Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко

§ 9. Послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів в атомах хімічних елементів № 1-20. Електронні формули атомів

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

• схарактеризувати розподіл електронів за енергетичними рівнями та підрівнями;
• пояснити послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів;
• складати електронні формули атомів;
• отримувати інформацію про будову електронної оболонки атома з його електронної формули.

Дмитро Іванович Менделєєв установив періодичну залежність властивостей елементів і їхніх сполук від атомної маси. Фізики підтвердили цю залежність і пов’язали її із зарядом ядер атомів. Але зверніть увагу, що заряди ядер атомів постійно збільшуються, а властивості елементів та утворених ними сполук періодично повторюються.

Для того щоб зрозуміти взаємозв’язок будови електронної оболонки атома й періодичної повторюваності властивостей речовин, з’ясуємо послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів та підрівнів перших 20 хімічних елементів періодичної системи.

ЗАПОВНЕННЯ ЕЛЕКТРОНАМИ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РІВНІВ ТА ПІДРІВНІВ. За сучасною теорією будови атома, заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів в атомах перших 20 хімічних елементів періодичної системи підлягає таким правилам.

1. Загальна кількість електронів в електронній оболонці атома дорівнює порядковому номеру (протонному числу) хімічного елемента.

2. Заповнення енергетичних рівнів відбувається за принципом зростання енергії електронів. Тому в межах одного енергетичного рівня першим заповнюється електронами s-підрівень, потім — р-підрівень.

3. Спочатку електронами заповнюється перший енергетичний рівень, потім другий, і тільки після остаточного заповнення другого енергетичного рівня розпочинається заповнення третього рівня.

4. Максимальна кількість електронів на першому енергетичному рівні два, на другому — вісім, на третьому — вісімнадцять.

5. Максимальна кількість електронів на підрівні s — 2, підрівні р — 6.

Для елементів 4-го періоду правило 2 справджується для Калію і Кальцію. У решти елементів 4-7 періодів окрім s- і р-підрівнів електрони заповнюють d- і f-підрівні.

ЕЛЕКТРОННІ ФОРМУЛИ АТОМІВ. Заповнення електронами енергетичних рівнів та підрівнів електронної оболонки атома відображають записом, що має назву електронна формула атома (інша назва — електронна конфігурація атома).

Електронна формула атома — це запис розподілу електронів , у якому за допомогою арабських чисел 1-7 позначені енергетичні рівні, англійськими літерами s, р, d, f — енергетичні підрівні, а верхніми індексами — кількість електронів на підрівні.

Наприклад, записом 1s² (читається один-ес-два) позначено електронну формулу атома Гелію — перший енергетичний рівень з наявним одним підрівнем s, заповненим двома електронами (мал. 24).

Мал. 24. Електронна формула атома Гелію

Інший приклад. Електронна формула атома Нітрогену 1s²2s²2p³ означає, що його електронна оболонка складається з двох енергетичних рівнів і містить 7 електронів. На першому енергетичному рівні на s-підрівні містяться два s-електрони. На другому енергетичному рівні є два підрівні: s-підрівень із двома s-електронами та р-підрівень із трьома р-електронами. Тобто s-підрівень заповнений повністю, р-підрівень — наполовину.

ПОСЛІДОВНІСТЬ ЗАПОВНЕННЯ ЕЛЕКТРОНАМИ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РІВНІВ, ПІДРІВНІВ В АТОМАХ ЕЛЕМЕНТІВ № 1-20. Перший період складається лише з двох елементів — Гідрогену та Гелію. У Гідрогену заповнення першого енергетичного рівня розпочинається, а в Гелію — завершується. Зазначимо електронні формули цих атомів.

₁Н — 1s¹

₂Не — 1s²

Третім у періодичній системі розміщено хімічний елемент Літій. Номер періоду вказує на наявність двох енергетичних рівнів як у Літію, так і в решти елементів цього періоду (до Неону включно). Згідно з поданими правилами та розглянутими прикладами, напишемо електронні формули атомів хімічних елементів другого періоду.

Зверніть увагу на те, як одним записом зазначають і хімічний елемент, і електронну формулу його атома.

₃Li — 1s²2s¹

₄Be — 1s²2s²

₅B — 1s²2s²2p¹

₆C — 1s²2s²2p²

₇N — 1s²2s²2p³

₈O — 1s²2s²2p⁴

₉F — 1s²2s²2p⁵

₁₀Ne — 1s²2s²2p⁶

Як бачимо, у атома Бору з’явився перший р-електрон і розпочалося заповнення р-підрівня. У кожного з наступних п’яти елементів — Карбону, Нітрогену, Оксигену, Флуору та Неону — електронна оболонка збагачується на 1 електрон, і всі вони заповнили р-підрівень другого енергетичного рівня.

Неоном закінчується другий період, і в нього завершується заповнення електронами другого енергетичного рівня. Для одинадцятого електрона наступного елемента Натрію, яким починається третій період, вільних орбіталей на другому енергетичному рівні не залишилося.

