§ 6. Електронна будова атомів

Матеріал параграфа допоможе вам:

зрозуміти, що електронна будова атома відповідає його стану з найменшою енергією;
складати електронні формули атомів.

Розміщення електронів в атомах. Усе в навколишньому світі прагне перейти у стан із найменшою енергією. Такий стан є найстійкішим і тому найвигіднішим. Принцип найменшої енергії визначає й електронну будову атома.

Електрони в атомі розміщуються так, щоб їхня енергія була мінімальною.

Розглянемо, як електрони заповнюють енергетичні рівні та підрівні в атомах різних елементів.

В атомі елемента № 1 Гідрогену міститься лише один електрон. Згідно із принципом найменшої енергії, цей електрон має перебувати якомога ближче до ядра, тобто належати першому енергетичному рівню і займати 1s-орбіталь.

Електронна формула атома Гідрогену¹ та її графічний варіант:

¹ Запис електронної формули атома ще називають електронною конфігурацією.

Атом елемента № 2 Гелію містить два електрони. Чи може другий електрон надійти на перший енергетичний рівень? Так, бо максимальна «ємність» першого рівня — 2 електрони. Ці частинки перебуватимуть в одній орбіталі й матимуть різні спіни.

Запишемо електронну формулу атома Гелію та її графічний варіант:

В атомі елемента № 3 Літію — 3 електрони. Два електрони займають 1s-орбіталь; перший енергетичний рівень заповнюється, і третій електрон надходить на другий рівень (схема 2, с. 31). Із 2s- і 2р-орбіталей він «обирає» ту, в якій матиме нижчу енергію, тобто 2s-орбіталь.

Електронна формула атома Літію та її графічний варіант:

Електрони на останньому енергетичному рівні атома називають зовнішніми. В атомі елемента Літію — один зовнішній електрон; він перебуває у 2s-орбіталі.

Щоб виділити в атомі зовнішні електрони, використовують скорочений запис електронної формули. Для атома Літію він такий: [He]2s¹. Символ елемента Гелію у квадратних дужках означає, що внутрішня електронна оболонка атома Літію така сама, як і в атома Гелію (1s²). Скорочені записи електронних формул атомів містяться в короткому варіанті періодичної системи (форзац І, мал. 16).

Мал. 16. Клітинка Літію в періодичній системі

Іноді електронні формули атомів записують, зазначаючи лише зовнішні електрони. Відповідна формула для атома Літію — ... 2s¹.

В атомі елемента № 4 Берилію — 4 електрони. Четвертий електрон «складає пару» третьому й розміщується у 2s-орбіталі:

Атом елемента № 5 Бору має 5 електронів. П’ятий електрон належить другому енергетичному рівню і займає одну із р-орбіталей:

В атомі елемента № 6 Карбону з’являється шостий електрон. Він може або «підселитися» до п’ятого електрона в р-орбіталь, або зайняти вільну р-орбіталь. Реалізується друга можливість: електрони, маючи однойменні заряди, відштовхуються один від одного; їм вигідніше перебувати в різних орбіталях.

Цікаво знати

Електронну будову атомів елементів, відкритих останнім часом, остаточно не з’ясовано.

Електронна формула атома Карбону та її графічний варіант:

Ураховуючи те, що кожний електрон намагається зайняти вільну орбіталь останнього підрівня, а в разі її відсутності «підселяється» до іншого електрона (ці електрони матимуть протилежні спіни), запишемо електронні формули атомів решти елементів 2-го періоду:

Атоми елементів 2-го періоду з орбіталями зовнішнього енергетичного рівня зображено на малюнку 17 (напівзаповнені орбіталі — світло-сірі, повністю заповнені — темно-сірі).

Мал. 17. Атоми елементів 2-го періоду

В атомі елемента № 11 Натрію починається заповнення третього енергетичного рівня. На ньому з’являється один електрон, який розміщується в 3s-орбіталі:

• Складіть електронні формули атомів інших елементів 3-го періоду.

Зверніть увагу на такі факти:

кількість енергетичних рівнів атома, на яких перебувають електрони, збігається з номером періоду, в якому міститься хімічний елемент;
кількість зовнішніх електронів в атомі така сама, що й номер групи, в якій перебуває елемент¹.

¹ Атом Гелію є винятком.

Складемо електронну формулу атома Калію (елемент № 19), який започатковує наступний, 4-й період:

В атомі елемента № 20 Кальцію 20-й електрон також розміщується в 4s-орбіталі, маючи протилежний спін.

• Запишіть електронну формулу атома Кальцію.

Ви бачите, що в атомі не буває електронів з однаковими характеристиками. Вони розміщуються або в різних орбіталях, або в одній, але із різними спінами.

Складаючи електронні формули атомів інших елементів 4-го періоду, потрібно враховувати, що енергія електронів на підрівнях зростає в такому порядку (схема 2):

4s → 3d → 4p.

В атомах Хрому і Купруму послідовність заповнення орбіталей дещо порушується: один електрон переходить із 4s-орбіталі в 3d-орбіталь (форзац 1).

ВИСНОВКИ

Електрони в атомі розміщуються так, щоб їхня енергія була мінімальною.

Електронні формули атомів складають, дотримуючись послідовності зростання енергії електронів у різних орбіталях. Енергетичні рівні заповнюють електронами, починаючи з s-орбіталей. Потім заповнюють р-орбіталі, розміщуючи в кожній спочатку по одному електрону.

Кількість енергетичних рівнів з електронами, що має атом, збігається з номером періоду, в якому міститься елемент, а кількість зовнішніх електронів — із номером групи.

37. Назвіть елемент 2-го періоду, в атомі якого на останньому енергетичному рівні перебуває 6 електронів. Скільки серед них спарених електронів, а скільки — неспарених?

38. Атоми яких елементів 2-го періоду мають один неспарений електрон, два неспарені електрони?

39. Визначте елемент, атом якого має таку електронну формулу: