Глава IV. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение атома. § 31. Строение электронных оболочек атомов — с. 139
§ 31. Проверьте свои знания.
1. Дайте определения электронной оболочки атома и энергетического уровня (электронного слоя).
Электронная оболочка атома — это совокупность всех электронов, движущихся вокруг ядра атома. Энергетический уровень (электронный слой) — это совокупность электронов с близким значением энергии, находящихся приблизительно на одинаковом расстоянии от ядра. Электронная оболочка атома состоит из одного или нескольких энергетических уровней; число уровней равно номеру периода, в котором расположен элемент. Например, у атома натрия электронная оболочка содержит 11 электронов, распределённых по трём энергетическим уровням: 2, 8, 1.
§ 31. Проверьте свои знания.
2. Каков порядок заполнения электронных слоёв у атомов элементов № 1—20 в таблице Д. И. Менделеева?
Электроны заполняют энергетические уровни последовательно, начиная с ближайшего к ядру. Сначала заполняется первый уровень (максимум 2 электрона: у H один, у He два). Затем заполняется второй уровень от одного электрона (Li) до восьми (Ne). Далее заполняется третий уровень от одного электрона (Na) до восьми (Ar). У атомов калия и кальция (№ 19 и 20) третий уровень остаётся с восемью электронами, а начинает заполняться четвёртый: у K на нём один электрон, у Ca два. Следовательно, в каждом периоде число электронов на внешнем уровне возрастает от 1 до 8 (в первом периоде — от 1 до 2), после чего начинает формироваться следующий уровень.
§ 31. Проверьте свои знания.
3. Какие энергетические уровни атома называют завершёнными?
Как рассчитать максимальное число электронов, которые может вместить n-ный энергетический уровень?
Завершёнными называют энергетические уровни, на которых находится наибольшее возможное число электронов и которые поэтому особенно устойчивы. Для внешнего уровня это два электрона у гелия и восемь электронов у остальных благородных газов (Ne, Ar и др.). Максимальное число электронов на n-ном энергетическом уровне рассчитывают по формуле N = 2n². Для первого уровня N = 2·1² = 2, для второго N = 2·2² = 8, для третьего N = 2·3² = 18. Однако у атомов элементов малых периодов (№ 1—20) внешний уровень завершён уже при восьми электронах.
§ 31. Проверьте свои знания.
4. Объясните причину сходства свойств элементов VA-группы. Запишите формулы высших оксидов и летучих водородных соединений элементов этой группы.
У атомов всех элементов VA-группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) на внешнем энергетическом уровне находится по пять электронов. Именно одинаковое строение внешнего уровня и является причиной сходства их свойств: атомы могут присоединять недостающие три электрона и проявлять валентность III в водородных соединениях или использовать все пять внешних электронов и проявлять высшую валентность V. Формулы высших оксидов: N₂O₅, P₂O₅, As₂O₅, Sb₂O₅ (общая формула R₂O₅). Летучие водородные соединения (у типичных неметаллов): NH₃, PH₃, AsH₃ (общая формула RH₃).
§ 31. Примените свои знания.
5. Укажите общее число электронов и число энергетических уровней в атомах элементов следующих групп: а) щелочных металлов; б) щелочноземельных металлов; в) галогенов; г) благородных газов.
Общее число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента, а число энергетических уровней — номеру периода. Поэтому в группе эти числа разные; приведём их для элементов 2—4 периодов.
а) Щелочные металлы (на внешнем уровне 1 электрон): Li — 3 электрона, 2 уровня; Na — 11 электронов, 3 уровня; K — 19 электронов, 4 уровня.
б) Щелочноземельные металлы (на внешнем уровне 2 электрона): Be — 4 электрона, 2 уровня; Mg — 12 электронов, 3 уровня; Ca — 20 электронов, 4 уровня.
в) Галогены (на внешнем уровне 7 электронов): F — 9 электронов, 2 уровня; Cl — 17 электронов, 3 уровня; Br — 35 электронов, 4 уровня.
г) Благородные газы (на внешнем уровне 8 электронов, у гелия 2): He — 2 электрона, 1 уровень; Ne — 10 электронов, 2 уровня; Ar — 18 электронов, 3 уровня.
а) Щелочные металлы (на внешнем уровне 1 электрон): Li — 3 электрона, 2 уровня; Na — 11 электронов, 3 уровня; K — 19 электронов, 4 уровня.
б) Щелочноземельные металлы (на внешнем уровне 2 электрона): Be — 4 электрона, 2 уровня; Mg — 12 электронов, 3 уровня; Ca — 20 электронов, 4 уровня.
