§ 40. Электронные уровни и номер периода в Периодической системе элементов

Определения и обозначения

Электронный уровень — область вокруг ядра, на которой находятся электроны с близкой энергией. Уровни нумеруют от ядра: ближайший к нему — первый, следующий — второй и так далее. Такая нумерация помогает описать, как электроны расположены в атоме. По ней можно связать строение атома с его местом в Периодической системе.

Заполнение электронных уровней — распределение электронов атома по уровням. У нейтрального атома число электронов на всех уровнях в сумме равно заряду ядра, то есть числу протонов. Это число совпадает с порядковым номером элемента. Зная его, можно проверить, все ли электроны учтены в схеме.

Номер периода — номер строки элемента в Периодической системе. Он связан с числом занятых электронных уровней: у атомов элементов одного периода занято одинаковое число уровней. Поэтому по периоду можно определить, сколько уровней нужно указать в электронной схеме. А по готовой схеме, наоборот, можно найти период.

Электронная схема атома — краткая запись распределения электронов по уровням. Числа в ней показывают количество электронов на каждом уровне, а не перечисляют их по одному. Например, запись 2, 8, 1 означает, что на первом уровне находятся два электрона, на втором — восемь, на третьем — один. Сумма чисел должна совпадать с порядковым номером нейтрального атома.

Как это устроено

Чтобы составить схему, сначала нужно узнать число электронов. В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента, потому что положительный заряд протонов ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов. Например, у лития с порядковым номером 3 есть три электрона. Если записать в схеме другое общее число, значит, либо неверно прочитан порядковый номер, либо допущена ошибка при распределении.

Электроны распределяют по уровням, начиная с ближайшего к ядру. На первом уровне могут находиться не более двух электронов, поэтому у лития два электрона занимают первый уровень, а оставшийся — второй: схема 2, 1. У натрия 11 электронов: два располагаются на первом уровне, восемь — на втором, а один — на третьем, получается схема 2, 8, 1. Такой порядок показывает не положение электронов по отдельности, а их количество на уровнях.

При движении по элементам одного периода порядковый номер увеличивается, а значит, в нейтральном атоме становится на один электрон больше. Электроны добавляются на уже занятый уровень, пока он заполняется. Когда начинается следующий период, у атомов появляется новый, более удалённый от ядра уровень. Поэтому переход к новой строке таблицы связан с увеличением числа занятых уровней.

У элементов, стоящих в одной строке Периодической системы, занято одинаковое число уровней. Это связано с тем, что строка соответствует заполнению одного и того же внешнего для этих атомов уровня. Например, у натрия и хлора из третьего периода схемы 2, 8, 1 и 2, 8, 7: у обоих заняты три уровня. Следовательно, номер периода показывает общее число занятых уровней, а не число электронов на внешнем уровне.

Сопоставляя порядковый номер, схему и период, можно проверять выводы сразу несколькими способами. У кальция порядковый номер 20, поэтому в нейтральном атоме 20 электронов; схема 2, 8, 8, 2 содержит в сумме 20 электронов и включает четыре уровня. Значит, атом кальция относится к четвёртому периоду. Если сумма чисел в схеме не совпала с порядковым номером или количество уровней не совпало с периодом, решение нужно проверить.

Связь номера периода с электронными уровнями

В таблице порядковый номер показывает число электронов нейтрального атома, а электронная схема — как эти электроны распределены. Число занятых уровней совпадает с номером периода. Сравнивайте схему с периодом, чтобы проверить, верно ли определено положение элемента.

Разбор задач

Задача 1

У атома кислорода порядковый номер 8. Составьте электронную схему и определите число занятых уровней и номер периода. Поскольку речь идёт об атоме, а не о заряженной частице, считаем его нейтральным. Значит, в нём восемь электронов, которые нужно распределить по уровням.

1. Запишите число электронов: оно равно порядковому номеру, то есть 8. На первом уровне размещаются два электрона, поэтому остаётся шесть.
2. Оставшиеся шесть электронов находятся на втором уровне. Получаем схему 2, 6; в ней два числа, значит, заняты два уровня.
3. Число занятых уровней равно номеру периода. Следовательно, кислород находится во втором периоде.

