Хімія. Повторне видання. 8 клас. Попель

2 розділ. Хімічний зв’язок. Будова речовини

Атоми майже всіх хімічних елементів з’єднуються з такими самими або іншими атомами. Багато атомів будь-якого металічного елемента, сполучаючись, утворюють метал. В алмазі, графіті, червоному фосфорі містяться з’єднані між собою атоми неметалічних елементів. Два атоми Оксигену сполучаються в молекулу О2; із таких молекул складається газ кисень. Вода містить молекули Н2О, кожна з яких утворена двома атомами Гідрогену й одним атомом Оксигену. Існують речовини (наприклад, натрій хлорид NaCl, кальцій оксид CaO), які складаються не з атомів чи молекул, а з йонів.

Взаємодію між атомами, молекулами, йонами, завдяки якій частинки утримуються разом, називають хімічним зв’язком.

Під час утворення хімічного зв’язку енергія виділяється, а під час руйнування поглинається.

§ 13. Стійкість електронних оболонок. Йони

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • зрозуміти, які електронні оболонки атомів є найстійкішими;
  • записувати формули йонів;
  • визначати електронну будову йонів;
  • з’ясувати, чим йони відрізняються від атомів.

Електронна будова атомів інертних елементів. Серед усіх простих речовин лише інертні гази — гелій, неон, аргон, криптон, ксенон, радон — складаються з окремих атомів. Протягом тривалого часу вченим не вдавалося здійснити хімічні реакції за участю інертних газів; їхні атоми «не бажали» сполучатися з атомами інших елементів1. Причина хімічної пасивності цих речовин стала зрозумілою після відкриття будови атомів.

1 У другій половині ХХ ст. хіміки добули деякі сполуки Криптону, Ксенону й Радону із Флуором і Оксигеном.

Електронна будова атомів інертних елементів 1-3 періодів є такою:

Два електрони в атомі Гелію заповнюють перший енергетичний рівень. Електронна оболонка атома Неону складається із двох заповнених рівнів: перший містить 2 електрони, а другий — 8. В атомі Аргону, крім цих рівнів, є третій, незавершений; на ньому розміщуються 8 електронів, які заповнюють 3s- і 3р-підрівні.

Атоми Криптону, Ксенону і Радону теж мають на останньому (незавершеному) енергетичному рівні по 8 електронів — два s-електрони та шість р-електронів.

Узявши до уваги хімічну пасивність інертних газів і електронну будову атомів відповідних елементів, доходимо такого висновку: зовнішня 8-електронна оболонка для атома є вигідною і стійкою1. Її часто називають електронним октетом2.

1 Стійкість атома Гелію зумовлена тим, що в нього єдиний енергетичний рівень повністю заповнений електронами.

2 Слово походить від латинського octo — вісім.

Електронний октет

ns2np6

Атоми інших елементів здатні змінювати свою електронну будову так, щоб їхній зовнішній енергетичний рівень містив вісім електронів. Якщо таке відбувається, то атоми перетворюються на йони.

Йони. Частинки цього типу містяться у складі багатьох сполук.

Йон — заряджена частинка, яка утворюється з атома внаслідок втрати або приєднання ним одного чи кількох електронів.

Якщо атом втрачає, наприклад, один електрон, він перетворюється на йон із зарядом +1, а в разі приєднання ним двох електронів — на йон із зарядом -2. Позитивно заряджені йони називають катіонами, негативно заряджені — аніонами.

Катіони

H+, Ba2+

Аніони

Cl-, S2-

У хімічній формулі йона заряд позначають верхнім індексом справа від символу елемента. Спочатку записують цифру (одиницю не вказують), а потім — знак заряду: Na+, Ba2+, Н+, Cl-, S2-. Хімічну формулу першого йона читають «натрій-плюс», останнього — «ес-два-мінус». Ці частинки називатимемо так: йон (або катіон) Натрію, йон (або аніон) Сульфуру.

Цікаво знати

Найбільший заряд йона металічного елемента +4, а йона неметалічного елемента -3.

Існують також йони, кожний із яких утворений кількома атомами. Наприклад, натрій гідроксид NaOH, крім катіонів Na+, містить аніони ОН- (гідроксид-іони).

Утворення позитивно заряджених йонів. Елемент № 11 Натрій розміщений у періодичній системі після інертного елемента Неону. Ядро атома Натрію містить 11 протонів (заряд ядра становить +11); навколо нього перебуває стільки ж електронів. Серед них один електрон належить зовнішньому (третьому) енергетичному рівню, а вісім — передостанньому рівню (2s22p6).

Під час хімічної реакції атом Натрію легко втрачає 3s-електрон і перетворюється на йон. Заряд цієї частинки визначаємо так: +11 (заряд ядра, або сумарний заряд протонів) - 10 (сумарний заряд електронів) = +1. Оскільки ядро залишається незмінним, то йон, як і атом, належить елементу Натрію.

Електронна будова катіона Na+ така сама, що й атома інертного елемента Неону (обидві частинки містять по 10 електронів). Цей йон є стійким, оскільки має зовнішній електронний октет.

Запишемо схему перетворення атома Натрію на йон та електронні формули частинок:

Na - e- → Na+;

атом Na — 1s22s22p63s1, або [Ne]3s1;

йон Na+ — 1s22s22p6, або [Ne].

Електронний октет міг би утворитися внаслідок надходження на третій енергетичний рівень атома Натрію додаткових 7 електронів. Однак цього не відбувається. Очевидно, атому легше втратити один електрон, ніж приєднати сім електронів.

