§ 30. Классификация химических элементов на основе электронных оболочек атомов

Определения и обозначения

Электронная оболочка — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням. Проще говоря, это всё электронное окружение ядра, а не отдельный слой или один электрон. Понимание строения оболочки нужно, чтобы объяснять место элемента в периодической системе и особенности его поведения в реакциях.

Энергетический уровень — слой электронной оболочки, на котором находятся электроны с близким запасом энергии. Уровни можно представить как расположенные вокруг ядра области, причём чем дальше уровень от ядра, тем обычно выше энергия электронов. Считая занятые уровни, определяют период, в котором находится элемент.

Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, определяющие химические свойства элемента. Именно они чаще всего участвуют во взаимодействии атомов и могут переходить от одного атома к другому. Их количество помогает сравнивать элементы и находить группу для элементов главных подгрупп.

Электронная формула — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням. Например, запись 2,8,1 означает, что на первом уровне два электрона, на втором восемь, на третьем один. По такой записи удобно увидеть и число занятых уровней, и число электронов на внешнем уровне.

Как это устроено

Число занятых энергетических уровней определяет номер периода, потому что периодическая таблица отражает последовательное заполнение электронных оболочек. Когда у атомов очередного ряда появляется новый занятый уровень, начинается новый период. Поэтому у атома с распределением 2,8,1 три занятых уровня и третий период, хотя всего электронов в нём одиннадцать.

Электроны распределяются по уровням не случайно: сначала занимают уровни с меньшей энергией, расположенные ближе к ядру, а затем более удалённые. На первом уровне может находиться не более двух электронов, потому что он включает только одну область, в которой могут разместиться два электрона с разными спинами. Поэтому распределение начинают с двух электронов на первом уровне, а оставшиеся размещают дальше, учитывая вместимость уровней.

Элементы с одинаковым числом валентных электронов часто имеют сходные химические свойства, потому что именно внешние электроны участвуют в образовании связей и ионов. Атомы с похожим внешним уровнем сходным образом взаимодействуют с другими атомами. Поэтому элементы главных подгрупп с одинаковым числом валентных электронов объединяют в группы, хотя общее число электронов у них может различаться.

По электронной формуле положение элемента находят в два шага: считают уровни и смотрят на последний уровень. Число занятых уровней показывает период, а число электронов на внешнем уровне для элементов главных подгрупп связано с номером группы. Например, 2,8,6 означает три уровня и шесть внешних электронов: это третий период и VI группа в принятой здесь нумерации главных подгрупп.

Завершённый внешний энергетический уровень устойчив, потому что атомам обычно невыгодно менять такую электронную оболочку. Многие атомы при взаимодействиях стремятся получить похожее устойчивое строение: отдают или принимают электроны. У благородных газов внешний уровень уже завершён — например, оболочки с распределениями 2,8 и 2,8,8, — поэтому они обычно малоактивны и редко образуют соединения.

Связь строения электронной оболочки с положением и свойствами элемента

В таблице собраны признаки, по которым электронная формула помогает определить положение и некоторые свойства элемента. Сначала сосчитайте уровни, затем найдите электроны на внешнем уровне и оцените, завершён ли он. Примеры показывают, как применять каждый признак; для металлов и неметаллов указаны общие тенденции, а не безусловное правило.

Разбор задач

Задача 1. Для атома с распределением электронов по уровням 2,8,1 определить номер периода и число валентных электронов. Сначала важно не складывать числа, а понять, что каждое число относится к отдельному уровню. Последнее число показывает электроны на внешнем уровне.

1. Сосчитаем числа в формуле: их три, значит, заняты три энергетических уровня.
2. Три занятых уровня соответствуют третьему периоду.
3. На внешнем, третьем уровне находится один электрон, поэтому валентный электрон один.

Ответ: третий период, один валентный электрон. Такое распределение характерно для атома натрия; небольшое число электронов на внешнем уровне помогает понять, почему он склонен отдавать электрон.

