Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 2. Електронна будова атомів

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • пригадати стан електронів в атомі;
  • застосовувати принцип найменшої енергії при складанні електронних формул атомів;
  • дізнатися про електронну будову атомів елементів 4-го періоду;
  • класифікувати елементи за електронною будовою атомів.

Електрони в атомі. Електрон — дуже дрібна частинка. Його розміри, траєкторію руху визначити неможливо. Вам відомо, що частину простору атома, в якій перебування електрона є найбільш імовірним, називають орбіталлю. Розрізняють сферичні, або s-орбіталі, гантелеподібні, або р-орбіталі, та складніші за формою d- і f-орбіталі (мал. 2). р-Орбіталі орієнтовані вздовж осей х, у і z; їх позначають з відповідними нижніми індексами: pх, ру, pz.

Мал. 2. Орбіталі: а — s-орбіталь; б — одна із р-орбіталей; в — три р-орбіталі в одному атомі; г — одна із d-орбіталей

1 Цю властивість електрона ототожнюють із напрямом його обертання навколо своєї осі (за годинниковою стрілкою чи проти неї).

Чим компактніша орбіталь, у якій рухається електрон, тим його енергія менша.

Енергія електронів. Сучасна модель будови атома враховує енергію електронів, яку можна визначити досить точно. Електрони розміщуються в атомі так, щоб їхня енергія була мінімальною. Це — принцип найменшої енергії; він визначає електронну будову атома.

Електрони в атомі розподіляють за енергетичними рівнями і підрівнями (схема 1). Кожний енергетичний рівень заповнюють електронами з однаковою чи дуже близькою енергією. Електрони першого рівня мають найменшу енергію, оскільки рухаються поблизу ядра атома. Другий рівень займають електрони з вищою енергією, третій — зі ще вищою і т. д. Електрони, які заповнюють останній енергетичний рівень, називають зовнішніми.

Схема 1

Енергетичні рівні

Кількість енергетичних рівнів атома, на яких перебувають електрони, збігається з номером періоду, де міститься елемент.

Номер енергетичного рівня вказує на кількість підрівнів у ньому. Так, перший рівень має один підрівень (1s), другий — два (2s, 2р), третій — три (3s, 3р, 3d) і т. д. (схема 1). Позначення кожного підрівня таке саме, що й відповідної орбіталі.

Які максимальні кількості електронів можуть перебувати на 1-му і 2-му енергетичних рівнях?

Електронна будова атомів. Послідовність заповнення електронами рівнів і підрівнів в атомах узгоджується зі схемою 1:

Електрони в атомах елементів 1-го періоду Гідрогену і Гелію перебувають в s-орбіталі першого енергетичного рівня. Електронні формули цих атомів — 1s1 і 1s2 відповідно. Загальна електронна формула атомів елементів 1-го періоду — 1sn (n = 1, 2).

В атомах елементів 2-го періоду з’являються електрони в s- і p-орбіталях другого енергетичного рівня. Загальна електронна формула атомів цих елементів — 1s22sn2pm (n= 1, 2; m = 0, 1, ..., 6). Приклад електронної формули атома Нітрогену та її графічний варіант:

Звертаємо вашу увагу на те, що кожний із трьох p-електронів «займає» окрему орбіталь, оскільки два електрони в одній орбіталі зазнають взаємного відштовхування.

Часто електронна формула містить символ інертного елемента у квадратних дужках [He]2s22p3. Це означає, що внутрішня електронна оболонка атома Нітрогену така сама, як і в атома Гелію. У скорочених електронних формулах записують лише зовнішні електрони: ...2s22p3.

Заповнення електронами орбіталей в атомах елементів 3-го періоду відбувається аналогічно; зовнішні електрони розташовуються в s- і р-орбіталях 3-го енергетичного рівня.

Зобразіть графічний варіант скороченої електронної формули атома Силіцію.

В атомах елементів 4-го періоду Калію і Кальцію, згідно з принципом найменшої енергії (схема 1), зовнішні електрони розміщуються в 4s-орбіталі, а не в 3d-орбіталях:

Цікаво знати

Атоми d-елементів 4-го періоду, перетворюючись на катіони, спочатку втрачають 4s-електрони, потім — 3d-електрони.

