Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель

§ 29. Електронна будова атомів

Будь-які моделі дають змогу уявити та характеризувати різні об’єкти, передусім важкодоступні для спостереження, а також явища, які потребують пояснення. Розглядаючи електронну будову атомів хімічних елементів, ми використаємо модель атома, у якій електрони розподілені в атомі за своєю енергією. Ця модель знадобиться і тоді, коли ви дізнаєтеся, що атоми можуть втрачати електрони або приєднувати їх під час хімічних реакцій і перетворюватися на частинки іншого типу — йони.

Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте

Чому розміщення електронів в атомі не безладне, а впорядковане?
Як заповнювати енергетичні рівні та підрівні електронами в атомах хімічних елементів і складати електронні формули атомів?
Як класифікують хімічні елементи за електронною будовою атомів?

Розміщення електронів в атомах. Чому екзотермічні реакції відбуваються мимовільно? Тому що сумарна внутрішня енергія їх продуктів менша, ніж реагентів, і продукти є стійкішими за реагенти. Це — приклад дії принципу «мінімальної енергії». Керуючись ним, розглянемо, як електрони заповнюють енергетичні рівні та підрівні в атомах хімічних елементів.

В атомі елемента № 1 Гідрогену міститься лише один електрон. Він 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 (заповнюється перший енергетичний рівень), а третій електрон надходить на другий рівень (схема 4, с. 148). Із 2s- і 2р-орбіталей він «обирає» ту, у 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 Літію — один зовнішній електрон; він перебуває у 2s-орбіталі.

Щоб виокремити в атомі зовнішні електрони, використовують скорочений запис електронної формули. Такий запис формули атома Літію: [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 таблиці (мал. 78, форзац I підручника).

Мал. 78. Клітинка Літію в періодичній таблиці

Атом елемента № 4 Берилію містить 4 електрони. Четвертий електрон разом із третім розміщується у 2s-орбіталі:

Атом елемента № 5 Бор має 5 електронів. П’ятий електрон перебуває на другому енергетичному рівні і займає одну із 2р-орбіталей:

В атомі елемента № 6 Карбону з’являється шостий електрон. Він може розміститися разом із п’ятим електроном у р-орбіталі або зайняти вільну р-орбіталь. Реалізується друга можливість: електрони, маючи однойменні заряди, відштовхуються один від одного; їм вигідніше перебувати в різних орбіталях.

Електронна формула атома Карбону та її графічний варіант:

Виконаймо вправу

Узявши до уваги, що кожний електрон намагається зайняти вільну орбіталь підрівня, а в разі її відсутності «підселяється» в орбіталь до іншого електрона, складіть електронні формули атомів Нітрогену, Оксигену, Флуору та Неону, а також зобразіть графічні варіанти цих формул.

Моделі атомів хімічних елементів 2-го періоду з орбіталями другого енергетичного рівня зображено на малюнку 79 (напівзаповнені орбіталі — світло-сірі, цілком заповнені — темно-сірі).

Мал. 79. Моделі атомів елементів 2-го періоду

Обговорюймо

Запропонуйте гіпотезу, чому розміри атомів хімічних елементів у періоді зменшуються, а не збільшуються.

В атомі елемента № 11 Натрію починається заповнення третього енергетичного рівня.

Виконаймо вправу

Складіть електронні формули атомів решти хімічних елементів 3-го періоду.

Варто знати

1. Кількість енергетичних рівнів атома, на яких перебувають електрони, збігається з номером періоду, у якому міститься хімічний елемент.

2. Кількість зовнішніх електронів в атомі така сама, що й номер групи, у якій перебуває хімічний елемент у короткому варіанті періодичної таблиці¹.

¹ Атом Гелію є винятком.

Елемент № 19 Калій започатковує 4-й період. Електронна формула його атома, а також графічний варіант цієї формули:

Виконаймо вправу

Запишіть електронну формулу атома елемента № 20 Кальцію.

Розглянувши графічний варіант електронної формули будь-якого атома, ви дійдете висновку, що в атомі не буває навіть двох електронів з однаковими характеристиками. Ці частинки розміщуються в різних орбіталях або в одній, але з різними спінами.

Якщо забажаєте складати електронні формули атомів решти елементів 4-го періоду, візьміть до уваги, що енергія електронів на підрівнях зростає в такому порядку (схема 4, с. 148):

4s → 3d → 4р.

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

Електронна будова атомів і класифікація хімічних елементів. Залежно від типу орбіталі, у якій перебувають електрони з найбільшою енергією, розрізняють s-eлементи, р-елементи, d-елементи і f-елементи¹.

¹ Клітинки з хімічними елементами кожного типу в періодичній таблиці забарвлено в однаковий колір.

s-Елементи (крім Гелію) перебувають у головних підгрупах І та II груп короткого варіанта періодичної таблиці, а р-елементи — у головних підгрупах III—VIII груп.

Думаймо

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

В усіх побічних підгрупах містяться d-елементи. Лантаноїди та актиноїди, які належать до III групи, є f-елементами; їх винесено за межі основного поля періодичної таблиці.

За кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні атома можна визначити характер хімічного елемента. Атоми металічних елементів мають зазвичай 1—3 таких електрони, атоми неметалічних елементів — від 4-х до 8-ми електронів.

Думаймо

Назвіть неметалічні елементи 1—2-го періодів, які є винятками.

Наводимо винятки серед металічних елементів: атоми Стануму та Плюмбуму містять по чотири зовнішніх електрони, а атом Вісмуту — п’ять.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про особливості електронної будови атомів хімічних елементів № 1—20 і послідовність заповнення електронами орбіталей у цих атомах.

Думаймо

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ

Перевірмо себе

1. Назвіть елемент, атом якого має таку електронну формулу:

a) 1s²2s²2p⁶3s²3p²;

б) [He]2s²2p⁵;

в) [Ar]4s².

2. Атом на другому енергетичному рівні має 6 електронів. Скільки серед них спарених, а скільки — неспарених?

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

4. Укажіть хімічний елемент, електронну будову атома якого описує така графічна формула: