Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 8 клас. Бутенко

§ 14. Будова електронних оболонок атомів хімічних елементів

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

  • чим зумовлене число енергетичних рівнів в атомах хімічного елемента;
  • скільки електронів міститься на зовнішніх енергетичних рівнях інертних елементів;
  • як заповнюються енергетичні рівні атомів хімічних елементів відповідно до їхнього місця в періодичній системі.

З попередніх параграфів ви дізналися, що властивості хімічних елементів, розміщених у таблиці в порядку збільшення заряду ядра атома, через певне число елементів повторюються.

У чому ж полягає причина такої зміни властивостей елементів?

Для відповіді на це запитання недостатньо знати лише склад ядер атомів. Це досить легко продемонструвати на прикладі таких елементів, як Неон Ne і Натрій Na. З точки зору фізичних і хімічних властивостей простих речовин, які вони утворюють, між ними немає нічого спільного. Неон — газувата речовина, зовсім інертна за хімічними властивостями порівняно з іншими елементами періодичної системи. Натрій — сріблясто-біла тверда речовина, що виявляє металічні властивості та досить хімічно активна. Але якщо порівняти склад ядер атомів цих елементів, то виявиться, що заряд ядра атома Натрію перевищує заряд ядра атома Неону всього на одну одиницю. Відповідно до електронейтральності атома до складу електронної оболонки Натрію входить на один електрон більше. Щоб зрозуміти, чому така невелика відмінність у складі атомів двох сусідніх елементів спричиняє таку значну різницю в їхніх властивостях, необхідно проаналізувати будову електронних оболонок цих атомів.

У центрі атома перебуває позитивно заряджене ядро, а навколо нього у вигляді електронної оболонки розміщуються електрони. Оболонка не є суцільною, а складається з одного (для атомів Гідрогену Н і Гелію Не) або кількох (для атомів усіх інших елементів) енергетичних рівнів. У таблиці 6 (с. 54) схематично показано будову атомів перших 18 хімічних елементів: ядра умовно зображено колами, а енергетичні рівні — дугами. Схеми дають можливість з’ясувати, скільки енергетичних рівнів має атом кожного із цих елементів, який заряд його ядра та скільки електронів міститься на кожному рівні.

Таблиця 6

Розподіл електронів по енергетичних рівнях атомів перших 38 елементів

Атом Гідрогену (розміщений за № 1 у періодичній системі) має всього один енергетичний рівень, де навколо ядра із зарядом +1 рухається тільки один електрон. Наступний (за № 2) атом Гелію, заряд ядра якого +2, теж має один енергетичний рівень, але вже з двома електронами. Унаслідок того, що ці електрони розміщуються на однаковій відстані від ядра, вони з однаковою силою притягуються до нього. Пам’ятаємо, що Гелій — це інертний газ (елемент). Гідроген і Гелій утворюють перший період періодичної системи хімічних елементів. На відміну від інших періодів, він містить тільки два елементи.

Другий період починається Літієм Li — лужним елементом, у якого три електрони групуються вже на двох енергетичних рівнях. При цьому два електрони, як і в атомі Гелію, — на першому рівні, а третій — на другому, більш віддаленому від ядра. Цілком логічно припустити, що третій електрон буде слабкіше притягуватися (взаємодіяти електрично) до ядра. Зазвичай найближчі до ядра енергетичні рівні називають внутрішніми, а останній, найвіддаленіший від нього, — зовнішнім.

Заряд ядра кожного наступного елемента збільшується на одиницю, а до зовнішнього енергетичного рівня додається ще один електрон. Період поповнюється елементами доти, поки в зовнішньому рівні якогось із наступних елементів не нагромадиться вісім електронів. У другому періоді таким елементом є Неон Ne — хімічно інертний елемент, який за звичайних умов, як і Гелій, являє собою газувату речовину.

Третій період, як і другий, починається лужним елементом Натрієм Na. На відміну від схожого з ним за властивостями Літію, Натрій має вже три енергетичні рівні. Причому два перші, найближчі до ядра, тобто внутрішні енергетичні рівні, мають таку саму електронну будову, як і енергетичні рівні атома Неону (перший рівень містить два, а другий — вісім електронів). Третій, зовнішній енергетичний рівень, як і зовнішній рівень атома Літію, містить також один електрон, але ще більш віддалений від ядра.

У наступних за Натрієм елементів, розміщених у порядку зростання заряду ядра атома, іде закономірне поповнення електронами зовнішнього енергетичного рівня доти, поки в ньому не нагромадиться вісім електронів. Цим останнім елементом третього періоду виявляється Аргон Аr, знову, як і останній елемент другого періоду періодичної системи, інертний газ.

На початку четвертого періоду стоїть Калій, в атомі якого починає заповнюватися четвертий енергетичний рівень (див. форзац 1).

П'ятий період починається Рубідієм Rb. Електрони в його атомі розташовуються вже в п'яти енергетичних рівнях (див. форзац 1).

Таким чином, унаслідок послідовного збільшення заряду атомних ядер (табл. 7) зберігається будова електронної оболонки атома попереднього елемента, але до неї додається ще один електрон. Він або приєднується до електронів зовнішнього рівня, або започатковує новий енергетичний рівень. На першому рівні може бути не більше двох електронів (в атомі Гелію), на другому — не більше восьми електронів (в атомі Неону), на третьому — не більше 18 електронів.

Якщо енергетичний рівень містить максимально можливе число електронів, то його називають завершеним. Енергетичні рівні, що містять менше від можливого число електронів, називають незавершеними.

З появою кожного нового електрона на енергетичному рівні елементів уздовж періоду їхні властивості змінюються досить плавно. Однак із появою нового енергетичного рівня відбувається стрибкоподібна зміна хімічних властивостей елемента. Отже, можна стверджувати, що поява нового енергетичного рівня спричиняє появу нового періоду хімічних елементів.

Запитання та завдання

°1. Скільки електронів містить зовнішній енергетичний рівень атомів таких елементів: а) Гідрогену, Гелію; б) Берилію, Нітрогену, Флуору; в) Натрію, Алюмінію, Сульфуру?

°2. Назвіть два елементи, в атомах яких завершено всі енергетичні рівні.

°3. Скільки енергетичних рівнів зайнято електронами в атомах: а) Літію, Натрію, Калію; б) Берилію, Магнію, Кальцію; в) Флуору, Хлору, Брому?

4. Скільки завершених енергетичних рівнів мають атоми хімічних елементів з атомними номерами: а) 3; б) 9; в) 15?

5. Охарактеризуйте хімічні елементи: а) Нітроген; б) Алюміній; в) Аргон за таким планом:

  • хімічний символ елемента;
  • відносна атомна маса;
  • заряд ядра атома;
  • загальне число електронів, що рухаються навколо ядра;
  • схема будови атома;
  • число електронів на зовнішньому енергетичному рівні;
  • число енергетичних рівнів;
  • число завершених енергетичних рівнів.

*6. Чому через певне число елементів їхні властивості повторюються: так, наприклад, елемент Натрій повторює властивості елемента Літію, а елемент Бром — властивості елемента Хлору?

7. Які енергетичні рівні атома називають внутрішніми, а які — зовнішніми? Покажіть це на прикладі атома Силіцію.

8. З переходом до кожного наступного елемента число електронів на зовнішньому енергетичному рівні: а) збільшується на один; б) збільшується відразу на два; в) не змінюється. Наведіть приклади.

9. До якого максимального числа електронів іде поповнення зовнішнього енергетичного рівня в елементів третього періоду?

*10. Яка максимальна місткість: а) першого енергетичного рівня; б) другого енергетичного рівня; в) третього енергетичного рівня?

*11. Який енергетичний рівень називають: а) завершеним; б) незавершеним? Наведіть приклади.

*12. Чим можна пояснити стрибкоподібну зміну хімічних властивостей елементів? Наведіть приклади.