1.7. Строение электронных оболочек атомов

Во время химических реакций ядро атома не изменяется. Изменения претерпевают электронные оболочки атомов, особенностями строения которых объясняются свойства химических элементов.

Электронная оболочка – это совокупность электронов, движущихся в атоме вокруг ядра по определенным орбиталям.

Пространство вокруг ядра, в котором вероятнее всего пребывание электрона называют орбиталью.

Кроме вращения вокруг ядра, электрон имеет еще свое направление движения – спин. Это движение электрона вокруг своей оси. Если два электрона имеют одинаковые направления вращения, то говорят, что это электроны с параллельными спинами, а если направления вращения у них противоположны (один электрон вращается вокруг своей оси по часовой стрелке, а другой – против часовой стрелки), то это – электроны с противоположными (антипараллельными) спинами. Два электрона с противоположными спинами создают вокруг себя магнитное поле с противоположно направленными силовыми линиями, что обеспечивает взаимное притяжение электронов. На одной орбитали могут находиться всего два электрона с противоположными спинами. Схематически атомную орбиталь обозначают квадратиком, а электроны стрелочками в двух противоположных направлениях: .

Характеристика орбиталей

Электронное облако может иметь разную плотность, размер и форму. Чем сильнее притягивается электрон к ядру, тем его облако плотнее и меньше по размеру. Электронное облако может иметь несколько форм. Электрон двигаясь вокруг ядра, может образовывать облако шаровидной формы. Орбиталь, имеющий форму шара называют s-орбиталью, а электрон, образующий такую форму орбитали – s-электроном.

Орбитали могут иметь форму гантели (объемной восьмерки) или более сложную. Орбитали, имеющие форму гантели обозначают буквой p, а электроны, образующие такую орбиталь называют p-электронами. Эти электроны размещаются в пространстве вдоль трех взаимно перпендикулярных осей координат.

Строение электронных оболочек атомов

Номер периода указывает количество электронных слоев (энергетических уровней) в атоме.

На каждом энергетическом уровне двигаются электроны с одинаковой или очень близкой энергией. Первому уровню принадлежат электроны, которые находятся ближе всего к ядру и поэтому имеют наименьшую энергию. Электроны второго уровня характеризуются более высокой энергией, третьего — еще более высокой.

Энергетические уровни обозначают буквами K, L, M, N … или цифрами 1, 2, 3, 4… и условно обозначают их скобками (как частью от круга) при записи размещения электронов на энергетических уровнях.

На каждом энергетическом уровне двигается ограниченное число электронов. Их максимальное число на энергетическом уровне определяется по формуле:

N = 2n², где n – номер уровня.

I уровень 2 × 1² = 2. III уровень 2 × 3² = 18.

II уровень 2 × 2² = 8. IV уровень 2 × 4² = 32.

Схема 1. Расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях.

Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны (орбиталь условно обозначают квадратиком, а электроны – стрелками в противоположных направлениях).

Если внешний электронный слой атома имеет максимальное число электронов, которое может вместить, то такой слой называют завершенным.

Если во внешнем электронном слое атома содержится меньше электронов, чем может вместить, то этот слой называют незавершенным.

Номер группы (для элементов главных подгрупп) указывает число электронов на внешнем энергетическом уровне элемента.

На последнем энергетическом уровне какого-либо атома не может быть больше 8 электронов.

Электронное строение атома Сульфура

Электронная схема – распределение электронов в атоме на энергетических уровнях.

Для написания электронной схемы необходимо:

1.	По порядковому номеру элемента определяем число протонов в ядре, и число электронов, указываем символ элемента.
2.	Номер периода указывает на число энергетических уровней (пишем число скобок).
3.	Номер группы элемента указывает на число электронов на внешнем энергетическом уровне.
4.	Пишем максимальное число электронов, на первом энергетическом уровне (2), а второй рассчитываем по разнице: 16 – 6 – 2 = 8.(Если уровней больше, то поступаем так: пишем число электронов по номеру группы под последним уровнем, под первыми уровнями — максимальное их количество для этих уровней, а под предпоследним – остаток).

Электронная формула – это распределение электронов в атоме на энергетических уровнях и подуровнях.

1.	16 электронов в атоме Сульфур находятся на трех энергетических уровнях. На первом уровне (1) движется два s-электрона (число электронов пишется вверху справа).	1s²
2.	На втором энергетическом уровне (2) двигаются два s-электрона и шесть p-электронов (номер уровня пишется для каждого подуровня).	2s² 2p⁶
3.	На третьем энергетическом уровне (3) двигаются два s-электрона и четыре p-электрона.	3s² 3p⁴
4.	Суммарная электронная формула будет выглядеть	1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

Электронная конфигурация – это графическое изображение распределения электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Электроны обозначаются стрелочками, а орбитали – ячейками. Свободная клетка – это свободная орбиталь, которую может занять электрон после возбуждения.

