§ 29. Строение электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Атомная оболочка — совокупность электронов атома. Электроны находятся вокруг ядра, а ядро вместе с ними образует атом. Это понятие помогает описывать не только центральную часть атома, но и распределение его электронов.

Энергетический уровень — область оболочки, где находятся электроны с близкой энергией. Уровни расположены на разных расстояниях от ядра: ближайшие к нему электроны имеют меньшую энергию, чем электроны более удалённых уровней. Такое представление помогает понять, почему электроны занимают не любые места.

Электронный слой — принятая в школьной модели схема размещения электронов по энергетическим уровням. Распределение записывают числами, например 2, 8, 1: каждое число показывает количество электронов на очередном уровне, начиная с ближайшего к ядру. Такая запись позволяет быстро увидеть строение оболочки.

Внешний энергетический уровень — самый удалённый от ядра занятый уровень. Электроны этого уровня участвуют во взаимодействиях атома с другими атомами. Поэтому их число помогает объяснять химические свойства элемента и сравнивать элементы между собой.

Как это устроено

Электроны распределяются по энергетическим уровням, а не располагаются произвольно. Причина в том, что энергия электронов связана с их положением относительно ядра: у близких и далёких электронов она различается. Уровни дают удобную школьную модель такого распределения и позволяют описать электронную оболочку числами.

Заполнение начинают с уровня, ближайшего к ядру. Электроны с меньшей энергией занимают доступные места раньше, а следующий уровень начинает заполняться после предыдущего в пределах принятой модели. Поэтому при составлении схемы нельзя сразу помещать электроны на удалённые уровни, оставляя незаполненным первый.

В школьных схемах на первом уровне размещают не более двух электронов, на втором — не более восьми. Эти ограничения показывают, сколько электронов учитывают на каждом уровне при решении задач этого курса. Если в атоме электронов больше, их последовательно размещают на следующих уровнях.

Для первых 20 элементов третий уровень в школьной модели заполняют максимум до восьми электронов, прежде чем начинают заполнять четвёртый. Это правило важно для калия и кальция: после распределения 2, 8, 8 следующий электрон калия оказывается на четвёртом уровне, а у кальция там находятся два электрона. Поэтому их схемы — 2, 8, 8, 1 и 2, 8, 8, 2.

Строение оболочки связано с положением элемента в периодической таблице. У элементов главных подгрупп число занятых уровней соответствует номеру периода: более высокий период означает больше занятых уровней. Число электронов на внешнем уровне помогает объяснить сходство свойств элементов одной главной подгруппы, потому что именно эти электроны участвуют во взаимодействиях атомов.

Размещение электронов по уровням у первых 20 элементов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите общее число электронов атома, а затем распределяйте их по уровням слева направо. Пример в последнем столбце показывает запись по порядку уровней, от ближайшего к ядру к наиболее удалённому занятому.

Разбор задач

Задача 1. Определить распределение электронов по уровням в атоме кислорода (Z = 8). У кислорода восемь электронов, потому что атом нейтральный, а его порядковый номер равен 8. Сначала заполняем ближайший уровень, затем размещаем оставшиеся электроны на втором уровне.

1. Первый уровень вмещает не более двух электронов, поэтому записываем 2.
2. Из восьми электронов осталось 8 − 2 = 6.
3. Шесть оставшихся электронов помещаем на второй уровень.

Ответ: распределение кислорода — 2, 6; заняты два уровня. Такое решение показывает не только итоговую запись, но и почему электроны распределились именно так.

Задача 2. Записать распределение электронов в атоме хлора (Z = 17) и назвать число электронов на внешнем уровне. Сначала определяем, что нейтральный атом хлора содержит 17 электронов. После заполнения первых уровней отдельно отмечаем электроны на последнем занятом уровне.

1. На первый уровень помещаем 2 электрона; остаётся 17 − 2 = 15.
2. На второй уровень помещаем 8; остаётся 15 − 8 = 7.
3. Семь оставшихся электронов размещаем на третьем уровне и выделяем его как внешний.

Ответ: схема хлора — 2, 8, 7; на внешнем уровне 7 электронов. Число внешних электронов — это последнее число в записи, а не сумма всех чисел.

Задача 3. Составить распределения электронов для калия (Z = 19) и кальция (Z = 20), затем сравнить число занятых уровней и внешних электронов. У калия и кальция после заполнения первых трёх уровней по школьной модели остаётся один или два электрона. Их размещают на четвёртом уровне, а не добавляют к восьми электронам третьего.

1. У калия 19 электронов: после распределения 2, 8, 8 остаётся 1, поэтому схема — 2, 8, 8, 1.
2. У кальция 20 электронов: после распределения 2, 8, 8 остаётся 2, поэтому схема — 2, 8, 8, 2.
3. В обеих схемах заняты четыре уровня; на внешнем уровне у калия один электрон, у кальция — два.

Ответ: калий — 2, 8, 8, 1, кальций — 2, 8, 8, 2. У обоих атомов четыре занятых уровня, но число электронов на внешнем уровне различается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать число электронов тем же понятием, что и число протонов. Их числа действительно равны в нейтральном атоме, но протоны находятся в ядре, а электроны образуют оболочку. Проверка: отдельно назовите частицу и используйте порядковый номер Z, чтобы определить число протонов, а для нейтрального атома — также электронов.

Ошибка: распределять электроны по уровням в любом порядке. Так можно получить схему с незаполненным ближайшим уровнем, хотя электроны должны сначала занять доступные места на нём. Проверка: проследите запись слева направо и убедитесь, что каждый следующий уровень начинается после размещения электронов на предыдущем.

Ошибка: считать, что у калия третий уровень обязательно заполнен до 18 электронов. В школьной модели для первых 20 элементов используют схемы калия 2, 8, 8, 1 и кальция 2, 8, 8, 2, переходя к четвёртому уровню после восьми электронов на третьем. Проверка: сверяйте схему с правилом, применяемым в этой теме.

Ошибка: называя число электронов внешнего уровня, складывать электроны всех уровней. Такое число показывает только электроны самого удалённого занятого уровня. Проверка: найдите последнее число в записи распределения — например, у хлора 2, 8, 7 на внешнем уровне 7 электронов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать состав атома, заряд ядра и связь порядкового номера с числом протонов; в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Распределение электронов по уровням помогает объяснить периодичность свойств элементов и устройство периодической таблицы. Позже число внешних электронов пригодится при изучении валентности и образования химических связей, когда атомы взаимодействуют друг с другом.

Что запомнить

• Электроны атома распределены по энергетическим уровням.
• Уровни заполняются начиная с ближайшего к ядру.
• На первом уровне размещается не более двух электронов, на втором — не более восьми.
• Для первых 20 элементов используют школьные схемы распределения электронов по уровням.
• Число занятых уровней соответствует номеру периода.
• Электроны внешнего уровня важны для объяснения химических свойств элемента.