Энергетические уровни.

Атом - электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Ядро находится в центре атома и состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Ядерное строение атома экспериментально доказал в 1911 г. английский физик Э.Резерфорд.

Число протонов определяет положительный заряд ядра и равно порядковому номеру элемента. Число нейтронов вычисляется как разность атомной массы и порядкового номера элемента. Элементы, имеющие одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов), но разную атомную массу (разное количество нейтронов) называются изотопами. Масса атома в основном сосредоточена в ядре, т.к. ничтожно малой массой электронов можно пренебречь. Атомная масса равна сумме масс всех протонов и всех нейтронов ядра.
Химический элемент - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В настоящее время известно 118 различных химических элементов.

Все электроны атома образуют его электронную оболочку. Электронная оболочка имеет отрицательный заряд, равный общему количеству электронов. Число электронов в оболочке атома совпадает с числом протонов в ядре и равно порядковому номеру элемента. Электроны в оболочке распределены по электронным слоям согласно запасам энергии (электроны с близкими значениями энергий образуют один электронный слой): электроны с меньшей энергией находятся ближе к ядру, электроны с большей энергией находятся дальше от ядра. Число электронных слоёв (энергетических уровней) совпадает с номером периода, в котором располагается химический элемент.

Различают завершённые и незавершённые энергетические уровни. Уровень считается завершённым, если содержит максимально возможное количество электронов (первый уровень - 2 электрона, второй уровень - 8 электронов, третий уровень - 18 электронов, четвёртый уровень - 32 электрона и т.д.). Незавершённый уровень содержит меньшее число электронов.
Уровень, максимально удалённый от ядра атома, называется внешним. Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне, называются внешними (валентными) электронами. Число электронов на внешнем энергетическом уровне совпадает с номером группы, в которой находится химический элемент. Внешний уровень считается завершённым, если содержит 8 электронов. Завершённым внешним энергетическим уровнем обладают атомы элементов 8А группы (инертные газы гелий, неон, криптон, ксенон, радон).

Область пространства вокруг ядра атома, в которой наиболее вероятно нахождение электрона, называют электронной орбиталью. Орбитали отличаются уровнем энергии и формой. По форме различают s-орбитали (сфера), p-орбитали (объёмная восьмёрка), d-орбитали и f-орбитали. На каждом энергетическом уровне есть свой набор орбиталей: на первом энергетическом уровне - одна s-орбиталь, на втором энергетическом уровне - одна s- и три p-орбитали, на третьем энергетическом уровне - одна s-, три p-, пять d-орбиталей, на четвертом энергетическом уровне одна s-, три p-, пять d-орбиталей и семь f-орбиталей. На каждой орбитале могут располагаться максимально два электрона.
Распределение электронов по орбиталям отражается с помощью электронных формул. Например, для атома магния распределение электронов по энергетическим уровням будет следующим: 2е, 8е, 2е. Данная формула показывает, что 12 электронов атома магния распределены по трём энергетическим уровням: первый уровень завершён и содержит 2 электрона, второй уровень завершён и содержит 8 электронов, третий уровень не завершён, т.к. содержит 2 электрона. Для атома кальция распределение электронов по энергетическим уровням будет следующим: 2е, 8е, 8е, 2е. Данная формула показывает, что 20 электронов кальция распределены по четырём энергетическим уровням: первый уровень завершён и содержит 2 электрона, второй уровень завершён и содержит 8 электронов, третий уровень не завершён, т.к. содержит 8 электронов, четвёртый уровень не завершён, т.к. содержит 2 электрона.

Cтраница 1

Внешний энергетический уровень (электронная оболочка) их атомов содержит два электрона в s - подуровне. Этим они сходны с элементами главной подгруппы. Предпоследний же энергетический уровень содержит 18 электронов.  

Внешний энергетический уровень иона S2 заполнен максимально возможным количеством электронов (8), и рследствие этого ион S2 может проявлять только электронодонорные функции: отдавая 2 электрона, он окисляется до элементарной серы, имеющей окислительное число, равное нулю.  