Орбитали заполняют следующим образом:

1.	Первый энергетический уровень имеет только один s-подуровень, на котором находятся два электрона с противоположными спинами.
2.	Второй энергетический уровень имеет два подуровня: на s-подуровне находится 2 электрона и на p-подуровне – 6 (на трёх орбиталях).
3.	Третий энергетический уровень имеет три подуровня: на s-подуровне находится 2 электрона, на p-подуровне – 4 (на трёх орбиталях), а d-подуровень (пять орбиталей) в Сульфуре не заполнен.

В таком, невозбужденном состоянии атом Сульфура имеет два неспаренных электрона – то есть проявляет валентность II.

На третьем d-подуровне есть свободные орбитали, поэтому в возбужденном состоянии электроны с 3p-подуровня и 3s-подуровня могут «перепрыгивать» на 3d-подуровень, занимая свободные орбитали. Валентность атома при этом меняется на IV или VI.

Размещая электроны по электронным (квантовым) ячейкам, можно выявить число неспаренных электронов в атоме и возможную валентность элемента.

Под действием внешней энергии, электрон может «перепрыгнуть» с нижнего уровня на более высокий уровень в пределах одного энергетического уровня. Такое состояние атома называют возбуждением.

В пределах одного периода у элементов главных подгрупп постепенно увеличивается число электронов на последнем, а у элементов побочных подгрупп – на предпоследнем энергетическом уровне.

Чтобы рассчитать число неспаренных электронов у элементов IV-VII групп главных подгрупп, необходимо из числа 8 вычесть номер группы.

Задания для самоконтроля

■ 66. Запишите электронные формулы атомов: Li, Na, Al, S, Si, их валентность в возбужденном и невозбужденном состояниях.

▲● 67. Укажите количество электронов, содержащихся на внешнем энергетическом уровне в атоме элемента с протонным числом 13: а) 5; б) 1; в) 2; г) 3.

68. Одинаковое количество энергетических уровней имеют атомы элементов с протонными числами: а) 5 и 15; б) 7 и 27; в) 13 и 15; г) 13 и 27.

69. Укажите пару элементов, имеющих одинаковое количество валентных электронов на последнем энергетическом уровне: а) Литий и Бор; б) Литий и Калий; в) Бор и Калий; г) Бор и Бериллий.

70. Элемент с протонным числом 5 образует высший оксид типа: а) EO; б) E₂O₃; в) EO₂; г) Е₂О.

71. Одинаковое количество электронов на внешнем уровне содержат атомы элементов с протонными числами: а) 8 и 9; б) 9 и 18; в) 16 и 18; г) 8 и 16.

●● 72. Сколько электронов содержится в атоме ?

73. Сколько нечетных электронов имеют атомы следующих элементов: Cl, N, Si в невозбужденном состоянии?

74. Что общего в строении атомов элементов с протонными числами 12 и 16: а) заряд ядра; б) количество электронов; в) количество электронов на внешнем энергетическом уровне; г) количество электронных уровней?

75. Укажите формулу и характер высшего оксида химического элемента с протонным числом 7.

76. Атомное ядро какого элемента содержит 35 протонов и 45 нейтронов?

77. Напишите три химических элемента, в которых на внешнем энергетическом уровне содержится по 4 электрона. Изобразите электронные схемы атомов.

●●● 78. Запишите электронные формулы атомов: Mg, K, P и Cl. Укажите их валентность в возбужденном и невозбужденном состояниях.

79. Конфигурация внешних электронных оболочек атомов такова: а) 4s²4p³; б) 6s². В каких периодах и группах периодической системы содержатся эти элементы?

80. Электронная формула атома – 1s²2s²2p⁶3s¹. Какой это элемент? Напишите формулу оксида и гидроксида для данного элемента.

81. Атом какого элемента имеет такое распределение электронов по энергетическим уровням: 2, 8, 5? Составьте формулу его водородного соединения, оксида и гидроксида.

82. Определите элементы, атомы которых имеют следующие электронные формулы: а) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶; б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²; в) 1s²2s²2p¹.

●●●● 83. Какие из приведенных электронных формул соответствуют невозбужденному состоянию атомов элементов? Назовите эти элементы: а) 1s²2s¹2p¹; 1s²2s²2p⁴; 1s²2s²2p⁶3s²; б) 1s²2s²2p⁶3s¹; 1s²2s²2p⁵3s²; 1s²2s².

84. В каких случаях приведенные электронные формулы соответствуют атомам разных элементов, а в каких – атомам одного и того же элемента, находящегося в возбужденном и невозбужденном состояниях: а) 1s²2s²2p³ і 1s²2s²2p⁴; б) 1s²2s²2p² і 1s²2s¹2p³; в) 1s²2s²2p³ і 1s²2s²2p²; г) 1s²2s²2p⁵ і 1s²2s¹2p⁶?

85. Внешний энергетический уровень атома элемента имеет строение:ns²np⁴. Кислота, соответствующая его более высшему оксиду, имеет относительную молекулярную массу 145. Назовите этот элемент.

86. Оксид химического элемента I группы главной подгруппы имеет относительную молекулярную массу 232. Назовите этот элемент.