в) Галогены (на внешнем уровне 7 электронов): F — 9 электронов, 2 уровня; Cl — 17 электронов, 3 уровня; Br — 35 электронов, 4 уровня.
г) Благородные газы (на внешнем уровне 8 электронов, у гелия 2): He — 2 электрона, 1 уровень; Ne — 10 электронов, 2 уровня; Ar — 18 электронов, 3 уровня.
§ 31. Примените свои знания.
6. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням в атомах следующих элементов: а) магний; б) кальций; в) алюминий; г) фосфор; д) хлор.
а) магний, Z = 12: ₁₂Mg 2, 8, 2;
б) кальций, Z = 20: ₂₀Ca 2, 8, 8, 2;
в) алюминий, Z = 13: ₁₃Al 2, 8, 3;
г) фосфор, Z = 15: ₁₅P 2, 8, 5;
д) хлор, Z = 17: ₁₇Cl 2, 8, 7.
Сумма чисел в каждой записи равна порядковому номеру элемента.
б) кальций, Z = 20: ₂₀Ca 2, 8, 8, 2;
в) алюминий, Z = 13: ₁₃Al 2, 8, 3;
г) фосфор, Z = 15: ₁₅P 2, 8, 5;
д) хлор, Z = 17: ₁₇Cl 2, 8, 7.
Сумма чисел в каждой записи равна порядковому номеру элемента.
§ 31. Примените свои знания.
7. Назовите химические элементы, расположение электронов по энергетическим уровням которых соответствует ряду чисел: а) 2, 1; б) 2, 8, 1; в) 2, 8, 7; г) 2, 8, 8, 2.
Сумма чисел даёт общее число электронов, т. е. порядковый номер элемента; число чисел в ряду — номер периода.
а) 2 + 1 = 3, два уровня — литий Li;
б) 2 + 8 + 1 = 11, три уровня — натрий Na;
в) 2 + 8 + 7 = 17, три уровня — хлор Cl;
г) 2 + 8 + 8 + 2 = 20, четыре уровня — кальций Ca.
а) 2 + 1 = 3, два уровня — литий Li;
б) 2 + 8 + 1 = 11, три уровня — натрий Na;
в) 2 + 8 + 7 = 17, три уровня — хлор Cl;
г) 2 + 8 + 8 + 2 = 20, четыре уровня — кальций Ca.
§ 31. Примените свои знания.
8. Какие из наборов чисел и почему не могут соответствовать распределению электронов по энергетическим уровням атома химического элемента: а) 2, 7, 1; б) 2, 3; в) 1, 8, 1; г) 3, 2; д) 2, 9; е) 2, 7; ж) 2, 8, 8?
Не могут соответствовать наборы:
а) 2, 7, 1 — второй уровень не заполнен (7 электронов), а третий уже начал заполняться; электроны занимают следующий уровень только после завершения предыдущего;
в) 1, 8, 1 — на первом уровне один электрон, хотя он может вместить два, а второй уже содержит восемь;
г) 3, 2 — на первом уровне не может быть больше двух электронов;
д) 2, 9 — на втором уровне не может быть больше восьми электронов.
Возможны наборы б) 2, 3 (бор); е) 2, 7 (фтор); ж) 2, 8, 8 (аргон).
а) 2, 7, 1 — второй уровень не заполнен (7 электронов), а третий уже начал заполняться; электроны занимают следующий уровень только после завершения предыдущего;
в) 1, 8, 1 — на первом уровне один электрон, хотя он может вместить два, а второй уже содержит восемь;
г) 3, 2 — на первом уровне не может быть больше двух электронов;
д) 2, 9 — на втором уровне не может быть больше восьми электронов.
Возможны наборы б) 2, 3 (бор); е) 2, 7 (фтор); ж) 2, 8, 8 (аргон).
§ 31. Примените свои знания.
9. Замените X соответствующим символом или цифрой: а) ₁₀X 2, 8; б) ₓP 2, X, 5; в) ₂He X; г) ₓX X, X, 2.
а) ₁₀X 2, 8 — элемент с порядковым номером 10 — неон: X = Ne, ₁₀Ne 2, 8.
б) ₓP 2, X, 5 — у фосфора пять электронов на внешнем (третьем) уровне, значит, второй уровень завершён: X = 8, а порядковый номер x = 2 + 8 + 5 = 15: ₁₅P 2, 8, 5.