Ответ: электронная схема кислорода — 2, 6; заняты два уровня; номер периода — 2. Проверка: сумма электронов в схеме равна 2 + 6 = 8, как и порядковый номер. Количество уровней согласуется со вторым периодом.

Задача 2

Электронная схема атома элемента — 2, 8, 3. Определите число электронов, порядковый номер элемента и номер периода. Сначала нужно выяснить, сколько электронов распределено по уровням в сумме. Затем используйте, что у нейтрального атома это число совпадает с порядковым номером.

1. Сложите числа в схеме: 2 + 8 + 3 = 13. Значит, в атоме 13 электронов.
2. Для нейтрального атома порядковый номер равен числу электронов. Следовательно, порядковый номер элемента — 13.
3. В схеме записаны три числа, то есть заняты три уровня. Поэтому номер периода — 3.

Ответ: 13 электронов, порядковый номер 13, третий период. Здесь важно не принимать последнее число в схеме за номер периода: оно показывает число электронов только на третьем уровне. Период определяют по общему количеству занятых уровней.

Задача 3

Элемент находится в третьем периоде и имеет порядковый номер 17. Составьте электронную схему и объясните, почему элемент относится к третьему периоду. Нейтральный атом содержит 17 электронов, так как порядковый номер равен числу электронов. При распределении начинаем с уровня, который находится ближе всего к ядру.

1. На первом уровне размещаются два электрона. Из 17 остаётся 15, которые нужно распределить дальше.
2. На втором уровне размещаются восемь электронов. Остаётся 7 электронов, их записываем на третьем уровне.
3. Схема получается такой: 2, 8, 7. В ней три занятых уровня, поэтому элемент находится в третьем периоде.

Ответ: электронная схема — 2, 8, 7; заняты три уровня; номер периода — 3. Проверка по порядковому номеру: 2 + 8 + 7 = 17. Проверка по периоду: в схеме три уровня, что соответствует третьему периоду.

Типичные ошибки

Номер периода иногда принимают за число электронов на внешнем уровне. Эти величины отвечают на разные вопросы: период показывает число занятых уровней, а последнее число в схеме — количество электронов на внешнем. Ошибку допускают, смешивая номер строки с данными о внешнем уровне. Проверка: посчитайте числа в схеме — их количество должно равняться номеру периода.

При составлении схемы можно забыть, что у нейтрального атома электронов столько же, сколько порядковый номер. Тогда распределение будет рассчитано не для того числа электронов. Такое случается, если начинают делить электроны по уровням, не сверившись с таблицей. Проверка: сложите числа схемы и сравните сумму с порядковым номером.

Уровни иногда считают от внешнего к внутреннему, хотя нумерация начинается от ядра. Из-за этого электронам назначают неправильные номера уровней и неверно записывают схему. Ошибку предотвращает простой порядок: сначала рассматривайте ближайший к ядру уровень, затем следующий. Проверка: первый уровень в описании всегда тот, который ближе всего к ядру.

Электронную схему могут читать как перечень электронов по одному. Например, запись 2, 8, 1 ошибочно понимают как отдельные номера электронов, а не как их количество на каждом уровне. Скобки и пояснение не обязательны: важно читать числа по позициям уровней. Проверка: сложите значения схемы — полученная сумма даёт общее число электронов атома.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать строение атома: в ядре находятся протоны, а вокруг него — электроны. Порядковый номер элемента связан с зарядом ядра и в нейтральном атоме задаёт число электронов. Также нужно уметь читать Периодическую систему: её строки называют периодами, а элементы в ней расположены по возрастанию порядкового номера.

Позже сведения о внешнем уровне помогут объяснить, почему элементы обладают разными свойствами и как образуется химическая связь. Число электронов на внешнем уровне не следует путать с номером периода: период сообщает число занятых уровней. Умение различать эти показатели пригодится при изучении групп и закономерностей изменения свойств элементов.

Что запомнить

• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• Электронные уровни нумеруют от ядра.
• Электронная схема показывает распределение электронов по уровням.
• Номер периода равен числу занятых электронных уровней атома.
• У элементов одного периода одинаковое число занятых уровней.
• При переходе к следующему периоду у атомов появляется ещё один занятый уровень.