Как сделать строение электронных оболочек атомов

Обновлено: 02.07.2024

Сегодня мы будем путешествовать в микромир – мир атома. Даже если превратить нас в песчинку, то по сравнению с размером ядра атомов химических элементов, мы будем гигантами.

План урока:

Строение атома

Как описать строение, то чего невозможно увидеть, а можно только представить. Ведь современные электронные микроскопы появились только в XX веке.

Атом – как мельчайшая частица, известна ещё с древних времён. Древнегреческий философ Демокрит считал, что свойства веществ определяются определённым типом атома. Даже тонкая материя, душа, по его мнению, состоит из атомов. Так тела бывают в разных агрегатных состояниях, поэтому атомы металлов будут с зубцами, жидкости будут обладать гладкими, это будет причиной их текучести.

Долгое время атом считали неделимым. Заглянув в словарь синонимов, можно увидеть пару синонимов для слова атом, неделимый, мельчайшая частица. Теория о неделимости существовала до XIX века, пока экспериментально не подтвердили, что ядро атома состоит из более мелких частиц. Но как они располагаются в атоме, как конфеты драже в кармашке, или по версии Томсона, который сравнивал электроны с изюминками, хаотично разбросанных в кексе. Учёный с Японии Хантаро Нагаока сравнил атом с загадочной планетой Сатурн, которая известна своим кольцом. Саму планету он сравнил с массивным ядром, а роль кольца отдал электронам.

В конце XIX века, начале XX происходит стремительное развитие науки, открываются новые частицы α и β. Позже было установлено, что это ядро атома элемента Не и электроны.

Английский физик Резерфорд сравнил атом с Солнечной системой. Солнце – это очень большая звезда, которая находится в центре. Масса Солнца занимает 99,86 % от массы всей Солнечной системы. Подобно планетам, электроны вращаются вокруг ядра, каждый из них занимает своё положение - орбиталь. Т.е. электроны – это оболочка атома.

В ходе данных исследований было доказано, что атом представляет совокупность заряженных и нейтральных частичек.

Анализируя размеры, важно запомнить, что радиус ядра атома, будет всегда значительно меньше радиуса всего атома. Этот факт объясняется тем, что частицы составляющие ядро более компактно упакованы, чем электроны.

Ядро атома

Орешки фундука явно вы видели. В середине ореха находится большое ядро, занимающее почти всю массу ореха, оставляя малое пространство между скорлупой.

Ядро атома элемента имеет в составе протоны и нейтроны, которые принято называть нуклонами.

Данные частицы не относятся к элементарным, научно доказано, что они состоят с кварков (в словарь). Нейтроны в ядре атома не несут никакого заряда, они нейтральны. Протоны в ядре атома определяют его заряд.

Сумма протонов и нейтронов составляет массовое число ядра атома (нуклонное).

Вы наверняка замечали, что значение Ar в ПСХЭ имеет вид не целого числа, с чем это связано? Причина кроется в том, что химические элементы существуют в виде изотопов.

Чтобы понять суть этого понятия, давайте вспомним, чем особенный каждый элемент? Заряд ядра атома постоянен, другими словами, неизменимое количество протонов. Значит, это будет разновидность элементов, которые будут отличаться нуклонным числом, и как следствие, количеством нейтронов.

Именно по причине существования изотопов, Ar не имеет целого числового значения. Например, количество изотопов хлора – 2.

Масса изотопов и их процентное содержание составляют относительную массу элемента.

Возможно, вы ранее замечали, что в ПСХЭ есть пара элементов, которые нарушают порядок размещения по увеличению относительной атомной массы. Это пары K – Ar, Co – Ni, Te – I.

Некоторые изотопы отличаются особенной способностью самовольно превращаться в другие элементы – это явление носит название радиоактивность, а сами элементы – радиоактивные. Таким образом, они делятся на стабильные и радиоактивные изотопы.

Изотопы элементов после Висмута в ПСХЭ, начиная с 84, будут относиться к радиоактивным элементам.

В ходе распада радиоактивного изотопа образуются новые элементы, также могут выделяться частицы α (ядра атома ), β – это поток электронов ( , γ – это поток электромагнитных нейтральных частиц – фотонов.

Электроны в атоме

Давайте рассмотрим, какое место занимают электроны в атоме. Если ядро составляет 99,86 % от массы, а, как известно, что количество протонов и электронов равно. То на долю электронов приходится всего 0,14% от массы.

На данный момент, электрон считают элементарной частицей.

Модель Резерфорда (планетарная) на очень примитивном уровне даёт представление,как располагаются электроны и протоны в атоме, поскольку атом имеет достаточно сложное строение.

Электрон настолько мал и находится в постоянном движении с достаточно большой скоростью, что зафиксировать его в определённом месте и времени сложно. Именно по этой причине говорят, что электрон в атоме находится не в заданной точке, а может там предположительно находиться, потому что его зафиксировать в определённый момент времени невозможно.

Ядро атома Водорода имеет 1 протон, вокруг которого вращается один электрон. Но как быть, если количество электронов в атоме будет два и более, каким образом они будут размещаться.

Поскольку они двигаются с достаточной большой скоростью, то чтобы указать распределение электронов в атоме используют 4 числа – орбитальные характеристики.

Прежде чем, мы перейдём к орбитальным характеристикам, давайте представим многоэтажный дом, в который необходимо разместить жителей, в нашем случае – это электроны.

Первая орбитальная характеристика

Другими словами, представляем, что наш многоэтажный дом содержит 7 этажей. Цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 обозначают номер этажа или энергетические уровни электрона в атоме.

Вторая орбитальная характеристика

Возвращаемся к нашему, многоэтажному дому, орбитальное число показывает типы орбиталей или в сравнении с домом квартиры s, p, d и f.

Третья орбитальная характеристика

Представить квартиру, в виде ячейки или квадрата, так вот магнитное квантовое число указывает число орбиталей.

Смотрим, на первом этаже размещается только s-квартиры, которые будут однокомнатными. На втором этаже уже имеется две квартиры s и р, т.е. однокомнатная и трёхкомнатная. На третьем этаже s, p, d. Четвёртый, пятый и шестой этажи размещают 4 квартиры s, p, d и f.

Четвёртая орбитальная характеристика

Это означает, что в одной ячейке (квадрате), может поселиться не больше двух электронов.

Вот на таком достаточно примитивном уровне, мы рассмотрели состояние электронов в атоме. Но как они там располагаются? Каждый электрон занимает своё определённое место, согласно энергии.

Рассмотрим распределение электронов по энергетическим уровням в атоме. Наверняка вы заметили, что наш дом семиэтажный. Как думаете, по какой причине? ПСХЭ содержит 7 периодов (7 этажей). Если элемент находится во втором периоде, значит, его электроны будут занимать 1 и 2 этаж и никаким образом не могут попасть на 5 или 6 этажи. В данном примере 2 этаж будут называть внешним, научным языком – внешним энергетическим уровнем (он крайний).

Главные правила образования оболочки электронов в атоме

Давайте дадим волю фантазии, допустим, к нашему семиэтажному дому подошёл Бор, не лес как вы могли подумать, а элемент. Смотрим в шпаргалку, как вы уже догадались, это будет периодическая таблица, и ищем там его расположение. Бор занимает ячейку под номером 5. Эта ячейка находится во втором периоде, третьей группе. Значит, число электронов в атоме 5, они размещаются на I и II этажах. Первый уровень будут занимать 2 электрона. Значит на второй этаж (внешний уровень) переходят оставшиеся 3. Два будут занимать s-подуровень, один будет размещаться на р-подуровне. Строение оболочки атома В (бор).

Составим электронную и графическую схему элемента на примере Si и V с помощью алгоритма.

Обратите внимание, чтобы составить электронную формулу элемента, достаточно знать его расположение в ПСХЭ. Итак, начинаем по порядку.

Кремний, находится под № 14, символ Si.Ar (Si) = 28
Заряд ядра +14. e = 14, р = 14, n = 28 – 14 = 14
III период, IV (А)группа.
Энергетических уровней 3. Не забываем, что следуя правилу Гунда, электроны занимают, ячейку по одному на внешнем p-подуровне
Исходя с этого всего, электронная оболочка атома записывается в виде формулы

Ванадий, № 23, символ V.
Заряд ядра +23. Электронов 23.
IV период, V(Б) группе.
Энергетических уровней 4. IV открывает большие периоды, которые имеют свою особенность заполнения. Применив принцип Клечковского, мы увидим, что изначально заполняется 4s-подуровень, а только тогда 3d-подуровень.
Исходя с этого всего, схема строения электронной оболочки атома запишется в следующем виде.

Существует основное состояние электрона в атоме и возбуждённое, которое возникает, если к атому применить некоторую определённую энергию. Электроны во внешнем электронном слое атома имеют способность перемещаться, занимая место на свободной орбитали, образуя при этом возбуждённое состояние.

Обратите внимание, число неспаренных электронов отвечает валентности элементов: Li (I), Be (II), B (III), C (II и IV).

Периодичность свойств элементов. Электроотрицательность

С развитием учения о строении атома, периодический закон занимает ещё больше значимое место в естествознании. Уже неоднократно говорилось, что ПСХЭ является уникальной подсказкой. Достаточно знать расположение и строение электронных оболочек атомов элементов, и возникает возможность судить о том, какими характеристиками он будет обладать. В настоящее время периодический закон имеет формулировку, данную Менделеевым, с небольшим уточнением.

За то, какими свойствами будет наделён элемент, отвечают электроны, которые размещены на внешнем энергетическом уровне. Их ещё называют валентные электроны атома, именно они отвечают за периодическое изменение свойств элементов.

С увеличением массы атома в пределах периода, количество электронов также возрастает, пока не заполнятся все вакантные ячейки уровня.

Электроотрицательность - это способность атома "оттягивать" на себя электронную плотность других атомов

Рассмотрим на примере, образования вещества NaCl.

Отдав свой один электрон с внешнего 3s-уровня, атом Натрия образует ион Na + , по своей электронной конфигурации аналогичный Неону. Хлор принимая электрон, образует ион Cl − – принимая электронную конфигурацию Аргона.

Обобщая данный пример, сделаем вывод, элементы, которые содержат малое количество электронов на внешнем уровне (1 – 3) будут только отдавать электроны – и они будут относиться к металлам. Неметаллы характеризуются способностью принимать электроны.

Из определения сделаем вывод, что наибольшую электроотрицательность имеет Фтор (F), нет ни одного элемента, кому бы он смог отдать свой электрон, а будет только забирать. Минимальную ЭО будет иметь Франций (Fr).

Записать распределение электронов по энергетическим уровням можно несколькими способами.

Запись по электронным оболочкам (схема электронного строения)

Показывает заряд ядра и количество электронов на каждом энергетическом уровне.

Запись с обозначением энергетических уровней и подуровней

Каждая орбиталь обозначается квадратной ячейкой. Электрон обозначается стрелкой. Различное направление стрелок указывает на противоположные спины.Под ячейкой подписывают номер энергетического уровня, буквенное обозначение орбитали и количество электронов на ней.

Электронная конфигурация атомов 1 и 2 периодов

Электронная конфигурация атомов 3 периода

Строение электронных оболочек атомов элементов третьего периода

Электронная конфигурация атомов 4 периода

Заполнение орбиталей атомов 4 периода имеет свои особенности.

На движение электрона влияют поле ядра и поле других электронов. Поэтому в атомах с большим количеством электронов энергия электрона определяется главным и орбитальным квантовыми числами.

Здесь уже надо смотреть на сумму обоих квантовых чисел (n+l). Если для двух подуровней эта сумма равна: 3d, 4p, 5s (n+l=5), то сначала заполняются уровни с меньшими значениями n. То есть последовательность заполнения будет следующей: 3d – 4p – 5s.

Поэтому в 4 периоде сначала заполняется подуровень 4s, а потом подуровень 3d.

Есть ещё одна особенность, которая появляется в 4 периоде. Хром и медь имеют на 4s-орбитали по одному электрону. Всё дело в заполнении d-оболочек. Полузаполненные или заполненные d-оболочки устойчивее частично заполненных. В атоме хрома на каждой из 5 3d-орбиталей есть по одному электрону. В атоме меди на каждой на каждой 3d-орбитали есть по два электрона.

Алгоритм записи электронной конфигурации атома

По порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева определяем количество электронов в атоме.
Распределяем электроны по энергетическим уровням, то есть составляем схему электронного строения.
Выписываем s-, p-, d-подуровни в каждом энергетическом уровне.
Заполняем подуровни электронами: сначала по одному электрону на орбиталь, потом достраиваем электронные пары.

Электронная конфигурация ионов

Электронная конфигурация ионов составляется по тем же принципам. Нужно учитывать изменения количества электронов на внешнем энергетическом уровне.

Атом электронейтрален, то есть сколько протонов ядре, столько же электронов в атоме. Если атом принимает электроны, он становится отрицательно заряженным ионом (анионом), если отдаёт электроны – положительно заряженным ионом (катионом).

Количество электронов на внешнем энергетическом уровне определяется по таблице Менделеева. У элементов главных подгрупп номер группы – это и есть количество электронов на внешнем уровне. У элементов побочных подгрупп количество электронов на внешнем уровне не больше двух.

Основное и возбуждённое состояния атома

На первый взгляд кажется, что атом хлора может образовывать только одну связь и соединения одного типа – например, хлориды. Но откуда берутся хлорная, хлорноватая, хлористая и хлорноватистая кислоты?

Дело в том, что атом можно перевести из основного состояния в возбуждённое.

Основное состояние – это состояние атома с наименьшей энергией. Атом обладает наименьшей энергией в основном состоянии. Но если ему передать дополнительную энергию, он перейдёт в возбуждённое состояние. Электроны перейдут на уровень или подуровень с большей энергией.

Сначала разрываются электронные пары на 3p-подуровне, электроны переходят на 3d-подуровень. Если атом хлора получит ещё больше энергии, спаренный электрон покинет даже 3s-орбиталь и перейдёт на 3d-подуровень.

Благодаря этому атом хлора может образовывать больше химических связей. Затраты энергии, потраченные на распаривание электронов, окупаются при образовании новых химических связей.

Но в возбуждённое состояние могут перейти атомы, у которых есть неспаренные электроны и свободные орбитали. Длится возбуждённое состояние недолго: атом отдаст энергию и вернётся в основное состояние. Хотя если сообщить атому слишком много энергии, электрон покинет его и атом станет ионом.

Продолжаем разбирать вопрос 1 из ЕГЭ. Первую часть теории можно посмотреть здесь .

В данной статье разберем:

строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов s-, p-, d-элементы.

Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов s-, p-, d-элементы

Элементы первого периода ( s -элементы)

Электронные формулы атомов показывают распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням.

Элементы второго периода

У всех элементов второго периода первый электронный слой заполнен, и электроны заполняют s- и p- орбитали второго электронного слоя в соответствии с принципом наименьшей энергии (сначала s , а затем p ) и правилами Паули и Хунда.

Элементы третьего периода

У атомов элементов третьего периода первый и второй электронные слои завершены, поэтому заполняется третий электронный слой, в котором электроны могут занимать 3s- , 3p- и 3d- подуровни.

В атоме аргона на внешнем слое (третьем электронном слое) 8 электронов. Как внешний слой он завершен, но всего в третьем электронном слое может быть 18 электронов, а это значит, что у элементов третьего периода остаются незаполненными 3d- орбитали.

Все элементы от Al до Ar – p- элементы.

s- и p- элементы образуют главные подгруппы(А) в Периодической системе.

Элементы четвертого периода

У атомов калия и кальция появляется четвертый электронный слой, заполняется 4s- подуровень, так как он имеет меньшую энергию, чем 3d- подуровень.

K, Ca– s- элементы, входящие в главные подгруппы. У атомов от Sc до Zn заполняется электронами 3d- подуровень. Это 3d- элементы. Они входят в побочные подгруппы (B) , у них заполняется предвнешний электронный слой, их относят к переходным элементам .

На этом уроке вы узнаете, как устроена электронная оболочка атома, и сможете объяснить явление периодичности. Познакомитесь с моделями строения электронных оболочек атомов, с помощью которых можно предсказать и объяснить свойства химических элементов и их соединений.

I. Состояние электронов в атоме

Выдающийся датский физик Нильс Бор (Рис. 1) предположил, что электроны в атоме могут двигаться не по любым, а по строго определенным орбитам.

При этом электроны в атоме различаются своей энергией. Как показывают опыты, одни из них притягиваются к ядру сильнее, другие – слабее. Главная причина этого заключается в разном удалении электронов от ядра атома. Чем ближе электроны к ядру, тем они прочнее связаны с ним и их труднее вырвать из электронной оболочки. Таким образом, по мере удаления от ядра атома запас энергии электрона увеличивается.

Электроны, движущиеся вблизи ядра, как бы загораживают (экранируют) ядро от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и движутся на большем удалении от него. Так образуются электронные слои.

Каждый электронный слой состоит из электронов.

Если обозначить точками все вероятные места нахождения электрона в атомном пространстве за некоторое время, то совокупность этих точек будет представлять собойэлектронное облако.

II. Электронное облако

Электронное облако – это модель, которая описывает состояние (движение) электрона в атоме.

Электронное облако не имеет строго очерченных границ и плотность его неравномерна.

Часть атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая (~90%), называется орбиталью.

Виды электронных орбиталей

Форма орбитали в пространстве

Количество орбиталей в атоме.

Условное обозначение орбитали – клетка:

(электронное облако s – электрона)

Электронное облако такой формы может занимать в атоме одно положение

(электронное облако p – электрона)

Электронное облако такой формы может занимать в атоме три положения вдоль осей координат пространства x, y и z.

(электронное облако d – электрона)

Все d-орбитали (а их может быть уже пять) одинаковы по энергии, но по-разному расположены в пространстве. Да и по форме, напоминающей перевязанную лентами подушечку, одинаковы только четыре.
А пятая - вроде гантели, продетой в бублик

(электронное облако f – электрона)

Электронное облако такой формы может занимать в атоме семь положений.

Условное обозначение электрона – стрелка , направленная вверх↑ (электрон вращается вокруг собственной оси по часовой стрелке) или стрелка, направленная вниз↓ (электрон вращается вокруг собственной оси против часовой стрелки).

Число электронов в атоме определяют по порядковому номеру

О – 8 электронов, S – 16 электронов.

На одной орбитали могут находиться только ДВА электрона, которые вращаются вокруг своей оси в противоположных направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелке) – электроны с противоположными спинами:

Cледовательно, на s – орбитали максимально может разместиться два электрона (s 2 ); на p – орбитали максимально может разместиться шесть электронов (p 6 ) на d – орбитали максимально может разместиться десять электронов (d 10 ); f – четырнадцать электронов (f 14 ).

Располагаясь на различных расстояниях от ядра, электроны образуют электронные слои (энергетические уровни) – каждому слою соответствует определённый уровень энергии.

Условное обозначение уровня - скобка: )

Число энергетических уровней определяют по номеру периода, в котором находится химический элемент

О – 2 уровня, S – три уровня.

Для элементов главных подгрупп (А) число электронов на внешнем уровне = номеру группы.

₊₁₅P – V группа (А) – на внешнем уровне 5 электронов

Для элементов побочных подгрупп (В) число электронов на внешнем уровне = двум.

Исключения (один электрон) – хром, медь, серебро, золото и некоторые другие.

III. Формулы отражающие строение атомов первого и второго периодов

– схема строения атома, отображает распределение электронов по энергоуровням.

₊₁ Н 1s 1

– электронная формула, отображает число электронов по орбиталям.

- электронно-графическая формула – показывает распределение электронов по орбиталям и отображает спин электрона.

У элементов второго периода начинается заполнение второго энергетического уровня — он включает восемь электронов (n = 2, N = 8). Второй период содержит восемь элементов. У неона, элемента, завершающего второй период, первый и второй энергетические уровни оказываются целиком заполненными.

