Электронная формула b. Полные электронные формулы атомов элементов. Протоны и нейтроны
Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: $s-$, $p-$ и $d-$элементы. Электронная конфигурация атома. Основное и возбужденное состояние атомов
Понятие атом возникло еще в античном мире для обо значения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».
Электроны
Ирландский физик Стони на основании опытов пришел к выводу, что электричество переносится мельчайшими частицами, существующими в атомах всех химических элементов. В $1891$ г. Стони предложил эти частицы назвать электронами , что по-гречески означает «янтарь».
Через несколько лет после того, как электрон получил свое название, английский физик Джозеф Томсон и французский физик Жан Перрен доказали, что электроны несут на себе отрицательный заряд. Это наименьший отрицательный заряд, который в химии принят за единицу $(–1)$. Томсон даже сумел определить скорость движения электрона (она равна скорости света - $300 000$ км/с) и массу электрона (она в $1836$ раз меньше массы атома водорода).
Томсон и Перрен соединяли полюса источника тока с двумя металлическими пластинами - катодом и анодом, впаянными в стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. При подаче на пластины-электроды напряжения около 10 тысяч вольт в трубке вспыхивал светящийся разряд, а от катода (отрицательного полюса) к аноду (положительному полюсу) летели частицы, которые ученые сначала назвали катодными лучами , а затем выяснили, что это был поток электронов. Электроны, ударяясь об особые вещества, нанесенные, например, на экран телевизора, вызывают свечение.
Был сделан вывод: электроны вырываются из атомов материала, из которого сделан катод.
Свободные электроны или поток их можно получить и другими способами, например, при накаливании металлической проволоки или при падении света на металлы, образованные элементами главной подгруппы I группы таблицы Менделеева (например, цезий).
Состояние электронов в атоме
Под состоянием электрона в атоме понимают совокупность информации об энергии определенного электрона в пространстве , в котором он находится. Мы уже знаем, что электрон в атоме не имеет траектории движения, т.е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра. Он может находиться в любой части этого пространства, окружающего ядро, и совокупность различных положений его рассматривают как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Образно это можно представить себе так: если бы удалось через сотые или миллионные доли секунды сфотографировать положение электрона в атоме, как при фотофинише, то электрон на таких фотографиях был бы представлен в виде точки. При наложении бесчисленного множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью там, где этих точек больше всего.
На рисунке показан «разрез» такой электронной плотности в атоме водорода, проходящей через ядро, а штриховой линией ограничена сфера, внутри которой вероятность обнаружения электрона составляет $90%$. Ближайший к ядру контур охватывает область пространства, в которой вероятность обнаружения электрона - $10%$, вероятность обнаружения электрона внутри второго от ядра контура составляет $20%$, внутри третьего - $≈30%$ и т.д. В состоянии электрона есть некая неопределенность. Чтобы охарактеризовать это особое состояние, немецкий физик В. Гейзенберг ввел понятие о принципе неопределенности , т.е. показал, что невозможно определить одновременно и точно энергию и местоположение электрона. Чем точнее определена энергия электрона, тем неопределеннее его положение, и наоборот, определив положение, нельзя определить энергию электрона. Область вероятности обнаружения электрона не имеет четких границ. Однако можно выделить пространство, где вероятность нахождения электрона максимальна.
Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.
В нем заключено приблизительно $90%$ электронного облака, и это означает, что около $90%$ времени электрон находится в этой части пространства. По форме различают $4$ известных ныне типа орбиталей, которые обозначаются латинскими буквами $s, p, d$ и $f$. Графическое изображение некоторых форм электронных орбиталей представлено на рисунке.
Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слой , или энергетический уровень . Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ и $7$.
Целое число $n$, обозначающее номер энергетического уровня, называют главным квантовым числом.
Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней характеризуются большим запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внеш него уровня.
Число энергетических уровней (электронных слоев) в атоме равно номеру периода в системе Д. И. Менделеева, к которому принадлежит химический элемент: у атомов элементов первого периода один энергетический уровень; второго периода - два; седьмого периода - семь.
Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
где $N$ - максимальное число электронов; $n$ - номер уровня, или главное квантовое число. Следовательно: на первом, ближайшем к ядру энергетическом уровне может находиться не более двух электронов; на втором - не более $8$; на третьем - не более $18$; на четвертом - не более $32$. А как, в свою очередь, устроены энергетические уровни (электронные слои)?
Начиная со второго энергетического уровня $(n = 2)$, каждый из уровней подразделяется на подуровни (подслои), несколько отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром.
Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый энергетический уровень имеет один под уровень; второй - два; третий - три; четвертый - четыре. Подуровни, в свою очередь, образованы орбиталями.
Каждому значению $n$ соответствует число орбиталей, равное $n^2$. По данным, представленным в таблице, можно проследить связь главного квантового числа $n$ с числом подуровней, типом и числом орбиталей и максимальным числом электронов на подуровне и уровне.
Главное квантовое число, типы и число орбиталей, максимальное число электронов на подуровнях и уровнях.
| Энергетический уровень $(n)$ | Число подуровней, равное $n$ | Тип орбитали | Число орбиталей | Максимальное число электронов | ||
| в подуровне | в уровне, равное $n^2$ | в подуровне | на уровне, равное $n^2$ | |||
| $K(n=1)$ | $1$ | $1s$ | $1$ | $1$ | $2$ | $2$ |
| $L(n=2)$ | $2$ | $2s$ | $1$ | $4$ | $2$ | $8$ |
| $2p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $M(n=3)$ | $3$ | $3s$ | $1$ | $9$ | $2$ | $18$ |
| $3p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $3d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $N(n=4)$ | $4$ | $4s$ | $1$ | $16$ | $2$ | $32$ |
| $4p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $4d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $4f$ | $7$ | $14$ | ||||
Подуровни принято обозначать латинскими буквами, равно как и форму орбиталей, из которых они состоят: $s, p, d, f$. Так:
- $s$-подуровень - первый, ближайший к ядру атома подуровень каждого энергетического уровня, состоит из одной $s$-орбитали;
- $р$-подуровень - второй подуровень каждого, кроме первого, энергетического уровня, состоит из трех $р$-орбиталей;
- $d$-подуровень - третий подуровень каждого, начиная с третьего, энергетического уровня, состоит из пяти $d$-орбиталей;
- $f$-подуровень каждого, начиная с четвертого, энергетического уровня, состоит из семи $f$-орбиталей.
Ядро атома
Но не только электроны входят в состав атомов. Физик Анри Беккерель обнаружил, что природный минерал, содержащий соль урана, тоже испускает неведомое излучение, засвечивая фотопленки, закрытые от света. Это явление было названо радиоактивностью .
Различают три вида радиоактивных лучей:
- $α$-лучи, которые состоят из $α$-частиц, имеющих заряд в $2$ раза больше заряда электрона, но с положительным знаком, и массу в $4$ раза больше массы атома водорода;
- $β$-лучи представляют собой поток электронов;
- $γ$-лучи - электромагнитные волны с ничтожно малой массой, не несущие электрического заряда.
Следовательно, атом имеет сложное строение - состоит из положительно заряженного ядра и электронов.
Как же устроен атом?
В 1910 г. в Кембридже, близ Лондона, Эрнест Резерфорд со своими учениками и коллегами изучал рассеяние $α$-частиц, проходящих через тоненькую золотую фольгу и падаюших на экран. Альфа-частицы обычно отклонялись от первоначального направления всего на один градус, подтверждая, казалось бы, равномерность и однородность свойств атомов золота. И вдруг исследователи заметили, что некоторые $α$-частицы резко меняли направление своего пути, будто наталкиваясь на какую-то преграду.
Разместив экран перед фольгой, Резерфорд сумел обнаружить даже те редчайшие случаи, когда $α$-частицы, отразившись от атомов золота, летели в противоположном направлении.
Расчеты показали, что наблюдаемые явления могли произойти, если бы вся масса атома и весь его положительный заряд были сосредоточены в крохотном центральном ядре. Радиус ядра, как выяснилось, в 100 000 раз меньше радиуса всего атома, той его области, в которой находятся электроны, имеющие отрицательный заряд. Если применить образное сравнение, то весь объем атома можно уподобить стадиону в Лужниках, а ядро - футбольному мячу, расположенному в центре поля.
Атом любого химического элемента сравним с крохотной Солнечной системой. Поэтому такую модель атома, предложенную Резерфордом, называют планетарной.
Протоны и нейтроны
Оказывается, и крошечное атомное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из частиц двух видов - протонов и нейтронов.
Протоны имеют заряд, равный заряду электронов, но противоположный по знаку $(+1)$, и массу, равную массе атома водорода (она принята в химии за единицу). Обо значаются протоны знаком $↙{1}↖{1}p$ (или $р+$). Нейтроны не несут заряда, они нейтральны и имеют массу, равную массе протона, т.е. $1$. Обозначают нейтроны знаком $↙{0}↖{1}n$ (или $n^0$).
Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами (от лат. nucleus - ядро).
Сумма числа протонов и нейтронов в атоме называется массовым числом . Например, массовое число атома алюминия:
Так как массой электрона, ничтожно малой, можно пренебречь, то очевидно, что в ядре сосредоточена вся масса атома. Электроны обозначают так: $e↖{-}$.
Поскольку атом электронейтрален, также очевидно, что число протонов и электронов в атоме одинаково. Оно равно порядковому номеру химического элемента , присвоенному ему в Периодической системе. Например, в ядре атома железа содержится $26$ протонов, а вокруг ядра вращается $26$ электронов. А как определить число ней тронов?
Как известно, масса атома складывается из массы протонов и нейтронов. Зная порядковый номер элемента $(Z)$, т.е. число протонов, и массовое число $(А)$, равное сумме чисел протонов и нейтронов, можно найти число нейтронов $(N)$ по формуле:
Например, число нейтронов в атоме железа равно:
$56 – 26 = 30$.
В таблице представлены основные характеристики элементарных частиц.
Основные характеристики элементарных частиц.
Изотопы
Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называются изотопами.
Слово изотоп состоит из двух греческих слов: isos - одинаковый и topos - место, обозначает «занимающий одно место» (клетку) в Периодической системе элементов.
Химические элементы, встречающиеся в природе, являются смесью изотопов. Так, углерод имеет три изотопа с массой $12, 13, 14$; кислород - три изотопа с массой $16, 17, 18$ и т. д.
Обычно приводимая в Периодической системе относительная атомная масса химического элемента является средним значением атомных масс природной смеси изотопов данного элемента с учетом их относительного содержания в природе, поэтому значения атомных масс довольно часто являются дробными. Например, атомы природного хлора представляют собой смесь двух изотопов - $35$ (их в природе $75%$) и $37$ (их $25%$); следовательно, относительная атомная масса хлора равна $35.5$. Изотопы хлора записываются так:
$↖{35}↙{17}{Cl}$ и $↖{37}↙{17}{Cl}$
Химические свойства изотопов хлора совершенно одинаковы, как и изотопов большинства химических элементов, например калия, аргона:
$↖{39}↙{19}{K}$ и $↖{40}↙{19}{K}$, $↖{39}↙{18}{Ar}$ и $↖{40}↙{18}{Ar}$
Однако изотопы водорода сильно различаются по свойствам из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы; им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки: протий - $↖{1}↙{1}{H}$; дейтерий - $↖{2}↙{1}{H}$, или $↖{2}↙{1}{D}$; тритий - $↖{3}↙{1}{H}$, или $↖{3}↙{1}{T}$.
Теперь можно дать современное, более строгое и научное определение химическому элементу.
Химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов
Рассмотрим отображение электронных конфигураций атомов элементов по периодам системы Д. И. Менделеева.
Элементы первого периода.
Схемы электронного строения атомов показывают распределение электронов по электронным слоям (энергетическим уровням).
Электронные формулы атомов показывают распределение электронов по энергетическим уровням и под уровням.
Графические электронные формулы атомов показывают распределение электронов не только по уровням и под уровням, но и по орбиталям.
В атоме гелия первый электронный слой завершен - в нем $2$ электрона.
Водород и гелий - $s$-элементы, у этих атомов заполняется электронами $s$-орбиталь.
Элементы второго периода.
У всех элементов второго периода первый электронный слой заполнен, и электроны заполняют $s-$ и $р$-орбитали второго электронного слоя в соответствии с принципом наименьшей энергии (сначала $s$, а затем $р$) и правилами Паули и Хунда.
В атоме неона второй электронный слой завершен - в нем $8$ электронов.
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-, 3р- и 3d-под уровни.
Строение электронных оболочек атомов элементов третьего периода.
У атома магния достраивается $3,5$-электронная орбиталь. $Na$ и $Mg$ - $s$-элементы.
У алюминия и последующих элементов заполняется электронами $3d$-подуровень.
| $↙{18}{Ar}$ Аргон |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}s^2{3}p^6$ |  |
В атоме аргона на внешнем слое (третьем электронном слое) $8$ электронов. Как внешний слой завершен, но всего в третьем электронном слое, как вы уже знаете, может быть 18 электронов, а это значит, что у элементов третьего периода остаются незаполненными $3d$-орбитали.
Все элементы от $Al$ до $Ar$ - $р$-элементы.
$s-$ и $р$-элементы образуют главные подгруппы в Периодической системе.
Элементы четвертого периода.
У атомов калия и кальция появляется четвертый электронный слой, заполняется $4s$-подуровень, т.к. он имеет меньшую энергию, чем $3d$-подуровень. Для упрощения графических электронных формул атомов элементов четвертого периода:
- обозначим условно графическую электронную формулу аргона так: $Ar$;
- не будем изображать подуровни, которые у этих атомов не заполняются.