Если внешний энергетический уровень атома состоит из трех, пяти или семи электронов и атом относится к / J-элементам, то он может отдавать последовательно от 1 до 7 электронов. Атомы, внешний уровень которых состоит из трех электронов, могут отдавать один, два и три электрона.  

Если внешний энергетический уровень атома состоит из трех, пяти или семи электронов и атом относится к р-элементам, то он может отдавать последовательно от одного до семи электронов. Атомы, внешний уровень которых состоит из трех электронов, могут отдавать один, два и три электрона.  

Так как внешний энергетический уровень содержит два s - электрона, поэтому они сходны с элементами подгруппы ПА. Предпоследний энергетический уровень содержит 18 электронов. Если в подгруппе меди подуровень (п - l) d10 еще не стабилен, то в подгруппе цинка он вполне стабилен, и d - электроны у элементов подгруппы цинка не принимают участия в химических связях.  

Для завершения внешнего энергетического уровня атому хлора недостает одного электрона.  

Для завершения внешнего энергетического уровня атому кислорода не хватает двух электронов. Однако в соединении кислорода с фтором OF2 общие электронные пары смещены к фтору, как к более электроотрицательному элементу.  

Для завершения внешнего энергетического уровня кислороду не хватает двух электронов.  

В атоме аргона внешний энергетический уровень является завершенным.  

По электронному строению внешнего энергетического уровня элементы делятся на две подгруппы: VA - N, P, As, Sb, Bi - неметаллы и VB - V, Nb, Та - металлы. Радиусы атомов и ионов в степени окисления 5 в подгруппе VA планомерно нарастают от азота к висмуту. Следовательно, различие строения предвнешнего слоя мало сказывается на свойствах элементов и их можно рассматривать как одну подгруппу.  

Сходство в строении внешнего энергетического уровня (табл. 5) отражается на свойствах элементов и их соединений. Это объясняется тем, что в атоме кислорода неспаренные электроны находятся на р-орбиталях второго слоя, на котором максимально может быть восемь электронов.  

Вспомним вкратце, что мы уже знаем о строении электронной оболочки атомов:

• 
  число энергетических уровней атома = номеру периода, в котором находится элемент;
• 
  максимальная емкость каждого энергетического уровня вычисляется по формуле 2n 2
• 
  внешняя энергетическая оболочка не может содержать для элементов 1 периода более 2-х электронов, для элементов других периодов более 8 электронов

Еще раз вернемся к анализу схемы заполнения энергетических уровней у элементов малых периодов:

Таблица1.Заполнение энергетических уровней

У элементов малых периодов

Проанализируйте таблицу 1. Сравните число электронов на последнем энергетическом уровне и номер группы, в которой находится химический элемент.

Заметили ли Вы, что число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов совпадает с номером группы , в которой находится элемент (исключение составляет гелий)?

!!! Это правило справедливо только для элементов главных подгрупп.

Каждый период системы Д.И. Менделеева заканчивается инертным элементом (гелий He, неон Ne, аргон Ar). Внешний энергетический уровень этих элементов содержит максимально возможное число электронов: гелий -2, остальные элементы – 8. Это элементы VIII группы главной подгруппы. Энергетический уровень, схожий со строением энергетического уровня инертного газа, называют завершенным . Это своеобразный предел прочности энергетического уровня для каждого элемента Периодической системы. Молекулы простых веществ – инертных газов состоят из одного атома и отличаются химической инертностью, т.е. практически не вступают в химические реакции.

У остальных элементов ПСХЭ энергетический уровень отличается от энергетического уровня инертного элемента, такие уровни называют незавершенными . Атомы этих элементов стремятся к завершению внешнего энергетического уровня, отдавая или принимая электроны.