Американский химик Гилберт Льюис дал объяснение этому и выдвинул правило октета, в соответствии с которым устойчивым является восьмиэлектронный слой (за исключением 1 слоя: т. к. на нем может находиться не более 2 электронов, устойчивым для него будет двухэлектронное состояние).

IV. Распределение электронов по энергетическим уровням элементов третьего и четвертого периодов ПСХЭ

1. Порядок заполнения уровней и подуровней электронами

Электронные формулы атомов химических элементов составляют в следующем порядке:

Сначала по номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева определяют общее число электронов в атоме;
Затем по номеру периода, в котором расположен элемент, определяют число энергетических уровней;
Уровни разбивают на подуровни и орбитали, и заполняют их электронами в соответствии Принципом наименьшей энергии
Для удобства электроны можно распределить по энергетическим уровням, воспользовавшись формулой N=2n2 и с учётом того, что:

У элементов главных подгрупп (s-;p-элементы) число электронов на внешнем уровне равно номеру группы.
У элементов побочных подгрупп на внешнем уровне обычно дваэлектрона (исключение составляют атомы Cu,Ag,Au,Cr,Nb,Mo,Ru,Rh, у которых на внешнем уровне один электрон, у Pd на внешнем уровне нольэлектронов);
Число электронов на предпоследнем уровне равно общему числу электронов в атоме минус число электронов на всех остальных уровнях.

Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяется :

Принципом наименьшей энергии

Шкала энергий:

1s внешнего энергетического уровня, называются s-элементами. Это первые 2 элемента каждого периода, составляющие главные подгруппы I и II групп.

Элементы, в атомах которых электронами заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня, называются p-элементами. Это последние 6 элементов каждого периода (за исключением I и VII), составляющие главные подгруппы III-VIII групп.

Элементы, в которых заполняется d-подуровень второго снаружи уровня, называются d-элементами. Это элементы вставных декад IV, V, VI периодов.

Элементы, в которых заполняется f-подуровень третьего снаружи уровня, называются f-элементами. К f-элементам относятся лантаноиды и актиноиды.

В третьем периоде происходит заполнение третьего энергетического уровня. Третий уровень (n = 3) может максимально вмещать 18 электронов. Однако элементов в третьем периоде всего восемь. К концу третьего периода (у аргона) полностью заполняются 3s- и 3p-подуровни, а 3d-подуровень остается пустым, поэтому третий уровень не заполняется до конца.

В четвертом периоде у первых двух элементов (калия и кальция) электроны идут на четвертый энергетический уровень (4s-подуровень), а затем у последующих десяти элементов (от скандия до цинка) завершается заполнение третьего энергетического уровня (3d-подуровня).

Для элементов IБ-подгруппы характерна конфигурация внешнего слоя: ns 1 (n−1)d 10 .

Для элементов Cr и Mo характерна конфигурация внешнего слоя: ns 1 (n−1)d 5 .

Pd1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 0 4d 10

V. Тест

Решите тестовые задания (один верный вариант ответа).

1. Заряд ядра атома фосфора равен

2. Количество энергоуровней в атоме равно

а) порядковому номеру элемента;

б) номеру группы;

в) заряду ядра атома;

г) номеру периода

3. Число нейтронов в атоме цинка равно

4. В ряду элементов Na, Mg, Al, Cl металлические свойства

в) не изменяются;

г) сначала убывают, а затем возрастают

5. Формула высшего оксида RO2 характерна для

6. Электронная формула строения атома меди, это-

а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 ;

б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 ;

в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 6 4s 2 3d 10 ;

г) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 11 .

7. Заряд ядра атома кальция равен

8. Число электронов на внешнем энергоуровне для элементов главных подгрупп равно

а) номеру периода;

б) номеру группы;

в) порядковому номеру элемента;

г) атомной массе.

9. Число нейтронов в атоме железа равно

10. В ряду элементов C, Si, Ge, Sn способность отдавать валентные электроны

б) не изменяется;

г) сначала увеличивается, а затем уменьшается.

11. Формула летучего водородного соединения для элемента с электронным строением атома 1s22s22p2 – это

Читайте также: