Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)
§ 25. Електронна оболонка атомів
Модель Бора-Резерфорда
Модель атома Резерфорда, без сумніву, найбільше відповідала справжній будові атома, але в ній було суттєве протиріччя: за відомими на той час законами фізики електрон, якщо він обертається навколо ядра, має безперервно випромінювати енергію та із часом упасти на ядро. Модель атома Резерфорда вдосконалив данський фізик Нільс Бор. Він стверджував, що електрони можуть обертатися не на будь-якій орбіті, а лише на визначених відстанях від ядра, утворюючи концентричні сфери з електронів. Тому іноді планетарну модель атома називають моделлю Бора-Резерфорда.
В електронних оболонках атомів електрони утворюють чіткі структури, що різняться числом електронів. Структуру електронної оболонки в атомі можна порівняти з багатоповерхівкою, у якій електрони розселяються по різних поверхах. Кожний поверх — це енергетичний рівень, або електронний шар.
Енергетичний рівень об'єднує певне число електронів, що мають приблизно однакову енергію.
Кожний енергетичний рівень позначають числом n (n = 1, 2, 3, ...) або великою латинською літерою (К, L, М і далі за алфавітом)
Для першого (найближчого до ядра) рівня n = 1 (рівень К), для другого n = 2 (рівень L), для третього n = 3 (рівень М) тощо
Шарувату будову електронної оболонки атомів можна зобразити так: колом позначене ядро, що має певний заряд, а дугами — енергетичні рівні.
Поняття про орбіталі
Після досліджень Н. Бора та Е. Резерфорда було встановлено, що електрони на енергетичних рівнях перебувають не довільно, а в межах певного простору, який називають орбіталями.
Орбіталь — це частина простору, у якому ймовірність перебування електрона вища за 90 %.
На одному енергетичному рівні електрони можуть розміщуватися на орбіталях різної форми. Найчастіше трапляються орбіталі у формі сфери й об’ємної вісімки.
Число орбіталей на кожному енергетичному рівні дорівнює n2.
Одна орбіталь може вміщувати максимум два електрони, отже:
Кожний енергетичний рівень може максимально вміщувати 2n2 електронів.
Поміркуйте
По скільки орбіталей містять різні енергетичні рівні та по скільки електронів можуть максимально вміщувати енергетичні рівні: перший, другий, третій тощо?
Принцип найменшої енергії
Поміркуйте
Які електрони мають меншу енергію: ті, які перебувають на енергетичному рівні, ближчому до ядра, чи навпаки?
Усі хімічні властивості речовин визначаються будовою електронних оболонок атомів.
Розгляньмо, як електрони розподіляються по електронних рівнях.
Електрони займають енергетичні рівні послідовно, починаючи з першого енергетичного, у порядку збільшення енергії.
Спочатку «заселяється» перший енергетичний рівень, потім — другий, третій тощо.
Цей принцип називають принципом найменшої енергії.
Число енергетичних рівнів, що заповнюються в атомі певного хімічного елемента, визначають за номером періоду Періодичної таблиці, у якому розташований цей елемент.
Так, в атомах хімічних елементів першого періоду заповнюється лише перший енергетичний рівень, в атомах елементів другого періоду — перші два енергетичні рівні, третього — три тощо.
Наприклад, Гідроген розміщений у першому періоді під номером 1. Це означає, що в електронній оболонці його атомів міститься лише один електрон, який перебуває на першому енергетичному рівні. Його електронну оболонку можна зобразити так:
Гелій також розташований у першому періоді, тож в електронній оболонці його атомів так само заповнюється перший енергетичний рівень. Але на цьому рівні вже міститься два електрони, оскільки порядковий номер Гелію — 2.
В елементів другого періоду починає заповнюватися електронами другий енергетичний рівень. Незалежно від числа енергетичних рівнів, електрони спочатку заповнюють рівень із найнижчою енергією, тобто перший, а потім уже другий. До прикладу, розгляньмо електронну оболонку Літію, що містить три електрони (порядковий номер — 3). Оскільки перший рівень максимально вміщує два електрони, то на другому має міститися лише один електрон:
У Берилію на другий енергетичний рівень додається ще один електрон:
В атомах Бору є 5 електронів, а Карбону — 6. Місткість другого енергетичного рівня — 8 електронів, тож у цих елементів продовжує «укомплектовуватися» другий енергетичний рівень:
Поміркуйте
Якщо другий енергетичний рівень може максимально вміщувати 8 електронів, то в якого хімічного елемента другий рівень заповниться повністю?
Можна помітити, що в кожного наступного елемента додається по одному електрону до електронної оболонки. Аби заповнити другий енергетичний рівень, треба ще 4 електрони. Це ми спостерігаємо в атомах хімічного елемента з порядковим номером 10 — Неону:
Електронні оболонки атомів третього та четвертого періодів
Натрій — перший хімічний елемент третього періоду, тож у його атомів починає заповнюватися третій енергетичний рівень:
А в атомах Аргону на третьому рівні вже 8 електронів:
Третій енергетичний рівень максимально може містити 18 електронів. Проте в першого елемента четвертого періоду — Калію — починає заповнюватися четвертий електронний шар:
Звісно, існують і інші принципи влаштування електронної оболонки атомів, але про них ви дізнаєтеся під час подальшого вивчення хімії в наступних класах.