$К, Са$ - $s$-элементы, входящие в главные подгруппы. У атомов от $Sc$ до $Zn$ заполняется электронами 3d-подуровень. Это $3d$-элементы. Они входят в побочные подгруппы, у них заполняется предвнешний электронный слой, их относят к переходным элементам.
Обратите внимание на строение электронных оболочек атомов хрома и меди. В них происходит «провал» одного электрона с $4s-$ на $3d$-подуровень, что объясняется большей энергетической устойчивостью образующихся при этом электронных конфигураций $3d^5$ и $3d^{10}$:
$↙{24}{Cr}$ $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{4} 4s^{2}…$ 
$↙{29}{Cu}$ $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{9}4s^{2}…$ 
| Символ элемента, порядковый номер, название | Схема электронного строения | Электронная формула | Графическая электронная формула |
| $↙{19}{K}$ Калий |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1$ | |
| $↙{20}{C}$ Кальций |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2$ | |
| $↙{21}{Sc}$ Скандий |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1{3}d^1$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^1{4}s^1$ |  |
| $↙{22}{Ti}$ Титан |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^2$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^2{4}s^2$ |  |
| $↙{23}{V}$ Ванадий |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^3$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^3{4}s^2$ |  |
| $↙{24}{Сr}$ Хром |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1{3}d^5$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^5{4}s^1$ |  |
| $↙{29}{Сu}$ Хром |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1{3}d^{10}$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^1$ |  |
| $↙{30}{Zn}$ Цинк |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^{10}$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^2$ |  |
| $↙{31}{Ga}$ Галлий |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^{10}4p^{1}$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^{2}4p^{1}$ |  |
| $↙{36}{Kr}$ Криптон |  |
$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^{10}4p^6$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^{2}4p^6$ |  |
В атоме цинка третий электронный слой завершен - в нем заполнены все подуровни $3s, 3р$ и $3d$, всего на них $18$ электронов.
У следующих за цинком элементов продолжает заполняться четвертый электронный слой, $4р$-подуровень. Элементы от $Ga$ до $Кr$ - $р$-элементы.
У атома криптона внешний (четвертый) слой завершен, имеет $8$ электронов. Но всего в четвертом электронном слое, как вы знаете, может быть $32$ электрона; у атома криптона пока остаются незаполненными $4d-$ и $4f$-подуровни.
У элементов пятого периода идет заполнение подуровней в следующем порядке: $5s → 4d → 5р$. И также встречаются исключения, связанные с «провалом» электронов, у $↙{41}Nb$, $↙{42}Мо$, $↙{44}Ru$, $↙{45}Rh$, $↙{46}Pd$, $↙{47}Ag$. В шестом и седьмом периодах появляются $f$-элементы , т.е. элементы, у которых идет заполнение соответственно $4f-$ и $5f$-подуровней третьего снаружи электронного слоя.
$4f$-элементы называют лантаноидами.
$5f$-элементы называют актиноидами.
Порядок заполнения электронных подуровней в атомах элементов шестого периода: $↙{55}Cs$ и $↙{56}Ва$ - $6s$-элементы; $↙{57}La ... 6s^{2}5d^{1}$ - $5d$-элемент; $↙{58}Се$ – $↙{71}Lu - 4f$-элементы; $↙{72}Hf$ – $↙{80}Hg - 5d$-элементы; $↙{81}Т1$ – $↙{86}Rn - 6d$-элементы. Но и здесь встречаются элементы, у которых нарушается порядок заполнения электронных орбиталей, что, например, связано с большей энергетической устойчивостью наполовину и полностью заполненных $f$-подуровней, т.е. $nf^7$ и $nf^{14}$.
В зависимости от того, какой подуровень атома заполняется электронами последним, все элементы, как вы уже поняли, делят на четыре электронных семейства, или блока:
- $s$-элементы; электронами заполняется $s$-подуровень внешнего уровня атома; к $s$-элементам относятся водород, гелий и элементы главных подгрупп I и II групп;
- $р$-элементы; электронами заполняется $р$-подуровень внешнего уровня атома; к $р$-элементам относятся элементы главных подгрупп III–VIII групп;
- $d$-элементы; электронами заполняется $d$-подуровень предвнешнего уровня атома; к $d$-элементам относятся элементы побочных подгрупп I–VIII групп, т.е. элементы вставных декад больших периодов, расположенных между $s-$ и $р-$элементами. Их также называют переходными элементами;
- $f$-элементы; электронами заполняется $f-$подуровень третьего снаружи уровня атома; к ним относятся лантаноиды и актиноиды.
Электронная конфигурация атома. Основное и возбужденное состояние атомов
Швейцарский физик В. Паули в $1925$ г. установил, что в атоме на одной орбитали может находиться не более двух электронов , имеющих противоположные (антипараллельные) спины (в переводе с английского - веретено), т.е. обладающих такими свойствами, которые условно можно представить себе как вращение электрона вокруг своей воображаемый оси по часовой стрелке или против. Этот принцип носит название принципа Паули.
Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным , если два, то это спаренные электроны , т.е. электроны с противоположными спинами.
На рисунке показана схема деления энергетических уровней на подуровни.
$s-$Орбиталь , как вы уже знаете, имеет сферическую форму. Электрон атома водорода $(n = 1)$ располагается на этой орбитали и неспарен. По этому его электронная формула , или электронная конфигурация , записывается так: $1s^1$. В электронных формулах номер энергетического уровня обозначается цифрой, стоящей перед буквой $(1…)$, латинской буквой обозначают подуровень (тип орбитали), а цифра, которая записывается справа сверху от буквы (как показатель степени), показывает число электронов на подуровне.
Для атома гелия Не, имеющего два спаренных электрона на одной $s-$орбитали, эта формула: $1s^2$. Электронная оболочка атома гелия завершена и очень устойчива. Гелий - это благородный газ. На втором энергетическом уровне $(n = 2)$ имеются четыре орбитали, одна $s$ и три $р$. Электроны $s$-орбитали второго уровня ($2s$-орбитали) обладают более высокой энергией, т.к. находятся на большем расстоянии от ядра, чем электроны $1s$-орбитали $(n = 2)$. Вообще для каждого значения $n$ существует одна $s-$орбиталь, но с соответствующим запасом энергии электронов на нем и, следовательно, с соответствующим диаметром, растущим по мере увеличения значения $n$.$s-$Орбиталь, как вы уже знаете, имеет сферическую форму. Электрон атома водорода $(n = 1)$ располагается на этой орбитали и неспарен. По этому его электронная формула, или электронная конфигурация, записывается так: $1s^1$. В электронных формулах номер энергетического уровня обозначается цифрой, стоящей перед буквой $(1…)$, латинской буквой обозначают подуровень (тип орбитали), а цифра, которая записывается справа сверху от буквы (как показатель степени), показывает число электронов на подуровне.