Катіони Na+ є у складі майже всіх сполук Натрію, серед яких — натрій оксид Na2O, натрій гідроксид NaOH, натрій хлорид NaCl.

• Напишіть схему перетворення атома Магнію на відповідний йон і наведіть електронні формули обох частинок.

Атоми металічних елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні невелику кількість електронів (зазвичай від одного до трьох) і здатні втрачати їх, перетворюючись на катіони.

Утворення негативно заряджених йонів. В атомі елемента № 17 Хлору на зовнішньому енергетичному рівні розміщено 7 електронів (3s23p5). Цей атом здатний приєднати один електрон (який може віддати йому, наприклад, атом Натрію) і перетворитися на йон Cl-. Електронна будова аніона Хлору така сама, що й атома інертного елемента Аргону.

Схема перетворення атома Хлору на йон та електронні формули цих частинок такі:

Cl + e- → Cl-;

атом Cl — 1s22s22p63s23p5, або [Ne]3s23p5;

йон Cl- — 1s22s22p63s23p6, або [Ar].

Аніони Cl- містяться в більшості сполук металічних елементів із Хлором, зокрема в натрій хлориді NaCl.

• Напишіть схему перетворення атома Оксигену на відповідний йон і наведіть електронні формули обох частинок.

Атоми неметалічних елементів (окрім інертних) мають на зовнішньому енергетичному рівні від чотирьох до семи електронів і здатні приєднувати додаткові електрони, перетворюючись на аніони.

Йони елементів головних підгруп містять на зовнішньому енергетичному рівні октет електронів.

Відносні маси йонів практично такі самі, що й відносні атомні маси відповідних хімічних елементів, оскільки маса електронів надзвичайно мала.

Відмінності йонів від атомів. Йон і атом кожного хімічного елемента мають однакові позитивні заряди ядер, але різну кількість електронів. Тому катіони й аніони, на відміну від атомів, — заряджені частинки.

Різна електронна будова атома і йона зумовлює різні розміри цих частинок. Атом Натрію має на 3-му енергетичному рівні один електрон, а в йоні Натрію електрони розміщені лише на двох енергетичних рівнях. Тому радіус йона Na+ значно менший, ніж атома Натрію. В атомі Хлору і йоні Cl- електрони перебувають на трьох енергетичних рівнях. Однак у йона Cl- на один електрон більше. Тому радіус йона Хлору трохи більший.

Електронну будову атомів Na і Cl, йонів Na+ і Cl- наведено на схемі 4.

Йони відрізняються від атомів і за властивостями. Атоми, з яких складається метал натрій, здатні взаємодіяти з молекулами води, а йони Na+ із цими молекулами не реагують. Атоми Хлору легко сполучаються в молекули Cl2, тоді як із йонами Cl- цього не відбувається.

Гідроген — єдиний неметалічний елемент, атом якого може перетворитися не лише на аніон H-, а й на катіон H+. Йони Н+ містяться у водному розчині будь-якої кислоти, надають йому кислого смаку, змінюють забарвлення індикаторів. Атоми Гідрогену таких властивостей не мають. На відміну від йонів вони легко сполучаються в молекули Н2, з яких складається проста речовина водень. Йони H- відрізняються за властивостями від атомів Гідрогену і йонів Н+. Зокрема, вони не можуть перебувати у воді, оскільки взаємодіють із її молекулами.

Схема 4

Характеристики атомів і йонів Натрію та Хлору

ВИСНОВКИ

Найстійкіші зовнішні електронні оболонки атомів містять вісім електронів.

Йон — заряджена частинка, яка утворюється з атома внаслідок втрати або приєднання ним одного чи кількох електронів.

Атоми металічних елементів здатні втрачати електрони й перетворюватися на позитивно заряджені йони (катіони), а атоми неметалічних елементів — приєднувати електрони й перетворюватися на негативно заряджені йони (аніони).

Катіони мають менші радіуси, ніж відповідні атоми. Аніони за своїми радіусами майже не відрізняються від атомів. Йони мають інші властивості, ніж атоми.

70. Що спільного в електронній будові атомів інертних елементів?

71. Яка частина містить більше електронів:

  • а) атом чи відповідний катіон;
  • б) атом чи відповідний аніон?

72. Укажіть, які з елементів — Rb, Br, Sr, N — здатні утворювати катіони, а які — аніони. Визначте заряд йона кожного елемента і напишіть хімічні формули цих частинок.

73. Складіть електронні формули йонів Be2+, P3-, F- і K+.

74. Назвіть три катіони і два аніони, електронна будова яких така сама, що і йона F-.

75. Атом якого хімічного елемента має таку саму електронну будову, що і йон Алюмінію? Складіть електронну формулу частинки та зобразіть її графічний варіант.

76. Напишіть хімічні формули частинок, у яких електронна будова зовнішнього енергетичного рівня — 3s23p6.

77. В атомі якого елемента міститься на 2 електрони менше, ніж у йоні Магнію?

78. Складіть електронну формулу частинки, яка має 16 протонів і 18 електронів. Назвіть цю частинку.

79. Напишіть схеми утворення катіона й аніона Гідрогену із атома. Яка частинка має найменший радіус — катіон, аніон чи атом Гідрогену? Чому?

80. Укажіть у поданому переліку частинку із найбільшим радіусом і найменшим радіусом: атом Ar, йони K+, Са2+, Сl-. Відповідь обґрунтуйте.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.