Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.
Одну из первых моделей строения атома — «пудинговую модель » — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве. Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная. Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.
И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.
Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.
Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.
Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.
При этом электроны двигаются не по определенной орбите, как предполагал Резерфорд, а довольно хаотично. Совокупность электронов, которые двигаются вокруг ядра, называется электронной оболочкой .
А томное ядро , как доказал Резерфорд — массивное и положительно заряженное, расположено в центральной части атома. Структура ядра довольно сложна, и изучается в ядерной физике. Основные частицы, из которых оно состоит — протоны и нейтроны . Они связаны ядерными силами (сильное взаимодействие ).
Рассмотрим основные характеристики протонов , нейтронов и электронов :
| Протон | Нейтрон | Электрон | |
| Масса | 1,00728 а.е.м. | 1,00867 а.е.м. | 1/1960 а.е.м. |
| Заряд | + 1 элементарный заряд | 0 | — 1 элементарный заряд |
1 а.е.м. (атомная единица массы) = 1,66054·10 -27 кг
1 элементарный заряд = 1,60219·10 -19 Кл
И — самое главное. Периодическая система химических элементов, структурированная Дмитрием Ивановичем Менделеевым, подчиняется простой и понятной логике: номер атома — это число протонов в ядре этого атома . Причем ни о каких протонах Дмитрий Иванович в XIX веке не слышал. Тем гениальнее его открытие и способности, и научное чутье, которое позволило перешагнуть на полтора столетия вперёд в науке.
Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов , т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов.
Атом — это на заряженная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: N e = N p = Z .
Масса атома (массовое число A ) равна суммарной массе крупных частиц, которе входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нетрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу: M = N p + N n
Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.
Обратите внимание! При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5.
В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.
Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:
- У изотопов одного элемента массовое число одинаковое или разное?
- У изотопов одно элемента число протонов одинаковое или разное?
Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.
Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:
Еще немного вопросов:
3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.
4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.
Строение электронной оболочки
Согласно квантовой модели строение атома Нильса Бора, электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным ) орбитам , удаленным от ядра на определенное расстояние и характеризующиеся определенной энергией. Другое название стационарны орбит — электронные слои или энергетические уровни .
Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n .
В одном слое электроны могут двигаться по разным траекториям. Траекторию орбиты характеризует электронный подуровень . Тип подуровни характеризует орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, 3 …, либо соответствующие буквы — s, p, d, g и др.
В рамках одного подуровня (электронных орбиталей одного типа) возможны варианты расположения орбиталей в пространстве. Чем сложнее геометрия орбиталей данного подуровня, тем больше вариантов их расположения в пространстве. Общее число орбиталей подуровня данного типа l можно определить по формуле: 2l +1 . На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.
| Тип орбитали | s | p | d | f | g |
| Значение орбитального квантового числа l | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Число атомных орбиталей данного типа 2l +1 | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
| Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 |
Получаем сводную таблицу:
|
Номер уровня , n |
Подуро-вень | Число | Максимальное количество электронов |
| 1 | 1s | 1 | 2 |
| 2 | 2s | 1 | 2 |
| 2p | 3 | 6 | |
| 3s | 1 | 2 | |
| 3p | 3 | 6 | |
| 3d | 5 | 10 | |
| 4s | 1 | 2 | |
| 4p | 3 | 6 | |
| 4d | 5 | 10 | |
| 4f | 7 |
Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.
Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).
Правило Хунда . На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону . Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.
Таким образом, сумма спиновых квантовых чисел таких электронов на одном энергетическом подуровне (оболочке) будет максимальной .
Например , заполнение 2р-орбитали тремя электронами будет происходить так: , а не так:
Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l . Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n .
| АО | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d | 4s | 4p | 4d | 4f | 5s | 5p | 5d | 5f | 5 g |
| n | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| l | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| n + l | 1 | 2 | 3 | 3 | 4 | 5 | 4 | 5 | 6 | 7 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:
1 s < 2 s < 2 p < 3 s < 3 p < 4 s < 3 d < 4 p < 5 s < 4 d < 5 p < 6 s < 4 f ~ 5 d < 6 p < 7 s <5 f ~ 6 d …
Электронную структуру атома можно представлять в разных формах — энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.
Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.
Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:
Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s 2 означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.
Например , электронная формула углерода выглядит так: 1s 2 2s 2 2p 2 .
Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую электронную конфигурацию.
Например , электронную формулу азота можно записать так: 1s 2 2s 2 2p 3 или так: 2s 2 2p 3 .
1s 2 =
1s 2 2s 2 2p 6 =
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 = и так далее.