Для атома гелия $Не$, имеющего два спаренных электрона на одной $s-$орбитали, эта формула: $1s^2$. Электронная оболочка атома гелия завершена и очень устойчива. Гелий - это благородный газ. На втором энергетическом уровне $(n = 2)$ имеются четыре орбитали, одна $s$ и три $р$. Электроны $s-$орбитали второго уровня ($2s$-орбитали) обладают более высокой энергией, т.к. находятся на большем расстоянии от ядра, чем электроны $1s$-орбитали $(n = 2)$. Вообще для каждого значения $n$ существует одна $s-$орбиталь, но с соответствующим запасом энергии электронов на нем и, следовательно, с соответствующим диаметром, растущим по мере увеличения значения $n$. 
$р-$Орбиталь имеет форму гантели, или объемной восьмерки. Все три $р$-орбитали расположены в атоме взаимно перпендикулярно вдоль пространственных координат, проведенных через ядро атома. Следует подчеркнуть еще раз, что каждый энергетический уровень (электронный слой), начиная с $n= 2$, имеет три $р$-орбитали. С увеличением значения $n$ электроны занимают $р$-орбитали, расположенные на больших расстояниях от ядра и направленные по осям $x, y, z$.
У элементов второго периода $(n = 2)$ заполняется сначала одна $s$-орбиталь, а затем три $р$-орбитали; электронная формула $Li: 1s^{2}2s^{1}$. Электрон $2s^1$ слабее связан с ядром атома, поэтому атом лития может легко отдавать его (как вы, очевидно, помните, этот процесс называется окислением), превращаясь в ион лития $Li^+$.
В атоме бериллия Be четвертый электрон также размещается на $2s$-орбитали: $1s^{2}2s^{2}$. Два внешних электрона атома бериллия легко отрываются - $В^0$ при этом окисляется в катион $Ве^{2+}$.
У атома бора пятый электрон занимает $2р$-орбиталь: $1s^{2}2s^{2}2p^{1}$. Далее у атомов $C, N, O, F$ идет заполнение $2р$-орбиталей, которое заканчивается у благородного газа неона: $1s^{2}2s^{2}2p^{6}$.
У элементов третьего периода заполняются соответственно $3s-$ и $3р$-орбитали. Пять $d$-орбиталей третьего уровня при этом остаются свободными:
$↙{11}Na 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}$,
$↙{17}Cl 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}$,
$↙{18}Ar 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}$.
Иногда в схемах, изображающих распределение электронов в атомах, указывают только число электронов на каждом энергетическом уровне, т.е. записывают сокращенные электронные формулы атомов химических элементов, в отличие от приведенных выше полных электронных формул, например:
$↙{11}Na 2, 8, 1;$ $↙{17}Cl 2, 8, 7;$ $↙{18}Ar 2, 8, 8$.
У элементов больших периодов (четвертого и пятого) первые два электрона занимают соответственно $4s-$ и $5s$-орбитали: $↙{19}K 2, 8, 8, 1;$ $↙{38}Sr 2, 8, 18, 8, 2$. Начиная с третьего элемента каждого большого периода, последующие десять электронов поступят на предыдущие $3d-$ и $4d-$орбитали соответственно (у элементов побочных подгрупп): $↙{23}V 2, 8, 11, 2;$ $↙{26}Fr 2, 8, 14, 2;$ $↙{40}Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙{43}Tc 2, 8, 18, 13, 2$. Как правило, когда будет заполнен предыдущий $d$-подуровень, начнет заполняться внешний (соответственно $4р-$ и $5р-$) $р-$подуровень: $↙{33}As 2, 8, 18, 5;$ $↙{52}Te 2, 8, 18, 18, 6$.
У элементов больших периодов - шестого и незавершенного седьмого - электронные уровни и подуровни заполняются электронами, как правило, так: первые два электрона поступают на внешний $s-$подуровень: $↙{56}Ba 2, 8, 18, 18, 8, 2;$ $↙{87}Fr 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; следующий один электрон (у $La$ и $Са$) на предыдущий $d$-подуровень: $↙{57}La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ и $↙{89}Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.
Затем последующие $14$ электронов поступят на третий снаружи энергетический уровень, на $4f$ и $5f$-орбитали соответственно лантоноидов и актиноидов: $↙{64}Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2;$ $↙{92}U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.
Затем снова начнет застраиваться второй снаружи энергетический уровень ($d$-подуровень) у элементов побочных подгрупп: $↙{73}Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙{104}Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2$. И, наконец, только после полного заполнения десятью электронами $d$-подуровня будет снова заполняться $р$-под уровень: $↙{86}Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.
Очень часто строение электронных оболочек атомов изображают с помощью энергетических, или квантовых ячеек - записывают так называемые графические электронные формулы . Для этой записи используют следующие обозначения: каждая квантовая ячейка обозначается клеткой, которая соответствует одной орбитали; каждый электрон обозначается стрелкой, соответствующей направлению спина. При записи графической электронной формулы следует помнить два правила: принцип Паули , согласно которому в ячейке (орбитали) может быть не более двух электронов, но с антипараллельными спинами, и правило Ф. Хунда , согласно которому электроны занимают свободные ячейки сначала по одному и имеют при этом одинаковое значение спина, и лишь затем спариваются, но спины при этом, по принципу Паули, будут уже противоположно направленными.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Электронная формула (конфигурация) атома химического элемента показывает расположение электронов на электронных оболочках (уровнях и подуровнях) в атоме или молекуле.
Наиболее часто электронные формулы записывают для атомов в основном или возбужденном состоянии и для ионов.
Существует несколько правил, которые необходимо учитывать при составлении электронной формулы атома химического элемента. Это принцип Паули, правила Клечковского или правило Хунда.
Составление электронной и электронно-графической формулы
При составление электронной формулы следует учитывать, что номер периода химического элемента определяет число энергетических уровней (оболочек) в атоме, а его порядковый номер количество электронов.
Согласно правилу Клечковского , заполнение энергетических уровней происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равных значениях этой суммы - в порядке возрастания n:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 5d ≈ 4f < 6p и т.д.
Так, значению n + l = 5 соответствуют энергетические подуровни 3d (n = 3, l=2), 4d (n=4, l=1) и 5s (n=5, l =0). Первым из этих подуровней заполняется тот, у которого ниже значение главного квантового числа.
Поведение электронов в атомах подчиняется принципу запрета, сформулированному швейцарским ученым В. Паули: в атоме не может быть двух электронов, у которых были бы одинаковыми все четыре квантовых числа. Согласно принципу Паули , на одной орбитали, характеризуемой определенными значениями трех квантовых чисел (главное, орбитальное и магнитное), могут находиться только два электрона, отличающиеся значением спинового квантового числа. Из принципа Паули вытекает следствие : максимально возможное число электронов на каждом энергетическом уровне равно удвоенному значению квадрата главного квантового числа.
Электронную формулу атома изображают следующим образом: каждому энергетическому уровню соответствует определенное главное квантовое число n, обозначаемое арабской цифрой; за каждой цифрой следует буква, соответствующая энергетическому подуровню и обозначающая орбитальное квантовое число. Верхний индекс у буквы показывает число электронов, находящихся в подуровне. Например, электронная формула атома натрия имеет следующий вид:
11 N 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .
При заполнение электронами энергетических подуровней также необходимо соблюдать правило Хунда : в данном подуровне электроны стремятся занять энергетические состояния таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным, что наиболее наглядно отражается при составлении электронно-графических формул.
