"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Положение элемента в Периодической системе связано со строением его атома. Порядковый номер показывает заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме, номер периода — число занятых электронных слоёв, а строение внешнего слоя помогает определить группу и объясняет сходство свойств элементов. Электронная конфигурация показывает, как электроны распределены по уровням и подуровням. Умение читать её позволяет находить элемент и предсказывать его химические особенности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Порядковый номер элемента — число протонов в ядре атома. В нейтральном атоме он равен также числу электронов, потому что положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов. По номеру можно отличить один химический элемент от другого и установить число электронов нейтрального атома.
Период — горизонтальный ряд Периодической системы. Его номер показывает число занятых электронных слоёв — областей вокруг ядра, на которых находятся электроны. Это помогает связать место элемента в таблице с тем, насколько далеко от ядра располагаются его электроны.
Группа и подгруппа указывают на вертикальное положение элемента в Периодической системе. Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем, то есть наиболее удалённом занятом, слое. Поэтому принадлежность к одной главной подгруппе позволяет ожидать сходства в строении внешней оболочки и химических свойствах.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням. Уровни обозначают числами, а подуровни — буквами s, p, d и f; верхний индекс показывает число электронов. Такая запись нужна, чтобы определить занятые уровни, внешний слой и связь строения атома с его положением в системе.
У каждого химического элемента свой заряд ядра, то есть своё число протонов. Именно оно задаёт порядковый номер: атомы с разным числом протонов относятся к разным элементам. В нейтральном атоме число электронов должно уравновешивать заряд ядра, поэтому оно совпадает с порядковым номером; у иона этот баланс нарушен из-за потери или присоединения электронов.
Электронные слои располагаются вокруг ядра, а их номер связан с расстоянием от него и энергией электронов. Если атом имеет занятые уровни с номерами 1, 2 и 3, он находится в третьем периоде. При переходе к следующему периоду начинается заполнение нового уровня: электронная оболочка получает ещё один занятый слой, поэтому номер периода возрастает.
Электроны заполняют подуровни не просто по их номеру, а в порядке возрастания энергии. Например, после 3p заполняется 4s, а затем 3d, поскольку на данном этапе 4s имеет меньшую энергию; поэтому последовательность может перескакивать между уровнями. Вместимость подуровней ограничена: s вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10, f — 14, и эти пределы помогают правильно записать конфигурацию.
Химические реакции во многом связаны с электронами внешнего слоя: именно они участвуют в образовании связей и переходах между атомами. Поэтому элементы главных подгрупп с одинаковым числом внешних электронов часто проявляют сходные свойства. Номер группы для таких элементов связан с этим числом, но при определении положения важно учитывать, что элементы бывают разных типов и в системе используют разные варианты нумерации групп.
Чтобы найти положение элемента по конфигурации, сначала определяют наибольший номер занятого уровня — это период, затем считают электроны внешнего слоя и учитывают тип элемента для определения группы. Чтобы составить конфигурацию по порядковому номеру, берут число электронов нейтрального атома и распределяют их по подуровням в порядке возрастания энергии. Проверка проста: сумма электронов в записи должна совпасть с порядковым номером, а число занятых уровней — с периодом.
В таблице показано, какие сведения о строении атома можно получить из положения элемента и его электронной конфигурации. При работе сначала проверьте порядковый номер, затем найдите занятые уровни и внешний слой. Для группы особенно важно учитывать, что простая связь числа внешних электронов с номером группы относится прежде всего к главным подгруппам.
| Признак | Что показывает | Как определить | Пример для атома хлора |
|---|---|---|---|
| Порядковый номер | Число протонов и электронов в нейтральном атоме | Взять номер клетки элемента | 17 |
| Период | Число занятых электронных слоёв | Найти самый большой номер энергетического уровня в конфигурации | 3 |
| Группа | Положение элемента среди элементов с близким строением внешнего слоя | Определить число электронов внешнего уровня и учесть тип элемента | VII группа, главная подгруппа |
| Электронная конфигурация | Распределение электронов по уровням и подуровням | Заполнить подуровни в порядке возрастания энергии | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ |
| Электроны внешнего уровня | Участие атома в образовании химических связей | Посчитать электроны на наиболее удалённом занятом уровне | 7 |
Задача 1. Для элемента с порядковым номером 11 определить число электронов, период, группу и распределение электронов по энергетическим уровням. Число 11 сразу задаёт состав ядра, а для нейтрального атома — и число электронов. Элемент с таким номером — натрий; распределение по уровням удобно получить, последовательно заполняя оболочки с учётом вместимости.