Электронные формулы элементов первых четырех периодов
Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:
+1H 1s 1 1s
У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:
+2He 1s 2 1s
Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:
+3Li 1s 2 2s 1 1s 2s
У бериллия 2s-подуровень заполнен:
+4Be 1s 2 2s 2 1s 2s
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p
У следующего элемента, углерода , очередной электрон, согласно правилу Хунда, заполняет вакантную орбиталь, а не подселяется в частично занятую:
+6C 1s
2
2s 2 2p 2
1s 2s 2p 
Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя по ответам конце статьи:
5. Азот
6. Кислород
7. Фтор
У неона завершено заполнение второго энергетического уровня:
+10Ne 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2s 2p
У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2s 2p 3s
От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предалагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.
8. Магний
9. Алюминий
10. Кремний
11. Фосфор
12. Сера
13. Хлор
14. Аргон
А вот начиная с 19-го элемента, калия , иногда начинается путаница — заполняется не 3d-орбиталь, а 4s . Ранее мы упоминали в этой статье, что заполнение энергетических уровней и подуровней электронами происходит по энергетическому ряду орбиталей , а не по порядку. Рекомендую повторить его еще раз. Таким образом, формула калия :
+19K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 1s 2s 2p3s 3p4s
Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:
+19K 4s 1 4s
У кальция 4s-подуровень заполнен:
+20Ca 4s 2 4s
У элемента 21, скандия , согласно энергетическому ряду орбиталей, начинается заполнение 3d -подуровня:
+21Sc 3d 1
4s 2
4s 3d 
Дальнейшее заполнение 3d -подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия :
+22Ti 3d 2
4s 2
4s 3d 
+23V 3d 3
4s 2
4s 3d 
Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:
+24Cr 3d 5
4s 1
4s 3d 
В чём же дело? А дело в том, что при «традиционном» порядке заполнения орбиталей (соответственно, неверном в данном случае — 3d 4 4s 2 ) ровно одна ячейка в d -подуровне оставалась бы незаполненной. Оказалось, что такое заполнение энергетически менее выгодно . А более выгодно , когда d -орбиталь заполнена полностью, хотя бы единичными электронами. Этот лишний электрон переходит с 4s -подуровня. И небольшие затраты энергии на перескок электрона с 4s -подуровня с лихвой покрывает энергетический эффект от заполнения всех 3d- орбителей. Этот эффект таки называется — провал или проскок электрона . И наблюдается он, когда d -орбиталь недозаполнена на 1 электрон (по одному электрону в ячейке или по два).
У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца :
+25Mn 3d 5 4s 2
Аналогично у кобальта и никеля . А вот у меди мы снова наблюдаем провал (проскок) электрона — электрон опять проскакивает с 4s -подуровня на 3d- подуровень :
+29Cu 3d 10 4s 1
На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:
+30Zn 3d 10 4s 2
У следующих элементов, от галлия до криптона , происходит заполнение 4p-подуровня по квантовым правилам. Например, электронная формула галлия :
+31Ga 3d 10 4s 2 4p 1
Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно и проверить себя в Интернете.
Некоторые важные понятия:
Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны. Например , у меди (3d 10 4s 1 ) внешний энергетический уровень — четвёртый.
Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвоват ьв образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr 3d 5 4s 1 ) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s 1 ), но и неспаренные электроны на 3d -подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.
Основное и возбужденнео состояние атома
Электронные формулы, которые мы составляли до этого, соответствуют основному энергетическому состоянию атома . Это наиболее выгодное энергетически состояние атома.
Однако, чтобы образовывать , атому в большинстве ситуаций необходимо наличие неспаренных (одиночных) электронов . А химические связиь энергетически очень для атома выгодны. Следовательно, чем больше в атоме неспаренных электронов — тем больше связей он может образовать, и, как следствие, перейдёт в более выгодное энергетическое состояние.
Поэтому при наличии свободных энергетических орбиталей на данном уровне спаренные пары электронов могут распариваться , и один из электронов спаренной пары может переходить на вакантную орбиталь. Таким образом число неспаренных электронов увеличивается , и атом может образовать больше химических связей , что очень выгодно с точки зрения энергии. Такое состояние атома называют возбуждённым и обозначают звёздочкой.
Например, в основном состоянии бор имеет следующую конфигурацию энергетического уровня:
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p
На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):
+5B* 1s
2
2s 1 2p 2
1s 2s 2p
Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!