Электронно-графические формулы обычно изображают для валентных электронов. В такой формуле все электроны помечаются стрелочками, а ячейками (квадратиками) - орбитали. В одной ячейке не может находиться более двух электронов. Рассмотрим на примере ванадия. Сначала записываем электронную формулу и определяем валентные электроны:
74 W) 2) 8) 18) 32) 12) 2 ;
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4f 14 5s 2 5p 6 5d 4 6s 2 .
Внешний энергетический уровень атома вольфрама содержит 6 электронов, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Изобразите электронную и электронно-графическую формулу химического элемента алюминия. |
| Ответ | Алюминий имеет порядковый номер 13 и расположен в третьем периоде Периодической системы Д.И. Менделеева, следовательно, атом этого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра, внутри которого находится 13 протонов, а вокруг ядра имеется три оболочки, по которым движутся 13 электронов.
Электронная формула алюминия выглядит следующим образом: 13 Al) 2) 8) 3 ; 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Электронно-графическая формула имеет следующий вид: |
Практическая работа
1. Основные положения
Периодическая система химических элементов и строение атома
Современное определение Периодического закона
Свойства химических элементов и образуемых ими вещества находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер
Таблица Периодической системы химических элементов графически отображае Периодический закон.
Каждое число в ней характеризуе какую - либо особенность в стоении атомов:
а) порядковый (атомный) номер химического элемента укзывает на заряд его атомного ядра, то есть на число протонов, содержащихся в нем, а так как атом электронейтрален, то и на число электоронов, находящихся вокруг атомного ядра.
Число нейтронов определяют по формуле: N = A - Z ,
где А - массовое число (атомная масса), Z - порядковый номер элемента;
б) номер периода соответствует числу энергетических уровней (электорнных слоев) в атомах элементов данного периода;
в) номер группы соответствует числу электронов на внешнем уровне для элементов гоавных подгрупп и максимальному числу валентных электронов для элементов побочных подрупп.
Изменение металлических и неметаллических свойств элементов
в периодах и группах
1. В пределах одного периода с ростом порядкового номера металлические свойства элементов ослабевают, а неметаллические – усиливаются, так как:
1) растет число ē на внешнем уровне атомов (оно равно номеру группы);
2) число энергетических уровней в пределах периода не изменяется (оно равно номеру периода);
3) радиус атомов уменьшается.
2. В пределах одной и той же группы (главной подгруппы) с ростом порядкового номера металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические ослабевают, так как:
1) число электронов на внешнем уровне атомов одинаково (оно равно номеру группы);
2) число энергетических уровней в атомах растет (оно равно номеру периода);
3) радиус атомов увеличивается.
Доказательства сложности строения атома
1. Ирландский физик Стони ввел понятие «электрон» для обозначения частиц (например, электризация эбонитовой палочки), появление статического электричества на одежде.
2. Катодные лучи – поток электронов из атомов металла, из которого изготовлен катод, вызывали свечение стекла (Томсон и Перрен). Был установлен отрицательный заряд электрона. Этот наименьший заряд принят за единицу = -1.
Томсон установил и массу его, равную 1/1840 массы атома водорода.
3. Радиоактивность – явление, открытое А. Беккерелем. Различают 3 вида радиоактивных лучей:
а) α – лучи, состоящие из α – частиц с зарядом +2 и массой 4;
б) β – лучи – поток электронов; в) γ – лучи – электромагнитные волны.
Следовательно, атом делим и имеет сложное строение.
Таблица 1 Планетарная модель атома (Резерфорда)
ЯдроРавно числу нуклонов (сумма протонов и нейтронов)
1) р + (имеют массу = 1 и заряд = +1)
Число их равно № элемента;
2) n 0 (имеют массу = 1 и заряд = 0)
Число их N = A r – Z . ( Z – число протонов)
Электронная оболочка
Состоит из электронов
(масса стремится к нулю и заряд = -1);
Число их равно № элемента.
Вся масса атома сосредоточена в ядре
Атом электронейтрален
Атом - электронейтральная система взаимодействующих элементарых частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов
Строение электронных оболочек атомов
Понятие об электронной оболочке атома и энергетических уровнях
1. Электронная оболочка – совокупность электронов, окружающих атомное ядро.
2. В электронной оболочке различают слои, на которых располагаются электроны с различным запасом энергии, их называют энергетические уровни . Число этих уровней равно номеру периода в таблице Менделеева.
3. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона (около 90%), называется орбиталью .
Размер и форма орбиталей
Рис. 1 Формы s-, p- и d-орбиталей1) s 2 - электроны; сферическая, симметрична относительно ядра и не имеет направления.
2) р 6 – электроны; гантелеобразные, расположены в атоме взаимно перпендикулярно
Существуют орбитали более сложной формы: d 10 - орбитали и f 14 - орбитали.
Число энергетических уровней (электронных слоев) в атоме равно номеру периода в системе Д.И. Менделеева, к которому принадлежит химический элемент: у атомов элементов первого пеиода - один энергетический уровень, второго периода - два, третьего периода - три, седьмого периода - семь.
Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
N = 2 n 2 , где N - максимальное число электронов;
n - номер уровня или главное квнтовое число. (Целое число n , обозначающееномер энергетического уровня, называется главным квантовым числом ).
Энергетические уровни и электронная конфигурация атома
Атом имеет сложное строение. Он состоит из ядра, в состав которого входят протоны и нейтроны, и электронов, вращающихся вокруг ядра атома. Заряд протона равен +1, а масса 1 у.е. Нейтрон - электронейтральная частица, масса примерно 1 у.е. Электрон - заряд равен -1, масса 5,5∙10 -4 у.е. В целом атом электронейтрален, число протонов в ядре атома равно числу электронов в атоме. Электроны в атоме распределяются на энергетических уровнях.
Количество энергетических уровней в атоме определяется номером периода, в котором находится данный элемент. При построении электронных моделей атомов следует помнить, что максимальное количество электронов на энергетическом уровне равно 2 n 2 , где n – номер энергетического уровня. В соответствии с этим на первом, ближайшем к ядру уровне может находиться не более 2 электронов, на втором – не более 8, на третьем – не более 18, на четвертом – не более 32. На наружном энергетическом уровне не может быть более 8 электронов.
Атомные спектры поглощения и испускания однозначно показывают, что все атомы имеют целый ряд возможных энергетических состояний, называемых основным и возбужденными электронными состояниями (рис.1).
Запись распределения электронов в атоме по электронным уровням и подуровням называется его электронной конфигурацией и может быть сделана как для основного, так и возбужденного состояния атома. Для определения конкретной электронной конфигурации атома в основном состоянии существуют следующие три положения:
Принцип заполнения (наименьшей энергии). Электроны в основном состоянии заполняют орбитали в последовательности повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.
Принцип Паули. На любой орбитали может находиться не более двух электронов, причем с противоположно направленными спинами (спин – особое свойство электрона, не имеющее аналогов в макромире, которое упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси).
Правило Гунда. Вырожденные (с одинаковой энергией) орбитали заполняются одиночными электронами с одинаково направленными спинами, лишь после этого идет заполнение вырожденных орбиталей электронами с противоположно направленными спинами согласно принципу Паули.
Квантовые числа
Главное квантовое число n эквивалентно квантовому числу в теории Бора. Оно в основном определяет энергию электронов на данной орбитали.
.....
....
Орбитальное квантовое число l определяет значение орбитального момента количества движения электрона на данной орбитали. Допустимые значения: 0, 1, 2, 3, ... , n-1.
Это квантовое число описывает поведение атомной орбитали при поворотах системы координат с центром на атомном ядре.
Орбитальное магнитное квантовое число m l определяет значение составляющей проекции момента количества движения электрона на выделенное направление в пространстве. В отсутствие внешнего магнитного поля электроны на орбиталях с одинаковым значением орбитального квантового числа l энергетически равноценны (т.е. их энергетические уровни вырождены).
Однако в постоянном магнитном поле некоторые спектральные линии расщепляются. Это означает, что электроны становятся энергетически неравноценными. Например, p-состояния в магнитном поле принимают 3 значения вместо одного, d-состояния – 5 значений. Допустимые значения m l для данного l : - l , ... -2, -1, 0, +1, +2, ... + l
Спиновое квантовое число m s связано с наличием собственного магнитного момента у электрона. В общем виде выражение для магнитного момента количества движения совпадает с таковым для орбитального момента:
Для электрона m s принимает только два значения: +1/2 и -1/2. Иногда для более наглядного объяснения понятия спина используют грубую аналогию – электрон представляют как летящий волчок (круговой ток, создающий собственное магнитное поле). Такая аналогия позволяет объяснить наличие спина 1/2 у электрона и протона, но не у нейтрона – частицы с нулевым зарядом.
Понятие "спин" не укладывается в наши "макропредставления" о пространстве. При всех способах его регистрации спин всегда направлен вдоль той оси, которую наблюдатель выбрал за исходную. Значение спина 1/2 означает, что электрон (протон, нейтрон) становится идентичным сам себе при обороте на 720 0 , а не 360 0 , как в нашем трехмерном мире. Спин принято считать одним из фундаментальных свойств природы (т.е. он невыводим, как гравитация и электричество).
Каждую орбиталь обозначают квадратной ячейкой, электроны – противоположно направленными стрелками (смотрите решение упражнений по этой теме)
Электронная формула – это формула, которая показывает распределение электронов на электронных слоях в атоме.
Таблица 2
Главное квантовое число, типы и число орбиталей, максимальное число электронов на подуровнях и уровнях
Энергетический уровень(номер периода)
n
Число подуровней, равное n
Форма (тип) орбиталей
Число орбиталей
Максимальное число электронов
в подуровне
в уровне, равное n 2
на подуровнях
на уровнях
К ( n =1)
1 s
Практическая работа
Цель работы:
6) Вывод
Задание № 1
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
а) по группе
б) по периоду
Задание № 2
1) электронную формулу атома элемента, по числу электронов на внешнем уровне металлический и неметаллический характер (если на внешнем уровне 1-3 электрона, то элемент- металл, если более 3, то элемент - неметалл;
2) электронно- структурную формулу валентной оболочки атома элемента, нормальное и возбужденное состояние атома, отрицательную и положительные степени окисления для p - элементов (неметаллов), высшую и низшую положительные степени окисления для металлов ( s - и d - семейства);
3) формулу водородного соединения (для s -элемента гидрид с Н - , для p - элемента газообразное водородное соединение с Н + ), назвать;
4) формулы оксидов, в которых проявляются положительные степени окисления, назвать, указать характер;
5) формулы соответствующих оксидам оснований и кислот, назвать; формулы солей, назвать.
Характеристика p - элемента S - серы, находится в III периоде главной подгруппы VI группы
1) 16 S 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 4 - неметалл, так как на внешнем уровне у атома более трех электронов - шесть
2) S 3 s 2 3 p 4 р - элемент
↓ нормальное состояние атома - 2 непарных электрона, следовательно, S сера
S ↓ 3р 4 проявляет отрицательную степень окисления (-2):
3 s 2 S 0 + 2 ē → S -2
S * первое возбужденное состояние - 4 непарных электрона, следовательно, S
3 d 1 проявляет положительную степень окисления (+4):
↓ 3 p 3 S 0 - 4 ē → S +4
3 s 2
второе возбужденное состояние - 6 непарных электронов, следовательно,
3 d 2 сера проявляет положительную степень окисления (+6):
S ** 3 p 3 S 0 - 6 ē → S +6
3 s 1
3) S -2 → H 2 S - сероводород, водный раствор которого является сероводородной кислотой.
Соли H 2 S называются сульфидами; (назвать) К 2 S - сульфид калия.
