§ 10. Графічні електронні формули атомів хімічних елементів

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

складати графічні електронні формули атомів;
за графічними електронними формулами атомів розрізняти спарені й неспарені електрони.

За допомогою експериментальних досліджень встановлено, що електрон під час руху обертається навколо уявної лінії — осі.

Обертання електрона можна уявити, скориставшись дитячою іграшкою — дзиґою. Проте, якщо дзиґа завжди обертається в одному напрямку, то частині електронів електронної оболонки атома «приписують» обертання за годинниковою стрілкою, а частині — проти (мал. 25).

Мал. 25. Дзиґа (а) та модель обертання електрона навколо власної осі: б) за годинниковою стрілкою; в) проти годинникової стрілки

СПАРЕНІ ЕЛЕКТРОНИ Й ЕНЕРГЕТИЧНІ КОМІРКИ. Через наявність двох протилежних напрямків обертання абсолютно однакових електронів в атомі не існує. Електрони можуть мати всі однакові характеристики, окрім однієї — напрямку обертання навколо власної осі. Один з них обертається навколо власної осі за годинниковою стрілкою, інший — проти. Два такі електрони перебувають на одній орбіталі й дістали назву спарених електронів. Описуючи будову атома, спарені електрони однієї орбіталі прийнято записувати у квадратику, який називають енергетична комірка, у вигляді протилежно спрямованих стрілок ⇅. З урахуванням цього з’ясуємо, скільки енергетичних комірок є на кожному з енергетичних підрівнів.

Щоб розмістити два електрони s-підрівня, знадобиться 1 комірка — ⇅. Для шести електронів р-підрівня потрібно 3 комірки — ⇅⇅⇅.

ГРАФІЧНІ ЕЛЕКТРОННІ ФОРМУЛИ. Якщо доповнити електронну формулу атома енергетичними комірками та позначити в них стрілками електрони, то одержимо запис графічної електронної формули атома.

Відображення розподілу електронів за енергетичними комірками називається графічною електронною формулою.

Поміркуйте, скільки енергетичних комірок мають підрівні d і f.

Проаналізуйте графічну електронну формулу атома Неону й пересвідчіться, що 10 електронів електронної оболонки його атома розмістилися в п’яти енергетичних комірках. Кожна з них уміщує 2 електрони (одну пару). Отже, в атомах Неону всі електрони спарені й вільних місць в енергетичних комірках немає.

Електрони одного енергетичного підрівня спочатку записують по одному в кожну енергетичну комірку (↑). Після того як вільних комірок не залишиться, починають у кожну комірку з одним електроном додавати ще один (⇅).

Як бачите, на р-підрівні в атома Нітрогену є 3 електрони й три енергетичні комірки. Електрони розміщують по одному в кожній комірці. Загалом в атома Нітрогену 4 електрони спарені (це дві пари s-електронів) і 3 р-електрони неспарені.

Приклад 3. В атома Оксигену така сама кількість енергетичних комірок, що й в атома Нітрогену, але електронів на 1 більше. Цей додатковий електрон вписують у першу енергетичну комірку р-підрівня на другому енергетичному рівні. Отже, в атома Оксигену 6 електронів спарені (це дві пари s-електронів й одна пара р-електронів) і 2 р-електрони неспарені.

З поданих прикладів 2 і 3 ви зрозуміли, що неспарені електрони в енергетичній комірці позначають однією стрілкою. У темі 2 ви дізнаєтеся, що саме наявність неспарених електронів має важливе значення для утворення речовин.

Попрацюйте групами

Складіть графічні електронні формули атомів елементів третього періоду.

Порівняйте графічні електронні формули атомів хімічних елементів із протонними числами: а) 3 й 11; б) 7 і 15; в) 8 і 16. Що спільного в графічних електронних формулах атомів кожної пари хімічних елементів?

Чи хоч один елемент третього періоду містить електрон на підрівні d?

Сторінка ерудита

За наявності в електронній оболонці атома вільних енергетичних комірок електрони можуть з нижчих енергетичних рівнів чи підрівнів переміститися на вищі. Тобто з незбудженого стану атом переходить у збуджений, і спарені електрони стають неспареними. При цьому енергія завжди поглинається.

Такі зміни відбуваються за спеціально створених умов (температура, освітлення, наявність інших речовин тощо). Розглянемо це на прикладі Карбону, пам’ятаючи, що збуджений стан атома позначають «зірочкою»: С*, Сl*.

Графічні електронні формули ілюструють те, що атом Карбону в основному (незбудженому) стані на другому енергетичному рівні має 2 спарені s-електрони та 2 неспарені р-електрони, а також одну вільну (порожню) енергетичну комірку на р-підрівні. Отримавши додатковий запас енергії, s-електрон другого енергетичного рівня переходить на р-підрівень цього самого рівня, і неспарених електронів стає на два більше, тобто 4.

Щодалі від ядра розміщений енергетичний рівень, то більшим запасом енергії наділені його електрони. Щоб підкреслити це, комірки розташовують не лінійно, а на зразок сходинок. Покажемо це на прикладі Аргону.

Стисло про основне

• Графічна електронна формула атома, крім заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів, відображає ще й напрямок обертання електронів (стрілки, вписані в енергетичні комірки).

• Кількість енергетичних комірок на одному підрівні вдвічі менша, ніж максимально можлива кількість електронів на ньому.

• Заповнюючи один енергетичний підрівень, електрони, доки є вільні енергетичні комірки, розміщуються в них по одному, а потім — по два.

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення графічної електронної формули атома.

2. Яка кількість енергетичних комірок на підрівні s, а яка — на підрівні р?

3. Скільки енергетичних комірок необхідно для розміщення максимально можливої кількості електронів:

а) першого енергетичного рівня;
б) другого енергетичного рівня;
в) третього енергетичного рівня?

4. Установіть назву хімічного елемента, електронна формула якого має 6 s-електронів та 6 р-електронів.

5. Установіть назву хімічного елемента, електронна формула якого має закінчення ...3s²3p⁴.

6. В електронній оболонці атома якого хімічного елемента — Нітрогену чи Неону — всі енергетичні комірки повністю заповнені електронами?

7*. Як змінюється графічна електронна формула атома Карбону внаслідок переходу атома у збуджений стан?

8. Розмістіть хімічні елементи за ЗБІЛЬШЕННЯМ кількості повністю заповнених електронами енергетичних комірок.

А Флуор

Б Магній

В Нітроген

Г Оксиген

Застосовуємо

28. Складіть графічну електронну формулу атома Хлору. Скільки в ній: а) спарених електронів; б) неспарених електронів; в) s-електронів; г) р-електронів?

29. Увідповідніть назви хімічних елементів і графічні формули розміщенням електронів зовнішнього енергетичного рівня.