15. Углерода
16. Бериллия
17. Кислорода
Электронные формулы ионов
Атомы могут отдавать и принимать электроны. Отдавая или принимая электроны, они превращаются в ионы .
Ионы — это заряженные частицы. Избыточный заряд обозначается индексом в правом верхнем углу.
Если атом отдаёт электроны, то общий заряд образовавшейся частицы будет положительный (вспомним, что число протонов в атоме равно числу электронов, а при отдаче электронов число протонов будет больше числа электронов). Положительно заряженные ионы — это катионы . Например : катион натрия образуется так:
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 -1е = +11Na + 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0
Если атом принимает электроны, то приобретает отрицательный заряд . Отрицательно заряженные частицы — это анионы . Например , анион хлора обраузется так:
+17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 +1e = +17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
Таким образом, электронные формулы ионов можно получить добавив или отняв электроны у атома . Обратите внимание , при образовании катионов электроны уходят с внешнего энергетического уровня . При образовании анионов электроны приходят на внешний энергетический уровень .
В 1803 году открыл «Закон кратных отношений». Эта теория гласит, что если конкретный химический элемент может образовывать соединения с другими элементами, то на каждую его часть массы будет приходиться часть массы другого вещества, а отношения между ними будут такими же, как между небольшими целыми числами. Это была первая попытка объяснить сложное В 1808 году этот же ученый, стремясь объяснить открытый им закон, предположил, что в разных элементах атомы могут иметь разные массы.
Первая модель атома была создана в 1904 году. Электронное в этой модели ученые назвали «пудинг с изюмом». Считалось, что атом - это тело с положительным зарядом, в котором равномерно перемешаны его составляющие. Такая теория не могла ответить на вопрос о том, находятся ли составляющие атома в движении или в покое. Поэтому почти одновременно с теорией «пудинга» японец Нагаока предложил теорию, в которой строение электронной оболочки атома уподоблял солнечной системе. Однако, ссылаясь на то, что при вращении вокруг атома его составляющие должны терять энергию, а это не соответствует законам электродинамики, Вин отверг планетарную теорию.
К началу ХХ века была окончательно принята планетарная теория. Стало ясно, что каждый электрон, двигаясь по орбите ядра как планета вокруг Солнца, имеет собственную траекторию.
Но дальнейшие эксперименты и исследования опровергли такое мнение. Выяснилось, что собственной траектории электроны не имеют, однако, можно предсказать область, в которой эта частица оказывается чаще всего. Вращаясь вокруг ядра, электроны образуют орбиталь, которую назвали электронной оболочкой. Теперь предстояло исследовать строение электронных оболочек атомов. Физиков заинтересовали вопросы: как именно движутся электроны? Есть ли в этом движении упорядоченность? Может быть, движение хаотично?
Прародитель атомной и целый ряд таких же крупных ученых доказали: электроны вращаются оболочками-слоями, а их движение отвечает определенным законам. Предстояло плотно и подробно изучить строение электронных оболочек атомов.
Особенно важно знать это строение для химии, потому что свойства вещества, это уже было ясно, зависят от устройства и поведения электронов. С этой точки зрения поведение электрона-орбитали - важнейшая характеристика этой частицы. Было установлено, что чем ближе к ядру атома располагаются электроны, тем больше усилий нужно приложить, чтобы разорвать связь электрон-ядро. Электроны, расположенные рядом с ядром, имеют с ним максимальную связь, но минимальный запас энергии. У внешних электронов, напротив, связь с ядром ослабляется, а запас энергии возрастает. Таким образом, вокруг атома образуются электронные слои. Строение электронных оболочек атомов стало понятнее. Выяснилось, что энергетические уровни (слои) образуют близкие по запасу энергии частицы.
Сегодня известно, что энергетический уровень зависит от n (это и соответствует целым числам от 1 до 7. Строение электронных оболочек атомов и наибольшее количество электронов на каждом уровне определяется формулой N = 2n2.
Большая буква в этой формуле обозначает самое большое количество электронов в каждом уровне, а маленькая - порядковый номер этого уровня.
Строение электронной оболочки атомов устанавливает, что в первой оболочке может быть не более двух атомов, а в четвертой - не более 32. Внешний, завершенный уровень содержит не больше 8 электронов. Слои, где электронов меньше, считаются незавершенными.
Число электронов в каждой электронной оболочке не может превышать определенного максимального значения.
Порядок заполнения электронных оболочек (орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n ) определяется правилом Клечковского , порядок заполнения электронами орбиталей в пределах одного подуровня (орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа n и орбитального квантового числа l ) определяется Правилом Хунда .
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
✪ Химия. Строение атома: Строение электронных оболочек. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»
✪ Тема 4. Строение электронных оболочек атомов
✪ электронные оболочки АТОМОВ - химия 8 класс
Субтитры
Оболочки
Электронные оболочки обозначаются буквами K, L, M, N, O, P, Q или цифрами от 1 до 7. Подуровни оболочек обозначаются буквами s, p, d, f, g, h, i или цифрами от 0 до 6. Электроны внешних оболочек обладают большей энергией, и, по сравнению с электронами внутренних оболочек, находятся дальше от ядра, что делает их более важными в анализе поведения атома в химических реакциях и в роли проводника, так как их связь с ядром слабее и легче разрывается.
Количество электронов в каждой оболочке
Данное количество вычисляется по формуле:
2 N 2 {\displaystyle \mathrm {2} N^{2}} , где N - номер оболочки.| уровень/подуровень | 0 (s) | 1 (p) | 2 (d) | 3 (f) | 4 (g) | 5 (h) | 6 (i) | Итого в оболочке |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 (K) | 2 | 2 | ||||||
| 2 (L) | 2 | 6 | 8 | |||||
| 3 (M) | 2 | 6 | 10 | 18 | ||||
| 4 (N) | 2 | 6 | 10 | 14 | 32 | |||
| 5 (O) | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 | 50 | ||
| 6 (P) | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 | 22 | 72 | |
| 7 (Q) | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 | 22 | 26 | 98 |
Подуровни оболочек
Каждая оболочка состоит из одного или нескольких подуровней, каждый из которых состоит из атомных орбиталей . К примеру, первая оболочка (K) состоит из одного подуровня «1s». Вторая оболочка (L) состоит из двух подуровней, 2s и 2p. Третья оболочка (M) - из «3s», «3p» и «3d». Четвертая (N) - из «4s», «4p», «4d», «4f». Возможные варианты подуровней оболочек приведены в следующей таблице:
| Обозначение подуровня | l | Макс. кол-во электронов | Содержание в оболочках | Историческое наименование |
|---|---|---|---|---|
| s | 0 | 2 | В каждой | s harp |
| p | 1 | 6 | Во всех со 2й | p rincipal |
| d | 2 | 10 | Во всех с 3й | d iffuse |
| f | 3 | 14 | Во всех с 4й | f undamental |
| g | 4 | 18 | Во всех с 5й | (Тут и далее алфавитный порядок) |
| h | 5 | 22 | Во всех с 6й | |
| i | 6 | 26 | Во всех с 7й |
Валентные оболочки
Валентная оболочка - самая внешняя оболочка атома . Электроны этой оболочки зачастую неверно называют валентными электронами , то есть электронами, определяющими поведение атома в химических реакциях. С точки зрения химической активности, наименее активными считаются атомы, в которых валентная оболочка окончательно заполнена (инертные газы). Наибольшей химической активностью обладают атомы, в которых валентная оболочка состоит всего из одного электрона (щелочные металлы), и атомы, в которых одного электрона не хватает для окончательного заполнения оболочки (галогены).
Есть и другое объяснение. Поведение атома в химических реакциях определяют электроны, обладающие большей энергией, то есть те электроны, которые расположены дальше от ядра. Электроны внутренних подуровней оболочек имеют меньшую энергию, чем электроны внешних подуровней. Несмотря на то, что электроны подуровня оболочки 3d могут не принадлежать к т. н. валентной оболочке, они могут иметь энергию большую, чем электроны подуровня оболочки 4s, что делает их
Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы.
Атом состоит из ядра и электронной оболочки
Электронная оболочка – совокупность движущихся вокруг ядра электронов
Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов (положительно заряженных частиц) p+ и нейтронов (не имеющих заряда) no
Атом в целом электронейтрален, число электронов е– равно числу протонов p+, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
На рисунке изображена планетарная модель атома, согласно которой электроны движутся по стационарным круговым орбитам. Она очень наглядна, но не отражает сути, т.к в действительности законы микромира подчиняются на классической механике, а квантовой, которая учитывает волновые свойства электрона.
Согласно квантовой механике электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.
Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью (не путать с орбитой!) или электронным облаком.
Т.е у электрона отсутствует понятие «траектория», электроны не движутся ни по круговым орбитам, ни по каким-либо другим. Самая большая сложность квантовой механики заключается в том, что это невозможно представить, мы все привыкли к явлениям макромира, подчиняющегося классической механике, где любая движущаяся частица имеет свою траекторию.