Вопросы для самоконтроля

1. 
   Какой энергетический уровень называется внешним?
2. 
   Какой энергетический уровень называется внутренним?
3. 
   Какой энергетический уровень называется завершенным?
4. 
   Элементы какой группы и подгруппы имеют завершенный энергетический уровень?
5. 
   Чему равно число электронов на внешнем энергетическом уровне элементов главных подгрупп?
6. 
   Чем схожи по строению электронного уровня элементы одной главной подгруппы
7. 
   Сколько электронов на внешнем уровне содержат элементы а) IIA группы;

Посмотреть ответ

1. 
   Последний
2. 
   Любой, кроме последнего
3. 
   Тот, который содержит максимальное число электронов. А также внешний уровень, если он содержит 8 электронов для I периода - 2 электрона.
4. 
   Элементы VIIIA группы (инертные элементы)
5. 
   Номеру группы, в которой находится элемент
6. 
   У всех элементов главных подгрупп на внешнем энергетическом уровне содержится столько электронов, каков номер группы
7. 
   а) у элементов IIA группы на внешнем уровне 2 электрона; б) у элементов IVA группы – 4 электрона; в) у элементов VII A группы – 7 электронов.

Задания для самостоятельного решения

1. 
   Определите элемент по следующим признакам: а) имеет 2 электронных уровня, на внешнем – 3 электрона; б) имеет 3 электронных уровня, на внешнем – 5 электронов. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням этих атомов.
2. 
   Какие два атома имеют одинаковое число заполненных энергетических уровней?

1. 
   Сколько электронов находится на внешнем энергетическом уровне магния?
2. 
   Сколько электронов содержится в атоме неона?
3. 
   Какие два атома имеют одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне: а) натрий и магний; б) кальций и цинк; в) мышьяк и фосфор г) кислород и фтор.
4. 
   На внешнем энергетическом уровне атома серы электронов: а) 16; б) 2; в) 6 г) 4
5. 
   Что общего у атомов серы и кислорода: а) число электронов; б) число энергетических уровней в) номер периода г) число электронов на внешнем уровне.
6. 
   Что общего у атомов магния и фосфора: а) число протонов; б) число энергетических уровней в) номер группы г) число электронов на внешнем уровне.
7. 
   Выберите элемент второго периода, у которого на внешнем уровне находится один электрон: а) литий; б) бериллий; в) кислород; г) натрий
8. 
   На внешнем уровне атома элемента третьего периода находится 4 электрона. Укажите этот элемент: а) натрий; б) углерод в) кремний г) хлор
9. 
   В атоме 2 энергетических уровня, находится 3 электрона. Укажите этот элемент: а) алюминий; б) бор в) магний г) азот

Посмотреть ответ :

1. а) Установим «координаты» химического элемента: 2 электронных уровня – II период; 3 электрона на внешнем уровне – III А группа. Это бор 5 B. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2е - , 3е -

Б) III период, VА группа, элемент фосфор 15 Р. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2е - , 8е - , 5е -

2. г) натрий и хлор.

Пояснение : а) натрий: +11 ) 2 ) 8 ) 1 (заполненных 2) ←→ водород: +1) 1

Б) гелий: +2 ) 2 (заполненых 1) ←→ водород: водород: +1) 1

В) гелий: +2 ) 2 (заполненных 1) ←→ неон: +10 ) 2 ) 8 (заполненных 2)

*г) натрий: +11 ) 2 ) 8 ) 1 (заполненных 2) ←→ хлор: +17 ) 2 ) 8 ) 7 (заполненных 2)

4. Десять. Число электронов = порядковому номеру

1. 
   в) мышьяк и фосфор. Одинаковое число электронов имеют атомы, расположенные в одной подгруппе.

А) натрий и магний (в разных группах); б) кальций и цинк (в одной группе, но разных подгруппах) ; * в) мышьяк и фосфор (в одной, главной, подгруппе) г) кислород и фтор (в разных группах).

7. г) число электронов на внешнем уровне

8. б) число энергетических уровней

9. а) литий (находится в IA группе II периода)

10. в) кремний (IVA группа, III период)

11. б) бор (2 уровня - II период , 3 электрона на внешнем уровне – IIIA группа )

Что происходит с атомами элементов во время химических реакций? От чего зависят свойства элементов? На оба эти вопроса можно дать один ответ: причина лежит в строении внешнего В нашей статье мы рассмотрим электронное металлов и неметаллов и выясним зависимость между структурой внешнего уровня и свойствами элементов.

Особые свойства электронов

При прохождении химической реакции между молекулами двух или более реагентов происходят изменения в строении электронных оболочек атомов, тогда как их ядра остаются неизменными. Сначала ознакомимся с характеристиками электронов, находящихся на наиболее удаленных от ядра уровнях атома. Отрицательно заряженные частицы располагаются слоями на определенном расстоянии от ядра и друг от друга. Пространство вокруг ядра, где нахождение электронов наиболее возможно, называется электронной орбиталью. В ней сконденсировано около 90 % отрицательно заряженного электронного облака. Сам электрон в атоме проявляет свойство дуальности, он одновременно может вести себя и как частица, и как волна.

Правила заполнения электронной оболочки атома

Количество энергетических уровней, на которых находятся частицы, равно номеру периода, где располагается элемент. На что же указывает электронный состав? Оказалось, что количество электронов на внешнем энергетическом уровне для s- и p-элементов главных подгрупп малых и больших периодов соответствует номеру группы. Например, у атомов лития первой группы, имеющих два слоя, на внешней оболочке находится один электрон. Атомы серы содержат на последнем энергетическом уровне шесть электронов, так как элемент расположен в главной подгруппе шестой группы и т. д. Если же речь идет о d-элементах, то для них существует следующее правило: количество внешних отрицательных частиц равно 1 (у хрома и меди) или 2. Объясняется это тем, что по мере увеличения заряда ядра атомов вначале происходит заполнение внутреннего d- подуровня и внешние энергетические уровни остаются без изменений.

Почему изменяются свойства элементов малых периодов?

В малыми считаются 1, 2, 3 и 7 периоды. Плавное изменение свойств элементов по мере возрастания ядерных зарядов, начиная от активных металлов и заканчивая инертными газами, объясняется постепенным увеличением количества электронов на внешнем уровне. Первыми элементами в таких периодах являются те, чьи атомы имеют всего один или два электрона, способные легко отрываться от ядра. В этом случае образуется положительно заряженный ион металла.

Амфотерные элементы, например, алюминий или цинк, свои внешние энергетические уровни заполняют небольшим количеством электронов (1- у цинка, 3 - у алюминия). В зависимости от условий протекания химической реакции они могут проявлять как свойства металлов, так и неметаллов. Неметаллические элементы малых периодов содержат от 4 до 7 отрицательных частиц на внешних оболочках своих атомов и завершают ее до октета, притягивая электроны других атомов. Например, неметалл с наибольшим показателем электроотрицательности - фтор, имеет на последнем слое 7 электронов и всегда забирает один электрон не только у металлов, но и у активных неметаллических элементов: кислорода, хлора, азота. Заканчиваются малые периоды, как и большие, инертными газами, чьи одноатомные молекулы имеют полностью завершенные до 8 электронов внешние энергетические уровни.

Особенности строения атомов больших периодов

Четные ряды 4, 5, и 6 периодов состоят из элементов, внешние оболочки которых вмещают всего один или два электрона. Как мы говорили ранее, у них происходит заполнение электронами d- или f- подуровней предпоследнего слоя. Обычно это - типичные металлы. Физические и химические свойства у них изменяются очень медленно. Нечетные ряды вмещают такие элементы, у которых заполняются электронами внешние энергетические уровни по следующей схеме: металлы - амфотерный элемент - неметаллы - инертный газ. Мы уже наблюдали ее проявление во всех малых периодах. Например, в нечетном ряду 4 периода медь является металлом, цинк - амфотерен, затем от галлия и до брома происходит усиление неметаллических свойств. Заканчивается период криптоном, атомы которого имеют полностью завершенную электронную оболочку.

Как объяснить деление элементов на группы?

Каждая группа - а их в короткой форме таблицы восемь, делится еще и на подгруппы, называемые главными и побочными. Такая классификация отражает различное положение электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов. Оказалось, что у элементов главных подгрупп, например, лития, натрия, калия, рубидия и цезия последний электрон расположен на s-подуровне. Элементы 7 группы главной подгруппы (галогены) заполняют отрицательными частицами свой p-подуровень.

Для представителей побочных подгрупп, таких, как хром, типичным будет наполнение электронами d-подуровня. А у элементов, входящих в семейства накопление отрицательных зарядов происходит на f-подуровне предпоследнего энергетического уровня. Более того, номер группы, как правило, совпадает с количеством электронов, способных к образованию химических связей.

В нашей статье мы выяснили, какое строение имеют внешние энергетические уровни атомов химических элементов, и определили их роль в межатомных взаимодействиях.

Каждый период Периодической системы Д. И. Менделеева заканчивается инертным, или благородным, газом.

Самым распространённым из инертных (благородных) газов в атмосфере Земли является аргон, который удалось выделить в чистом виде раньше других аналогов. В чём причина инертности гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона?

В том, что у атомов инертных газов на внешних, самых удалённых от ядра уровнях находится восемь электронов (у гелия - два). Восемь электронов на внешнем уровне - предельное число для каждого элемента Периодической системы Д. И. Менделеева, кроме водорода и гелия. Это своеобразный идеал прочности энергетического уровня, к которому стремятся атомы всех остальных элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Добиваться такого положения электронов атомы могут двумя путями: отдавая электроны с внешнего уровня (в этом случае внешний незавершённый уровень исчезает, а предпоследний, который был завершён в предыдущем периоде, становится внешним) или принимая электроны, которых не хватает до заветной восьмёрки. Атомы, имеющие на внешнем уровне меньшее число электронов, отдают их атомам, у которых на внешнем уровне больше электронов. Легко отдать один электрон, когда он единственный на внешнем уровне, атомам элементов главной подгруппы I группы (IA группы). Труднее отдавать два электрона, например, атомам элементов главной подгруппы II группы (IIA группы). Ещё труднее отдавать свои три внешних электрона атомам элементов III группы (IIIA группы).

Тенденцию к отдаче электронов с внешнего уровня имеют атомы элементов-металлов . И чем легче атомы элемента-металла отдают свои внешние электроны, тем в большей степени выражены у него металлические свойства. Понятно поэтому, что наиболее типичными металлами в Периодической системе Д. И. Менделеева являются элементы главной подгруппы I группы (IA группы). И наоборот, тенденцию к принятию недостающих до завершения внешнего энергетического уровня имеют атомы элементов-неметаллов. Из сказанного можно сделать следующий вывод. В пределах периода с увеличением заряда атомного ядра, а соответственно и с увеличением числа внешних электронов металлические свойства химических элементов ослабевают. Неметаллические свойства элементов, характеризующиеся лёгкостью принятия электронов на внешний уровень, при этом усиливаются.

Наиболее типичными неметаллами являются элементы главной подгруппы VII группы (VIIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. На внешнем уровне атомов этих элементов находятся семь электронов. До восьми электронов на внешнем уровне, т. е. до устойчивого состояния атомов, им не хватает по одному электрону. Они легко их присоединяют, проявляя неметаллические свойства.

А как ведут себя атомы элементов главной подгруппы IV группы (IVA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева? Ведь у них на внешнем уровне четыре электрона, и им, казалось бы, всё равно, отдать или принять четыре электрона. Выяснилось, что на способность атомов отдавать или принимать электроны оказывает влияние не только число электронов на внешнем уровне, но и радиус атома. В пределах периода число энергетических уровней у атомов элементов не изменяется, оно одинаково, а вот радиус уменьшается, так как увеличивается положительный заряд ядра (число протонов в нём). Вследствие этого притяжение электронов к ядру усиливается, и радиус атома уменьшается, атом как бы сжимается. Поэтому становится всё труднее отдать внешние электроны и, наоборот, всё легче принять недостающие до восьми электроны.

В пределах одной и той же подгруппы радиус атома увеличивается с увеличением заряда атомного ядра, так как при постоянном числе электронов на внешнем уровне (он равен номеру группы) увеличивается число энергетических уровней (оно равно номеру периода). Поэтому атому становится всё легче отдать внешние электроны.

В Периодической системе Д. И. Менделеева с увеличением порядкового номера свойства атомов химических элементов изменяются следующим образом.

Каков же результат принятия или отдачи электронов атомами химических элементов?

Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла IA группы и атом неметалла VIIA группы. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон, а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершённым.

Атом металла легко отдаст свой наиболее удалённый от ядра и слабо связанный с ним электрон атому неметалла, который предоставит ему свободное место на своём внешнем энергетическом уровне.

Тогда атом металла, лишённый одного отрицательного заряда, приобретёт положительный заряд, а атом неметалла благодаря полученному электрону превратится в отрицательно заряженную частицу - ион.

Оба атома осуществят свою «заветную мечту» - получат столь желанную восьмёрку электронов на внешнем энергетическом уровне. Но что произойдёт дальше? Разноимённо заряженные ионы в полном соответствии с законом притяжения противоположных зарядов тут же соединятся, т. е. между ними возникнет химическая связь.

Рассмотрим образование этой химической связи на примере хорошо знакомого всем соединения хлорида натрия (поваренной соли):

Процесс превращения атомов в ионы изображён на схеме и рисунке:

Например, ионная связь образуется и при взаимодействии атомов кальция и кислорода:

Такое превращение атомов в ионы происходит всегда при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.

В заключение рассмотрим алгоритм (последовательность) рассуждений при записи схемы образования ионной связи, например между атомами кальция и хлора.

1. Кальций - это элемент главной подгруппы II группы (НА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева, металл. Его атому легче отдать два внешних электрона, чем принять недостающие шесть:

2. Хлор - это элемент главной подгруппы VII группы (VIIA группы) таблицы Д. И. Менделеева, неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего энергетического уровня, чем отдать семь электронов с внешнего уровня:

3. Сначала найдём наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов, оно равно 2 (2×1). Затем определим, сколько атомов кальция нужно взять, чтобы они отдали два электрона (т. е. надо взять 1 атом Са), и сколько атомов хлора надо взять, чтобы они могли принять два электрона (т. е. нужно взять 2 атома Сl).

4. Схематично образование ионной связи между атомами кальция и хлора можно записать так:

Для выражения состава ионных соединений пользуются формульными единицами - аналогами молекулярных формул.

Цифры, показывающие число атомов, молекул или формульных единиц, называют коэффициентами, а цифры, показывающие число атомов в молекуле или ионов в формульной единице, называют индексами.

В первой части параграфа мы сделали вывод о характере и причинах изменения свойств элементов. Во второй части параграфа приведём ключевые слова.

Ключевые слова и словосочетания

1. Атомы металлов и неметаллов.
2. Ионы положительные и отрицательные.
3. Ионная химическая связь.
4. Коэффициенты и индексы.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. Сравните строение и свойства атомов: а) углерода и кремния; б) кремния и фосфора.
2. Рассмотрите схемы образования ионной связи между атомами химических элементов: а) калия и кислорода; б) лития и хлора; в) магния и фтора.
3. Назовите самый типичный металл и самый типичный неметалл Периодической системы Д. И. Менделеева.
4. Пользуясь дополнительными источниками информации, объясните, почему инертные газы стали называть благородными.