Задача 2. Сравнить атомы с электронными формулами 2,8,2 и 2,8,6 и определить группы элементов. Обе записи содержат три числа, поэтому у атомов одинаковое число занятых уровней. Для группы главной подгруппы решающим будет не это число, а количество электронов на внешнем уровне.

1. В формуле 2,8,2 на внешнем уровне два электрона; это соответствует II группе главной подгруппы.
2. В формуле 2,8,6 на внешнем уровне шесть электронов; это соответствует VI группе главной подгруппы.
3. У обоих атомов три занятых уровня, значит, оба элемента находятся в третьем периоде, но относятся к разным группам.

Ответ: 2,8,2 — элемент II группы, а 2,8,6 — элемент VI группы. Разница во внешних электронах объясняет, почему их химическое поведение не одинаково, даже если число уровней совпадает.

Задача 3. По формуле 2,8,7 определить положение элемента, его принадлежность к металлам или неметаллам и способность изменять число электронов при образовании иона. Здесь нужно использовать формулу последовательно: сначала уровни, затем внешний уровень и его заполнение. Так мы не смешаем период с группой и общим числом электронов.

1. В записи три уровня с электронами, следовательно, элемент находится в третьем периоде.
2. На внешнем уровне семь электронов; для главной подгруппы это VII группа.
3. Семь электронов близки к завершённому внешнему уровню, которому не хватает одного электрона. Такой элемент — неметалл; при образовании иона атом может принять один электрон и получить заряд 1−.

Ответ: третий период, VII группа, неметалл; при образовании иона может принять один электрон. Это вероятное направление изменения числа электронов, а не утверждение, что в любых условиях атом обязательно образует именно такой ион.

Типичные ошибки

Номер периода иногда принимают равным общему числу электронов в атоме. Так происходит, если забыть, что запись электронной формулы перечисляет уровни, а не отдельные периоды по числу электронов. Проверьте себя: пересчитайте числа в записи, например в 2,8,1 их три, значит, речь идёт о третьем периоде.

При определении группы можно по ошибке сложить все электроны атома. Это путает общее строение атома с внешним уровнем, который важен для классификации элементов главных подгрупп. Найдите последнее число электронной формулы: именно оно показывает валентные электроны, например в 2,8,7 их семь.

Энергетический уровень иногда принимают за валентные электроны, хотя это разные понятия. Уровень — слой оболочки, а валентные электроны — частицы, находящиеся на самом внешнем слое. Чтобы проверить себя, спросите: «Сколько уровней занято?» — для периода, «Сколько электронов на последнем?» — для числа валентных электронов.

Ещё одна ошибка — считать, что элементы одной группы имеют одинаковое число электронов вообще. Общее число электронов у атомов разных элементов различается, а сходство их химических свойств связано прежде всего с похожим внешним уровнем. Сравните не суммы, а последние числа формул: совпадающее число валентных электронов объясняет сходство, но не означает полного совпадения свойств.

Связь с другими темами

Для работы с электронными формулами нужно знать строение атома, состав атомного ядра, заряд ядра и понятие электронной оболочки. Эти знания позволяют связать число электронов с устройством атома и его положением в периодической системе. Тема помогает понять периодический закон и изменение металлических и неметаллических свойств элементов.

Дальше строение внешней оболочки пригодится при изучении валентности и химической связи. Оно помогает объяснять образование ионов и то, как атомы взаимодействуют друг с другом. Эти представления также используют при составлении формул веществ.

Что запомнить

• Электроны атома распределяются по энергетическим уровням.
• Число занятых энергетических уровней равно номеру периода.
• Электроны внешнего уровня называют валентными.
• Для элементов главных подгрупп число валентных электронов связано с номером группы.
• Сходное строение внешнего уровня объясняет сходство химических свойств элементов.
• Атомы стремятся приобрести устойчивую завершённую внешнюю оболочку.
• По электронной формуле можно определить положение элемента и предположить его химические свойства.