переходят на следующий доступный уровень, поэтому сначала появляются распределения 2, затем 2, 8 и так далее. Вместимость уровней ограничена: электроны на одном уровне могут находиться лишь в определённых состояниях.
Номер периода показывает число энергетических уровней, занятых электронами; для первых 20 элементов это правило используется напрямую. Например, элементы третьего периода имеют три занятых уровня, даже если на последнем находится всего один электрон. У элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне помогает определить положение в группе.
В одном периоде число уровней одинаково, но внешний уровень постепенно заполняется, поэтому свойства элементов закономерно изменяются. В одной группе главных подгрупп повторяется число валентных электронов, и атомы реагируют похожим образом. Так электронные конфигурации объясняют сходство свойств, например у щелочных металлов, и их изменение в периодической системе.
| Номер уровня | Максимальное число электронов | Пример заполнения для первых 20 элементов |
|---|---|---|
| Первый уровень | 2 электрона | Водород: 1; гелий: 2 |
| Второй уровень | 8 электронов | Литий: 2, 1; неон: 2, 8 |
| Третий уровень | До 18 электронов | У первых 20 элементов обычно рассматривают заполнение до 8 |
| Четвёртый уровень | Заполняется после третьего | Калий: 2, 8, 8, 1; кальций: 2, 8, 8, 2 |
При использовании таблицы сначала определите общее число электронов, а затем заполняйте уровни слева направо. Для первых 20 элементов достаточно помнить последовательность вместимости 2, 8, 8, после чего учитывают четвёртый уровень.
Таблица показывает максимальную вместимость, а не обязательное число электронов на каждом уровне. Например, третий уровень может быть заполнен не полностью, если электроны уже начинают занимать четвёртый.
Условие: определите число электронов и распределите их по уровням в атоме натрия с порядковым номером 11. Нужно использовать правило нейтрального атома и порядок заполнения уровней. Запись должна показать не только сумму электронов, но и строение оболочки.
Ответ: у натрия 11 электронов, распределение по уровням — 2, 8, 1. Внешний уровень содержит один электрон, поэтому именно он особенно важен для химических свойств натрия.
Условие: запишите распределение электронов по уровням для атомов серы и хлора и укажите число электронов на внешнем уровне. Порядковые номера серы и хлора равны 16 и 17. Оба элемента находятся в одном периоде, поэтому число занятых уровней у них одинаково.
Ответ: сера имеет конфигурацию 2, 8, 6 и 6 валентных электронов. Хлор имеет конфигурацию 2, 8, 7 и 7 валентных электронов. Соседство элементов в периоде отражается постепенным заполнением внешнего уровня.
Условие: элемент имеет распределение электронов 2, 8, 7. Определите его порядковый номер, период, число валентных электронов и возможное сходство с другими элементами. Нужно связать каждую характеристику с отдельным признаком конфигурации. Нельзя путать число уровней с числом электронов.
Ответ: это хлор, его порядковый номер 17, период — третий, валентных электронов — 7. По внешней конфигурации он сходен с фтором и бромом, у которых также по 7 электронов на внешнем уровне.
Путать число уровней с числом электронов. Ученик может принять номер периода за количество электронов или считать, что третий период означает три электрона. Проверьте себя: сложите электроны конфигурации и отдельно пересчитайте число занятых уровней.
Считать вместимость уровней одинаковой. Такая ошибка возникает, если механически распределять электроны поровну. Помните ограничения: первый уровень вмещает 2, второй — 8, а третий имеет другую максимальную вместимость.
Забывать о нейтральности атома. Порядковый номер равен числу электронов только у нейтрального атома, а у иона число электронов изменяется. Перед решением уточните, говорится ли об атоме или о заряженной частице.
Определять валентные электроны по общему числу электронов. Химические связи образуют не все электроны сразу, а прежде всего электроны внешнего уровня. Проверьте последнюю цифру распределения и посчитайте электроны именно на этом уровне.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе ядра, его заряде и порядковом номере элемента. Эти сведения позволяют перейти от положения элемента в периодической системе к числу электронов.
Распределение электронов связывает периодическую систему с химическими свойствами элементов. По внешнему уровню можно объяснить сходство элементов одной группы и изменение свойств в периодах.
Тема понадобится при изучении химической связи и образования ионов. Она помогает понять, почему атомы отдают, принимают или совместно используют электроны, а также как строение влияет на свойства веществ.
Почему электроны в атоме распределяются по уровням?
Электроны могут иметь только определённые значения энергии, поэтому располагаются не произвольно, а на энергетических уровнях. Ближе к ядру находятся обычно менее энергичные уровни.
Как узнать число электронов в атоме элемента?
В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента. Например, у кислорода с порядковым номером 8 имеется 8 электронов.
Как определить число занятых энергетических уровней?
Нужно посмотреть на номер периода элемента. Для первых 20 элементов он показывает число занятых энергетических уровней.
Сколько электронов может находиться на каждом уровне?
На первом уровне может быть не более 2 электронов, на втором — не более 8. Третий уровень вмещает до 18 электронов, но у первых 20 элементов его обычно рассматривают заполненным не более чем 8 электронами.
Почему у элементов одной группы похожие химические свойства?
У элементов одной главной подгруппы обычно одинаковое число электронов на внешнем уровне. Именно эти электроны участвуют в химических связях, поэтому элементы проявляют сходные свойства.
§ 9. Строение электронной оболочки атома*