Вам відомо, що на третьому енергетичному рівні, крім s- та р-підрівнів, наявний підрівень d (максимально можлива кількість електронів — 10). Але доки не заповняться електронами s- та р-підрівні третього енергетичного рівня, його d-підрівень залишатиметься порожнім. Інколи порожній d-підрівень третього енергетичного рівня зазначають в електронній формулі атома як 3d⁰.

Згідно з правилами одинадцятий електрон атома Натрію розпочинає заповнення третього енергетичного рівня також з підрівня s.

11Na — 1s²2s²2p⁶3s¹

В атома Магнію завершується заповнення s-підрівня третього енергетичного рівня.

₁₂Mg — 1s²2s²2p⁶3s²

Після того як s-підрівень третього енергетичного рівня атома Магнію заповнився електронами, в атома Алюмінію розпочинається заповнення р-підрівня. Завершується воно в атома Аргону.

₁₃Аl — 1s²2s²2p⁶3s²3p¹

₁₄Si — 1s²2s²2p⁶3s²3p²

₁₅P — 1s²2s²2p⁶3s²3p³

₁₆S — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₁₇Cl — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

₁₈Ar — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Як бачимо, в елементів третього періоду d-підрівень не заповнювався електронами.

Дев’ятнадцятим електроном електронної оболонки атома Калію розпочинається заповнення четвертого енергетичного рівня його атома, а не продовжується заповнення третього, хоча в ньому лишається порожнім d-підрівень:

₁₉К — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s¹

В атома Кальцію d-підрівень третього енергетичного рівня також залишається порожнім, а двадцятий електрон заповнює s-підрівень четвертого енергетичного рівня:

₂₀Са — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s²

ПРИЧИНА ПЕРІОДИЧНОСТІ. Випишемо в стовпчик електронні формули атомів лужних елементів:

₃Li — 1s²2s¹

₁₁Na — 1s²2s²2p⁶3s¹

₁₉K — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s¹

Вивчаючи природну родину лужних елементів (параграф 4), ви дізналися про подібність властивостей простих речовин і сполук цих елементів. Як видно із записів електронних формул атомів Літію, Натрію, Калію, ці елементи мають однакову будову зовнішнього енергетичного рівня — він містить лише один s-електрон.

Причиною періодичної повторюваності властивостей хімічних елементів № 1-20 й утворених ними сполук є існування елементів з однаковою будовою зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атома.

Стисло про основне

• Електронна формула атома — це позначення розміщення електронів в електронній оболонці атома за допомогою цифр (від 1 до 7) та літер англійського алфавіту s, р, d, f з верхніми індексами, що вказують на кількість електронів на кожному енергетичному підрівні.

• Для того щоб безпомилково скласти електронну формулу атома, необхідно: а) дізнатися, скільки всього електронів має атом; б) з’ясувати, в якому періоді періодичної системи розміщено елемент; в) у записі дотримуватися послідовності заповнення електронами енергетичних рівнів та підрівнів.

• Періодична повторюваність властивостей елементів № 1-20 є наслідком періодичної повторюваності будови зовнішнього енергетичного рівня їхніх електронних оболонок.

Сторінка ерудита

Зверніться до періодичної системи та пересвідчіться, що в четвертому періоді після Калію і Кальцію — елементів головних підгруп (груп А) — розміщено 10 елементів побічних підгруп (груп Б) із протонними числами 21-30. Особливість заповнення електронами електронних оболонок їхніх атомів полягає в тому, що зовнішній (четвертий) енергетичний рівень має завершений лише s-підрівень (4s²), а кожний з 10 електронів, що послідовно з’являються в елементів побічних підгруп (груп Б), заповнює підрівень d передостаннього (третього) енергетичного рівня.

₂₁Sc — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²

₃₀Zn — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²

В атомах деяких елементів побічних підгруп (груп Б), один із двох s-електронів зовнішнього енергетичного рівня може переміститися на d-підрівень третього енергетичного рівня, як, наприклад, у Купруму.

₂₉Cu — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹

Та в будь-якому разі кількість електронів дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі.

Знаємо, розуміємо

1. Який порядок заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів?

2. Що є спільного в будові електронних оболонок атомів:

• а) Берилію й Магнію;
• б) Алюмінію й Сульфуру;
• в) Неону й Аргону?

Підтвердьте відповідь записами електронних формул атомів.

3. Чому за постійного збільшення зарядів ядер атомів властивості елементів та утворених ними сполук періодично повторюються?

4. За електронними формулами атомів хімічних елементів установіть їхні назви.

• а) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹
• б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶
• в) 1s²2s²2p⁶3s¹

Застосовуємо

25. Знайдіть і виправте помилки в записах електронних формул атомів:

• a) 1s²2s¹2р⁷3s²3p⁵;
• б) 1s¹2s²2p⁶3s²3p²;
• в) 1s²2s²2p⁷.

26. Укажіть назву хімічного елемента, електронна формула атома якого має закінчення ...3s¹.

А Гідрогену

Б Літію

В Магнію

Г Натрію

27. Уявіть, що з електронної оболонки атома Кальцію якимось чином видалили всі електрони. І перед вами постало завдання повернути їх на свої місця. Які рівні та підрівні займуть перший, шостий, шістнадцятий електрони?