Атом Скандію містить на один електрон більше, ніж атом Кальцію. Цей електрон «займає» одну із п’яти 3d-opбiτaлeй (форзац І). У кількох наступних елементів 4-го періоду в d-орбіталі спочатку надходить по одному електрону, потім у кожній орбіталі розміщується другий електрон. Наводимо електронну формулу та її графічний варіант для атома Феруму:

Важливо знати, що кількість зовнішніх електронів в атомах елементів головних підгруп збігається з номером групи періодичної системи.

Електронна будова атомів і класифікація елементів. Залежно від типу орбіталі, в яку надходить «останній» електрон при формуванні електронної будови атома, розрізняють s-елементи, р-елементи, d-елементи і f-елементи1.

1 Клітинки з елементами кожного типу в періодичній системі забарвлені у відповідні кольори (форзац І).

s-Елементи (крім Гелію) перебувають у головних підгрупах І та II груп, а p-елементи — у головних підгрупах III—VIII груп.

До s- чи p-елементів належать Сульфур, Барій, Калій, Неон, Йод?

В усіх побічних підгрупах містяться d-елементи. Лантаноїди і актиноїди, які належать до III групи, є f-елементами; їх винесено за межі основного поля періодичної системи (форзац І).

За кількістю зовнішніх електронів в атомі можна визначати характер хімічного елемента — металічний, неметалічний. Атоми металічних елементів мають, як правило, 1—3 зовнішніх електрони, атоми неметалічних елементів — від 4 до 8-ми таких електронів.

Які неметалічні елементи 1—2-го періодів є винятками?

Існують винятки і серед металічних елементів. Атоми Стануму та Плюмбуму містять по чотири зовнішніх електрони, а атом Бісмуту — п’ять.

ВИСНОВКИ

Електрони в атомі перебувають у ділянках простору, які називають орбіталями. За формою розрізняють s-, р-, d- і f-орбіталі. Електрони розміщуються в орбіталях так, щоб їхня енергія була мінімальною.

Згідно з моделлю атома, яка враховує енергію електронів, ці частинки розподіляють за енергетичними рівнями та підрівнями. Чим більший номер енергетичного рівня, тим вища енергія електрона.

В атомах елементів 1-го періоду електрони заповнюють 1s-орбіталь, в атомах елементів 2-го і 3-го періодів — 2s- і 2р-орбіталі або 3s- і 3р-орбіталі відповідно. В атомах елементів 4-го періоду електрони спочатку надходять у 4s-орбіталь, а потім заповнюються 3d- і 4р-орбіталі.

Зважаючи на тип орбіталі, в якій розміщений «останній» електрон атома, розрізняють s-, p-, d- і f-елементи.

Атоми металічних елементів мають 1—3 зовнішніх електрони, атоми неметалічних елементів — 4—8 зовнішніх електронів.

  • 12. Однакову чи різну енергію мають електрони, які перебувають в одній орбіталі?
  • 13. У якій орбіталі енергія електрона нижча:

а) 2s чи 2р;

б) 1s чи 2s;

в) 3р чи 2s?

  • 14. В атомі якого елемента 2-го періоду найбільша кількість:

а) спарених електронів;

б) неспарених електронів?

  • 15. Визначте кількість енергетичних рівнів з електронами в атомах елементів, що мають протонні числа 7, 14, 20.
  • 16. Знайдіть у поданому переліку елемент із найбільшою кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні: F, Mg, S. Запишіть електронну формулу його атома.
  • 17. Назвіть елементи, атоми яких мають наведені нижче електронні формули:

а) [He]2s22p1;

б) [Ne]3s23p5;

в) [Ar]4s2.

  • 18. Складіть загальну скорочену електронну формулу атомів елементів:

а) 3-го періоду;

б) головної підгрупи V групи.

  • 19. Доведіть періодичність у зміні електронної будови атомів зі зростанням зарядів ядер на прикладі елементів 2-го і 3-го періодів.
  • 20. Чи завжди електрон на енергетичному рівні з більшим номером має вищу енергію, ніж електрон на енергетичному рівні з меншим номером? Відповідь підтвердьте прикладами.
  • 21. Скориставшись періодичною системою, з’ясуйте, яких хімічних елементів більше — p-елементів чи d-елементів.
  • 22. Які елементи — металічні або неметалічні — переважають:

а) серед s-елементів;

б) серед р-елементів?