Итак, электрон имеет сложное движение, может находится в любом месте пространства около ядра, но с разной вероятностью. Давайте теперь рассмотрим те части пространства, где вероятность нахождения электрона достаточно высока — орбитали — их формы и последовательность заполнения орбиталей электронами.
Представим себе трехмерную систему координат, в центре которой находится ядро атома.
Вначале идет заполнение 1s орбитали, она располагается ближе всего к ядру и имеет форму сферы.
Обозначение любой орбитали складывается из цифры и латинской буквы. Цифра показывает уровень энергии, а буква — форму орбитали.
1s орбиталь имеет наименьшую энергию и электроны находящиеся на этой орбитали имеют наименьшую энергию.
На этой орбитали могут находиться не более двух электронов . Электроны атомов водорода и гелия (первых двух элементов) находятся именно на этой орбитали.
Электронная конфигурация водорода: 1s 1
Электронная конфигурация гелия: 1s 2
Верхний индекс показывает количество электронов на этой орбитали.
Следующий элемент — литий, у него 3 электрона, два из которых располагаются на 1s орбитали, а где же располагается третий электрон?
Он занимает следующую по энергии орбиталь — 2s орбиталь. Она также имеет форму сферы, но большего радиуса (1s орбиталь находится внутри 2s орбитали).
Электроны, находящиеся на этой орбитали имеют большую энергию, по сравнению с 1s орбиталью, т.к они расположены дальше от ядра. Максимум на этой орбитали может находится также 2 электрона.
Электронная конфигурация лития: 1s 2 2s 1
Электронная конфигурация бериллия: 1s 2 2s 2
У следующего элемента — бора — уже 5 электронов, и пятый электрон будет заполнять орбиталь, обладающую ещё большей энергией- 2р орбиталь. Р-орбитали имеют форму гантели или восьмерки и располагаются вдоль координатных осей перпендикулярно друг другу.
На каждой р-орбитали может находится не более двух электронов, таким образом на трех р-орбиталях — не более шести. Валентные электроны следующих шести элементов заполняют р-орбитали, поэтому их относят к р-элементам.
Электронная конфигурация атома бора: 1s 2 2s 2 2р 1
Электронная конфигурация атома углерода: 1s 2 2s 2 2р 2
Электронная конфигурация атома азота: 1s 2 2s 2 2р 3
Электронная конфигурация атома кислорода: 1s 2 2s 2 2р 4
Электронная конфигурация атома фтора: 1s 2 2s 2 2р 5
Электронная конфигурация атома неона: 1s 2 2s 2 2р 6
Графически электронные формулы этих атомов изображены ниже:
Квадратик — это орбиталь или квантовая ячейка, стрелочкой обозначается электрон, направление стрелочки — это особая характеристика движения электрона — спин (упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг своей оси по часовой и против часовой стрелки). Нужно знать то, что на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами (в одном квадратике нельзя рисовать две стрелочки в одном направлении!). Это и есть принцип запрета В.Паули: «В атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми»
Существует ещё одно правило (правило Гунда ), по которому электроны расселяются на одинаковых по энергии орбиталях сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами, такие электроны называют спаренными .
Атом неона имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (2 s-электрона+6 p-электронов =8 электронов на втором энергетическом уровне), такая конфигурация является энергетически выгодной, и её стремятся приобрести все другие атомы. Именно поэтому элементы 8 А группы — благородные газы — столь инертны в химическом отношении.
Следующий элемент — натрий, порядковый номер 11, первый элемент третьего периода, у него появляется ещё один энергетический уровень — третий. Одиннадцатый электрон будет заселять следующую по энергии орбиталь -3s орбиталь.
Электронная конфигурация атома натрия: 1s 2 2s 2 2р 6 3s 1
Далее происходит заполнение орбиталей элементов третьего периода, сначала заполняется 3s подуровень с двумя электронами, а потом 3р подуровень с шестью электронами (аналогично второму периоду) до благородного газа аргона, имеющего, подобно неону, завершенный восьмиэлектронный внешний уровень. Электронная конфигурация атома аргона (18 электронов): 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6
Четвертый период начинается с элемента калия (порядковый номер 19), последний внешний электрон которого располагается на 4s орбитали. Двадцатый электрон кальция также заполняет 4s орбиталь.
За кальцием идет ряд из 10 d-элементов, начиная со скандия (порядковый номер 21) и заканчивая цинком (порядковый номер 30). Электроны этих атомов заполняют 3d орбитали, внешний вид которых представлен на рисунке ниже.
Итак, подведем итоги:
Загрузка...