Ответ: 11 электронов; распределение по уровням — 2, 8, 1; третий период, I группа, главная подгруппа. Сумма электронов 2 + 8 + 1 равна 11, что служит проверкой. Число уровней также совпадает с номером периода.
Задача 2. Для атома с порядковым номером 17 составить электронную конфигурацию и определить его положение в Периодической системе. Сначала устанавливаем число электронов: в нейтральном атоме оно равно 17. Затем размещаем электроны по подуровням в энергетическом порядке, не превышая вместимости каждого подуровня.
Ответ: хлор, порядковый номер 17, третий период, VII группа главной подгруппы. Сумма показателей степеней равна 17, а наибольший номер уровня равен 3. Эти две проверки подтверждают полученное положение.
Задача 3. По конфигурации 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ определить элемент, порядковый номер, период, группу и число валентных электронов. Валентные электроны — электроны внешнего уровня, которые могут участвовать в образовании химических связей. Поэтому сначала найдём общее число электронов, а затем отдельно рассмотрим уровень с наибольшим номером.
Ответ: сера, порядковый номер 16, третий период, VI группа главной подгруппы, 6 валентных электронов. Важно считать электроны внешнего уровня, а не только последний подуровень: здесь нужно сложить 2 и 4. Общее число электронов в конфигурации проверяет порядковый номер.
Номер периода иногда принимают за число электронов внешнего слоя. Ошибка возникает потому, что оба признака описывают электронную оболочку, но отвечают на разные вопросы: период показывает число занятых уровней, а внешние электроны считают только на самом большом занятом уровне. Проверьте себя по конфигурации: для периода найдите наибольшую цифру, а для внешнего слоя — все электроны с этой цифрой.
Номер группы иногда считают общим числом электронов атома. Это неверно: общее число электронов нейтрального атома задаётся порядковым номером, а связь группы с внешними электронами используется прежде всего для главных подгрупп. Чтобы не перепутать, отдельно сложите все показатели степеней конфигурации и отдельно посчитайте электроны внешнего уровня.
Подуровни могут заполнять по порядку цифр или по расположению элементов в таблице, забывая о порядке энергий. Так легко пропустить, например, заполнение 4s перед 3d. Проверка: сверяйте конфигурацию с последовательностью возрастания энергии, а не просто переходите от уровня к уровню.
Порядковый номер приравнивают к числу электронов и у иона. Это верно только для нейтрального атома: при образовании иона число протонов в ядре остаётся прежним, а число электронов меняется. Перед подсчётом проверьте, указан ли заряд частицы; если он есть, учтите потерю или присоединение электронов.
Чтобы разбираться в электронных конфигурациях, нужно знать состав атома, строение ядра, а также понятия уровня и подуровня. Понимание связи между конфигурацией и положением элемента помогает объяснять периодическое изменение свойств, валентность, типы химической связи и составлять формулы веществ. Позже сведения о внешних электронах понадобятся при изучении образования ионов и окислительно-восстановительных реакций, где атомы передают или присоединяют электроны.
Почему порядковый номер элемента совпадает с числом электронов только у нейтрального атома?
Порядковый номер равен числу протонов в ядре и не меняется при образовании иона. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов, а при потере или присоединении электронов их число становится другим.
Как быстро определить период элемента по его электронной конфигурации?
Найдите наибольший номер энергетического уровня в конфигурации. Он показывает, сколько уровней занято, и равен номеру периода.
Почему электроны сначала заполняют 4s-подуровень, а затем 3d-подуровень?
В нейтральных атомах на этом этапе энергия 4s-подуровня ниже энергии 3d-подуровня. Поэтому электроны сначала занимают доступные состояния с меньшей энергией, хотя уровень 4 имеет больший номер.
Можно ли по числу электронов на внешнем уровне всегда точно определить номер группы?
Нет. Для элементов главных подгрупп число внешних электронов обычно связано с номером группы, но необходимо учитывать принятую нумерацию и тип элемента. У переходных элементов электроны, важные для свойств, могут находиться и на предвнешнем уровне.
Как определить элемент, если дана только его электронная конфигурация?
Сложите числа электронов, указанные в конфигурации: для нейтрального атома сумма равна порядковому номеру. По этому номеру найдите элемент в Периодической системе, а наибольший номер уровня и строение внешнего слоя помогут определить его положение.
Положение элемента в Периодической системе и стоение электронной оболочки атома