4) S +4 → SO 2 (оксид серы IV ) → кислота H 2 SO 3 → соли:
К 2 SO 3 и КН SO 3
5) S +6 → SO 3 (оксид серы VI ) → кислота H 2 SO 4 → соли: К 2 SO 4 и КН SO 4
Характеристика s - элемента Са - кальция, находится в четвертом периоде главной подгруппы второй группы
1) 20 Са 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 K кальций металл, так как на внешнем уровне у атома меньше трёх электронов - 2 электрона
2) Са 4 s 2 s - элемент; Са 4 s 2 - нормальное состояние атома - нет непарных электронов
Са * возбужденное состояние атома - два непарных электрона, следовательно,
Са 0 - 2 ē → Са +2
4р 1 Са - проявляет положительную степень окисления (+2); отрицательной степени
4 s 1 окисления у металлов нет
3) Са +2 Н 2 - - водородное соединение; СаН 2 (гидрид кальция)
4) Са +2 → оксид СаО → основание Са(ОН) 2 → соли: 1) Са CI 2 и СаОН CI 2) CaSO 3 и Ca (HSO 3 ) 2
Задание № 3
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
s - элемент
р - элемент
Вывод:
Практическая работа
Вариант 1
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида и их характер
Задание № 2
Характеристика элемента по положению его в периодической системе, указать валентные возможности атома элемента
Задание № 3 Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формулы соли
s - элемент
p- элемент
Вывод:
Практическая работа
Вариант 2
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
Задание № 2
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Практическая работа
Вариант 3
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
Задание № 2
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Практическая работа
Вариант 4
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Цель работы:
1) Научиться давать характеристику элементов по положению их в периодической системе
2) Применить знания о строении атома при составлении характеристики атомов химических элементов
3) Записывать электронную формулу элемента
4) Определять формулу и характер высшего оксида и гидроксида; водородного его соединения
5) Давать сравнительную характеристику с соседними элементами в периоде и группе
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
Задание № 2
Характеризуя элемент по положению его в периодической системе, указать:
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Практическая работа
Вариант 5
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Цель работы:
1) Научиться давать характеристику элементов по положению их в периодической системе
2) Применить знания о строении атома при составлении характеристики атомов химических элементов
3) Записывать электронную формулу элемента
4) Определять формулу и характер высшего оксида и гидроксида; водородного его соединения
5) Давать сравнительную характеристику с соседними элементами в периоде и группе
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
(кислоты и соли - по примеру азотной и азотистой кислот)
Задание № 2
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Практическая работа
Вариант 6
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Цель работы:
1) Научиться давать характеристику элементов по положению их в периодической системе
2) Применить знания о строении атома при составлении характеристики атомов химических элементов
3) Записывать электронную формулу элемента
4) Определять формулу и характер высшего оксида и гидроксида; водородного его соединения
5) Давать сравнительную характеристику с соседними элементами в периоде и группе
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
(кислоты и соли - по примеру S )
Задание № 2
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Практическая работа
Вариант 7
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Цель работы:
1) Научиться давать характеристику элементов по положению их в периодической системе
2) Применить знания о строении атома при составлении характеристики атомов химических элементов
3) Записывать электронную формулу элемента
4) Определять формулу и характер высшего оксида и гидроксида; водородного его соединения
5) Давать сравнительную характеристику с соседними элементами в периоде и группе
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
(кислоты и соли - по примеру S )
Задание № 2
Характеризуя элемент по положению его в периодической системе, указать:
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Практическая работа
Вариант 8
Составление электронных формул атомов элементов и графических схем, заполнение их электронами
Цель работы:
1) Научиться давать характеристику элементов по положению их в периодической системе
2) Применить знания о строении атома при составлении характеристики атомов химических элементов
3) Записывать электронную формулу элемента
4) Определять формулу и характер высшего оксида и гидроксида; водородного его соединения
5) Давать сравнительную характеристику с соседними элементами в периоде и группе
Ход работы
Задание № 1
Заполнить таблицу:
5. Число электронов N ē6 . Заряд ядра атома , Z
7. Массовое число, А
8. Число нейтронов, N n 0 = А - N р +
9. Написать распределение электронов по энергетическим уровням
10. Сравнение с элементами соседями:
а) по группе
б) по периоду
11. Формула высшего оксида и гидроксида
(кислота - борная, соли - бораты)
Задание № 2
Характеризуя элемент по положению его в периодической системе, указать:
Результаты работы занести в таблицу по форме:
Форма ēэлемента
Элемент
Валентная
оболочка
Низшая степень окисления
Водородное соединение
Промежуточные степени окисления
Высшая степень окисления
Формула Высшего оксида
Формула гидроксида
Формула соли
Вывод:
Запись, отражающая распределение электронов в атоме химического элемента по энергетическим уровням и подуровням, называется электронной конфигурацией этого атома. В основном (невозбужденном) состоянии атома все электроны удовлетворяют принципу минимальной энергии. Это значит, что сначала заполняются подуровни, для которых:
1) Главное квантовое число n минимально;
2) Внутри уровня сначала заполняется s- подуровень, затем p- и лишь затем d- (l минимально);
3) Заполнение происходит так, чтобы (n + l) было минимально (правило Клечковского);
4) В пределах одного подуровня электроны располагаются таким образом, чтобы их суммарный спин был максимален, т.е. содержал наибольшее число неспаренных электронов (правило Гунда).
5) При заполнении электронных атомных орбиталей выполняется принцип Паули. Его следствием является, что энергетическому уровню с номером n может принадлежать не более чем 2n 2 электронов, расположенных на n 2 подуровнях.
В записи электронных формул (или конфигураций), отражающих эту последовательность, первая цифра равна n , буква после нее соответствует l , а правый верхний индекс равен числу электронов в этом состоянии.
Например , цезий (Сs) находится в 6 периоде, его 55 электронов (порядковый номер 55) распределены по 6 энергетическим уровням и их подуровням, соблюдая последовательность заполнения электронами орбиталей получим: 55 Cs 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 4 p 6 4 d 10 5 s 2 5 p 6 5 d 10 6 s 1
В свою очередь электронная формула лития – 1 s 2 2 s 1 , углерода – 1 s 2 2 s 2 2 p 2 , хлора – 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5 .
Заселенность электронных оболочек может быть представлена в виде квантовых ячеек (квадратов или горизонтальных линий). В отличие от электронных формул, здесь используются не два, а все четыре квантовых числа. Видно, что энергия электронов в многоэлектронных атомах определяется как квантовым числом n , так и l ; электроны отличаются значениями m l , а у спаренных электронов различны только спины. Свободные ячейки в нашем примере означают свободные p -орбитали, которые могут занимать электроны при возбуждении атома (рис. 8).
Рис. 8. Графическое изображение электронной формулы бора.
Исследуя изменение химических свойств элементов в зависимости от величины их относительной атомной массы (атомного веса), Д. И. Менделеев в 1869 г. открыл закон периодичности этих свойств: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов ». Поскольку химические свойства обусловлены строением электронных оболочек атома, периодическая система Менделеева – это естественная классификация элементов по электронным структурам их атомов (прил. 4). Простейшая основа такой классификации – число электронов в нейтральном атоме, которое равно заряду ядра. Но при образовании химической связи электроны могут перераспределяться между атомами, а заряд ядра остается неизменным, поэтому современная формулировка периодического закона гласит: «Свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов» .
Это обстоятельство отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.
Период – горизонтальный ряд, имеющий одинаковое число электронных уровней, номер периода совпадает со значением главного квантового числа n внешнего уровня (слоя); таких периодов в периодической системе семь. Второй и последующие периоды начинаются щелочным элементом (ns 1) и заканчивается благородным газом (ns 2 np 6).
По вертикали периодическая система подразделяется на восемь групп, которые делятся на главные – А , состоящие из s - и p -элементов, и побочные – B-подгруппы , содержащие d -элементы. Подгруппа III B, кроме d -элементов, содержит по 14 4f - и 5f -элементов (семейства 4f -лантаноидов и 5f -актиноидов). Главные подгруппы содержат на внешнем электронном слое одинаковое число электронов, которое равно номеру группы. В главных подгруппах валентные электроны (электроны, способные образовывать химические связи) расположены на s - и p -орбиталях внешнего энергетического уровня, в побочных – на s -орбиталях внешнего и d -орбиталях предвнешнего слоя. Для f -элементов валентными являются (n – 2)f - (n – 1)d - и ns -электроны. Сходство элементов внутри каждой группы – наиболее важная закономерность в периодической системе. Следует, кроме того, отметить такую закономерность, как диагональное сходство у пар элементов Li и Mg, Be и Al, B и Si и др. Эта закономерность обусловлена тенденцией смены свойств по вертикали (в группах) и их изменением по горизонтали (в периодах).
Структура электронной оболочки атомов элемента изменяется периодически с ростом порядкового номера элемента, с одной стороны, и, с другой стороны, свойства определяются строением электронной оболочки и, следовательно, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.