Поміркуйте
Важливою характеристикою електронної оболонки атомів є число електронів на зовнішньому енергетичному рівні.
• Як ви вважаєте, який рівень називають зовнішнім?
• Якою буде енергія електронів на зовнішньому енергетичному рівні порівняно з іншими електронами цього атома: найбільшою чи найменшою?
• Для електронних оболонок, моделі яких наведено вище в цьому параграфі, визначте число електронів на зовнішньому енергетичному рівні.
Досліджуємо, моделюємо, проєктуємо
Використовуючи підручні матеріали (дроти, намистини, канцелярські скріпки тощо), створіть статичну 2D- або 3D-модель атома (на вибір із перших 20 хімічних елементів) з урахуванням розподілу електронів по енергетичних рівнях.
Число хімічних елементів у періодах Періодичної таблиці
Поміркуйте
Порівняйте максимальну місткість енергетичних рівнів і число хімічних елементів у кожному періоді.
Структура Періодичної таблиці повністю зумовлена будовою електронних оболонок атомів. Число хімічних елементів, що міститься в кожному періоді, визначається місткістю відповідних енергетичних рівнів (табл. 6).
Таблиця 6. Місткість енергетичних рівнів атомів хімічних елементів перших чотирьох періодів
|
Період |
Енергетичний рівень, що заповнюється електронами |
Число орбіталей на енергетичному рівні |
Максимальне число електронів на енергетичному рівні |
Число хімічних елементів у періоді |
|
1 |
Перший |
1 |
2 |
2 |
|
2 |
Другий |
4 |
8 |
8 |
|
3 |
Третій |
9 |
18 |
8 |
|
4 |
Четвертий (а також доповнюється третій) |
16 |
32 |
18 |
Як видно з таблиці 6, для елементів 1-го та 2-го періодів число хімічних елементів у періоді та максимальне число електронів на відповідному енергетичному рівні збігаються. У наступних періодах виникає «запізнення», що пов’язане з особливостями будови електронної оболонки, про які ви дізнаєтеся далі.Будова електронних оболонок і групи Періодичної таблиці
Поміркуйте
Порівняйте число електронів на зовнішньому енергетичному рівні атомів і номер групи Періодичної таблиці, у якій розміщено хімічний елемент.
Порівняймо електронні оболонки деяких елементів 1-ї групи:
У всіх атомах на зовнішньому шарі по одному електрону, що збігається з номером групи.
Порівняймо електронні оболонки деяких елементів 18-ї групи:
В усіх атомах на зовнішньому електронному шарі по 8 електронів. Якщо згадати, що хімічні елементи 18 групи — останні в періоді, а в наступного хімічного елемента починає заповнюватися наступний енергетичний рівень, то можна зробити висновок: на зовнішньому рівні може міститися не більше 8 електронів.
Так само можна порівнювати електронні оболонки атомів інших груп Періодичної таблиці.
В атомах елементів 1-ї та 2-ї груп число електронів на зовнішньому рівні дорівнює номеру групи.
В атомах елементів 13-18 груп число електронів на зовнішньому рівні дорівнює: (номер групи - 10).
Будова електронних оболонок атомів хімічних елементів однієї групи подібна, тому хімічні елементи однієї групи називають електронними аналогами.
В атомах елементів 3-12 груп заповнюються внутрішні енергетичні рівні, що не впливає на зовнішній рівень.
Дізнайтеся більше
Англійський фізик Чарлз Баркла, пропонуючи позначати енергетичні рівні буквами, спочатку використовував букви А, В, С і далі. Але потім припустив, що можуть існувати ще нижчі (глибші) енергетичні рівні, тому щоб залишити букви алфавіту для цих рівнів, він почав позначення від букви К (потім L, М і далі). Згодом виявилося, що ще нижчих рівнів не існує, але змінювати позначення рівнів уже не стали.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
320. Скільки електронів міститься на зовнішньому енергетичному рівні атомів: а) Гелію; б) Літію; в) Берилію; г) Бору; д) Карбону; е) Оксигену; є) Арсену; ж) Стануму; з) Барію?
321. Скільки енергетичних рівнів зайнято електронами в атомах: а) Карбону, Силіцію, Германію; б) Берилію, Магнію, Кальцію; в) Флуору, Хлору, Йоду?
322. Назвіть два хімічні елементи, в атомах яких повністю заповнені зовнішні енергетичні рівні.
323. Для хімічних елементів № 1-20 визначте: а) число електронних пар на зовнішньому енергетичному рівні; б) число неспарених електронів на зовнішньому енергетичному рівні.
324. Зобразіть будову електронних оболонок атомів Нітрогену та Фосфору. Що спільного в будові електронних оболонок цих атомів і чим вони відрізняються?
325. Які хімічні елементи є електронними аналогами Оксигену? Зобразіть будову електронної оболонки атома одного з них.
326. Порівняйте властивості хімічних елементів (металічний чи неметалічний) із числом електронів на зовнішньому рівні атомів. Сформулюйте гіпотезу щодо виявленої вами закономірності.