в) ₂He X — у атома гелия два электрона на единственном уровне: X = 2, ₂He 2.
г) ₓX X, X, 2 — три уровня, на внешнем два электрона, значит, первые два заполнены: 2, 8, 2; порядковый номер x = 12, это магний: ₁₂Mg 2, 8, 2.
Оговорка: запись в пункте г) на странице читается неоднозначно; принято решение исходя из набора «…, 2» с тремя уровнями.
б) ₓP 2, X, 5 — у фосфора пять электронов на внешнем (третьем) уровне, значит, второй уровень завершён: X = 8, а порядковый номер x = 2 + 8 + 5 = 15: ₁₅P 2, 8, 5.
в) ₂He X — у атома гелия два электрона на единственном уровне: X = 2, ₂He 2.
г) ₓX X, X, 2 — три уровня, на внешнем два электрона, значит, первые два заполнены: 2, 8, 2; порядковый номер x = 12, это магний: ₁₂Mg 2, 8, 2.
Оговорка: запись в пункте г) на странице читается неоднозначно; принято решение исходя из набора «…, 2» с тремя уровнями.
§ 31. Примените свои знания.
10. Атом гелия содержит на внешнем энергетическом уровне два электрона, подобно атомам бериллия и магния. Почему гелий помещён в Периодической системе Д. И. Менделеева в VIIIA-группу, а не в IIA-группу?
У атома гелия единственный энергетический уровень вмещает максимум два электрона, поэтому внешний уровень гелия завершён. Благодаря этому гелий, подобно неону и аргону, химически инертен и является благородным газом. У атомов бериллия и магния два электрона на внешнем уровне, который ещё не завершён (может вместить восемь), поэтому они легко отдают эти электроны и проявляют свойства активных металлов. Группа определяется не только числом внешних электронов, но и свойствами элемента и его соединений. По свойствам гелий сходен с благородными газами, а не с щелочноземельными металлами, поэтому его место в VIIIA-группе.
§ 31. Примените свои знания.
11. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням атома железа, зная, что третий энергетический уровень его не завершён, а на внешнем уровне содержится 2 электрона.
Железо — элемент № 26, в атоме 26 электронов; расположен в четвёртом периоде, значит, уровней четыре. На внешнем (четвёртом) уровне 2 электрона, первый и второй уровни завершены: 2 и 8. На третьем уровне остаётся 26 − 2 − 8 − 2 = 14 электронов (этот уровень вмещает до 18, т. е. не завершён). Распределение: ₂₆Fe 2, 8, 14, 2.
§ 31. Примените свои знания.
12. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням иона, в который превращается атом кислорода, принявший два электрона.
У атома кислорода ₈O 2, 6 — восемь электронов. Присоединив два электрона, атом превращается в отрицательно заряженный ион O²⁻ (ядро по-прежнему содержит 8 протонов, заряд ядра +8). Теперь электронов 8 + 2 = 10, и внешний уровень завершён: O²⁻ 2, 8. Распределение электронов совпадает с электронной оболочкой атома неона.
§ 31. Примените свои знания.
13. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням иона, в который превращается атом кальция, отдавший два электрона.
У атома кальция ₂₀Ca 2, 8, 8, 2 — двадцать электронов. Отдав два внешних электрона, атом превращается в положительно заряженный ион Ca²⁺ (заряд ядра +20 сохраняется). Электронов остаётся 20 − 2 = 18, четвёртый уровень исчезает: Ca²⁺ 2, 8, 8. Электронная оболочка иона совпадает с оболочкой атома аргона.
§ 31. Используйте дополнительную информацию.
14. Предложите вариант графического отображения памятки о порядке заполнения электронных слоёв у атомов элементов № 1—20 в таблице Д. И. Менделеева.
Памятка оформлена в виде таблицы по периодам. Правила: 1) электроны заполняют слои по порядку, начиная с ближайшего к ядру; 2) число слоёв равно номеру периода; 3) первый слой вмещает не более 2 электронов, второй и третий (у элементов № 1—20) — не более 8; 4) в периоде число электронов на внешнем слое растёт на единицу при переходе к следующему элементу: от 1 до 2 в первом периоде и от 1 до 8 во втором и третьем; 5) у K и Ca начинает заполняться четвёртый слой (1 и 2 электрона) при восьми электронах на третьем. Начало и конец каждого периода: H 1 → He 2; Li 2, 1 → Ne 2, 8; Na 2, 8, 1 → Ar 2, 8, 8; K 2, 8, 8, 1; Ca 2, 8, 8, 2.