Периодичность атомных характеристик
Периодический характер изменения химических свойств атомов элементов зависит от изменения радиуса атома и иона.
За радиус свободного атома принимают положение главного максимума плотности внешних электронных оболочек. Это так называемый орбитальный радиус . Если рассматривать относительные величины атомных радиусов, то легко обнаружить периодичность их зависимости от номера элемента.
В периодах орбитальные атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра Z в общем монотонно уменьшаются из-за роста степени взаимодействия внешних электронов с ядром. В подгруппах радиусы в основном увеличиваются из-за возрастания числа электронных оболочек.
У s - и p -элементов изменение радиусов, как в периодах, так и в подгруппах более выражены, чем у d - и f -элементов, так как d - и f -электроны внутренние. Уменьшение радиусов у d - и f-элементов в периодах называется d - и f -сжатием . Следствием f -сжатия является то, что атомные радиусы электронных аналогов d -элементов пятого и шестого периодов практически одинаковы.
Эти элементы из-за близости их свойств называются элементами-близнецами.
Образование ионов приводит к изменению ионных радиусовпо сравнению с атомными. При этом радиусы катионов всегда меньше, а радиусы анионов всегда больше соответствующих атомных радиусов.
Свойства атомов рассматриваются, как способность отдавать, или принимать электроны из-за стремления атомов приобрести устойчивую электронную конфигурацию, аналогичную инертным газам. Металлические свойства рассматриваются, как способность атомов элементов отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства, а неметаллические свойства – присоединять электроны и проявлять окислительные свойства.
Энергией ионизации атома I называется энергия, необходимая для перевода нейтрального атома в положительно заряженный ион. Ее величина зависит от величины заряда ядра, от радиуса атома и от взаимодействия между электронами. Энергия ионизации выражается в кДж∙моль –1 или эВ. Для химических исследований наибольшее значение имеет потенциал ионизации первого порядка – энергия, затрачиваемая на полное удаление слабосвязанного электрона из атома в невозбужденном, состоянии.
Э о – e – = Э + , I 1 – первый потенциал ионизации;
Э + – e – = Э 2+ , I 2 – второй потенциал ионизации и т.д. I 1 < I 2 < I 3 < I 4 ...
Энергия ионизации определяет характер и прочность химической связи, и восстановительные свойства элементов (табл. 28).
Чтобы научиться составлять электронно-графические формулы, важно понять теорию строения атомного ядра. Ядро атома составляют протоны и нейтроны. Вокруг ядра атома на электронных орбиталях находятся электроны.
Вам понадобится
- - ручка;
- - бумага для записей;
- - периодическая система элементов (таблица Менделеева).
Инструкция
Электроны в атоме занимают свободные орбитали в последовательности, называемой шкалой энергии:1s / 2s, 2p / 3s, 3p / 4s, 3d, 4p / 5s, 4d, 5p / 6s, 4d, 5d, 6p / 7s, 5f, 6d, 7p. На одной орбитали могут располагаться два электрона с противоположными спинами – направлениями вращения.
Структуру электронных оболочек выражают с помощью графических электронных формул. Для записи формулы используйте матрицу. В одной ячейке могут располагаться один или два электрона с противоположными спинами. Электроны изображаются стрелками. Матрица наглядно показывает, что на s-орбитали могут располагаться два электрона, на p-орбитали – 6, на d – 10, на f -14.
Рассмотрите принцип составления электронно-графической формулы на примере марганца. Найдите марганец в таблице Менделеева. Его порядковый номер 25, значит в атоме 25 электронов, это элемент четвертого периода.
Запишите порядковый номер и символ элемента рядом с матрицей. В соответствии со шкалой энергии заполоните последовательно 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s уровни, вписав по два электрона в ячейку. Получится 2+2+6+2+6+2=20 электронов. Эти уровни заполнены полностью.
У вас осталось еще пять электронов и незаполненный 3d-уровень. Расположите электроны в ячейках d-подуровня, начиная слева. Электроны с одинаковыми спинами расположите в ячейках сначала по одному. Если все ячейки заполнены, начиная слева, добавьте по второму электрону с противоположным спином. У марганца пять d-электронов, расположенных по одному в каждой ячейке.
Электронно-графические формулы наглядно показывают количество неспаренных электронов, которые определяют валентность.
При создании теоретических и практических работ по математике, физике, химии студент или школьник сталкивается с необходимостью вставки специальных символов и сложных формул. Располагая приложением Word из офисного пакета Microsoft, можно набрать электронную формулу любой сложности.
Инструкция
Откройте новый документ в Microsoft Word. Присвойте ему название и сохраните в той же папке, где у вас лежит работа, чтобы в будущем не искать.
Перейдите на вкладку «Вставка». Справа найдите символ?, а рядом надпись «Формула». Нажмите на стрелочку. Появится окно, в котором вы можете выбрать встроенную формулу, например, формулу квадратного уравнения.
Нажмите на стрелку и на верхней панели появятся самые разные символы, которые вам могут понадобиться при написании конкретно этой формулы. Изменив ее так, как нужно вам, вы можете сохранить ее. С этого момента она будет выпадать в списке встроенных формул.
Если вам нужно перенести формулу в текст, который позже нужно разместить на сайте, то кликните на активном поле с ней правой кнопкой мыши и выберите не профессиональный, а линейный способ написания. В частности, формула все того же квадратного уравнения в данном случае примет вид:x=(-b±?(b^2-4ac))/2a.
Другой вариант написания электронной формулы в Word – через конструктор. Зажмите одновременно клавиши Alt и =. У вас сразу появится поле для написания формулы, а в верхней панели откроется конструктор. Здесь вы можете выбрать все знаки, которые могут понадобиться для записи уравнения и решения любой задачи.
Некоторые символы линейной записи могут быть непонятными читателю, незнакомому с компьютерной символикой. В этом случае самые сложные формулы или уравнения имеет смысл сохранить в графическом виде. Для этого откройте самый простой графический редактор Paint: «Пуск» - «Программы» - «Paint». Затем увеличьте масштаб документа с формулой так, чтобы она заняла весь экран. Это необходимо, чтобы сохраненное изображение имело наибольшее разрешение. Нажмите на клавиатуре PrtScr, перейдите в Paint и нажмите Ctrl+V.
Обрежьте все лишнее. В итоге у вас получится качественное изображение с нужной формулой.
Обратите внимание
Помните, что химия – наука исключений. У атомов побочных подгрупп Периодической системы встречается «проскок» электрона. Например, у хрома с порядковым номером 24 один из электронов с 4s-уровня переходит в ячейку d-уровня. Похожий эффект есть у молибдена, ниобия и др. Кроме того, есть понятие возбужденного состояния атома, когда спаренные электроны распариваются и переходят на соседние орбитали. Поэтому при составлении электронно-графических формул элементов пятого и последующих периодов побочной подгруппы сверяйтесь со справочником.
