Хімія. 8 клас. Ярошенко

§ 13. Послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів. Електронні формули атомів

Вивчення параграфа допоможе вам:

  • характеризувати розподіл електронів за енергетичними рівнями та підрівнями;
  • з'ясувати послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів;
  • навчитися записувати електронні формули атомів;
  • отримувати інформацію про будову електронної оболонки атома з його електронної формули.

Д. І. Менделєєв установив періодичну залежність властивостей елементів і їхніх сполук від величини атомної маси. Фізики підтвердили наявність цієї залежності й пов'язали її із зарядом ядер атомів. Після цього їм залишалося встановити, чому за постійного збільшення зарядів ядер атомів властивості елементів та утворених ними сполук періодично повторюються. Тобто необхідно було встановити причину періодичності.

Для того щоб зрозуміти взаємозв'язок будови електронної оболонки атома й періодичної повторюваності властивостей речовин, з'ясуємо послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів та підрівнів перших 20 хімічних елементів періодичної системи.

ЗАПОВНЕННЯ ЕЛЕКТРОНАМИ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РІВНІВ ТА ПІДРІВНІВ. За сучасною теорією будови атома, розподіл електронів електронних оболонок перших 20 хімічних елементів періодичної системи підлягає таким правилам.

  • 1. Спочатку електронами заповнюється перший енергетичний рівень, потім другий, і тільки після остаточного заповнення другого енергетичного рівня розпочинається заповнення третього рівня.
  • 2. У межах одного енергетичного рівня першим заповнюється s-підрівень, і тільки після його заповнення розпочинається заповнення другого підрівня — р-підрівня.
  • 3. Загальна кількість електронів в електронній оболонці атома дорівнює порядковому номеру (протонному числу) хімічного елемента.
  • 4. Максимальна кількість електронів на першому енергетичному рівні два, на другому — вісім, на третьому — вісімнадцять.
  • 5. Максимальна кількість електронів на підрівні s — 2, підрівні p — 6, підрівні d — 10.

Для елементів 4-7 періодів до цих правил додаються правила щодо заповнення електронами підрівнів d та f.

ЕЛЕКТРОННІ ФОРМУЛИ АТОМІВ. Заповнення електронами енергетичних рівнів та підрівнів електронної оболонки атома відображають записом, що має назву електронна формула атома (інша назва — електронна конфігурація атома).

Електронна формула атома — це запис розподілу електронів в атомі за допомогою арабських чисел 1, 2, 3...7, якими позначають енергетичні рівні, символів підрівнів (s, p, d, f) і верхніх індексів, що вказують кількість електронів на підрівні.

Наприклад, записом 1s2 (читається один-ес-два) позначено перший енергетичний рівень із наявним одним підрівнем s, заповненим двома електронами (схема 10).

Схема 10. Електронна формула атома

Інший приклад. Електронна формула атома Нітрогену 1s2 2s23 означає, що його електронна оболонка складається з двох енергетичних рівнів. На першому енергетичному рівні на s-підрівні містяться два s-електрони. На другому енергетичному рівні є два підрівні: s-підрівень із двома s-електронами та р-підрівень із трьома р-електронами. Тобто s-підрівень заповнений повністю, р-підрівень — наполовину.

ПОСЛІДОВНІСТЬ ЗАПОВНЕННЯ ЕЛЕКТРОНАМИ РІВНІВ, ПІДРІВНІВ В АТОМАХ ЕЛЕМЕНТІВ ПЕРШИХ ТРЬОХ ПЕРІОДІВ. Перший період складається лише з двох елементів — Гідрогену та Гелію. У Гідрогену заповнення першого енергетичного рівня розпочинається, а в Гелію — завершується. Зазначимо електронні формули цих атомів.

1Н — 1s1

2Не — 1s2

Зверніть увагу на те, як одним записом зазначають і хімічний елемент, і електронну формулу його атома.

Третім у періодичній системі розміщено хімічний елемент Літій. Номер періоду вказує на наявність двох енергетичних рівнів як у Літію, так і в решти елементів цього періоду (до Неону включно). Згідно з поданими правилами та розглянутими прикладами, напишемо електронні формули атомів хімічних елементів другого періоду.

3Li — 1s22s1

4Ве — 1s22s2

5B — 1s22s22p1

Як бачимо, у Бору з'явився перший р-електрон і розпочалося заповнення р-підрівня. У кожного з наступних п'яти елементів — Карбону, Нітрогену, Оксигену, Флуору та Неону — електронна оболонка збагачується на 1 електрон, і всі вони заповнюватимуть р-підрівень другого енергетичного рівня.

6С — 1s22s22p2

7N — 1s22s22p3

8O — 1s22s22p4

9F — 1s22s22p5

10Ne — 1s22s22p6

Неоном закінчується другий період, і на ньому завершується заповнення електронами другого енергетичного рівня. Для одинадцятого електрона наступного елемента Натрію, яким починається третій період, вільних орбіталей на другому енергетичному рівні не залишилося.

Вам відомо, що на третьому енергетичному рівні, крім s- та р-підрівнів, наявний підрівень d (максимально можлива кількість електронів — 10). Але доки не заповняться електронами s- та р-підрівні, d-підрівень третього енергетичного рівня залишатиметься порожнім. Інколи порожній d-підрівень зазначають в електронній формулі атома як d0.

Згідно з правилами одинадцятий електрон атома Натрію розпочинає заповнення третього енергетичного рівня з підрівня s.

11Na — 1s22s22p63s1

У атома Магнію завершується заповнення 3s-підрівня третього енергетичного рівня.

12Mg — 1s22s22p63s2

Після того як s-підрівень третього енергетичного рівня заповнився, в атома Алюмінію розпочинається заповнення р-підрівня. Завершується воно в атома Аргону.

13Al — 1s22s22p63s23p1

14Si — 1s22s22p63s23p2

15P — 1s22s22p63s23p3

16S — 1s22s22p63s23p4

17Cl — 1s22s22p63s23p5

18Ar — 1s22s22p63s23p6

Як бачимо, атоми жодного хімічного елемента третього періоду не містять електронів на підрівні d.

Наступний після Аргону елемент Калій розміщено в четвертому періоді. В електронній оболонці його атома з'являється дев'ятнадцятий електрон, яким розпочинається заповнення четвертого енергетичного рівня.

19К — 1s22s22p63s23p63d04s1

ПРИЧИНА ПЕРІОДИЧНОСТІ. Випишемо в стовпчик електронні формули атомів лужних елементів:

3Li — 1s22s1

11Na — 1s22s22p63s1

19K — 1s22s22p63s23p63d04s1

Вивчаючи природну родину лужних елементів (параграф 5), ви дізналися про подібність властивостей простих речовин і сполук цих елементів. Як видно із записів електронних формул атомів Літію, Натрію, Калію, ці елементи мають однакову будову зовнішнього енергетичного рівня — він містить лише один s-електрон.

Причиною періодичної повторюваності властивостей хімічних елементів й утворених ними сполук є поява елементів з однаковою будовою зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атома (для елементів головних підгруп) та передостаннього енергетичного рівня (для елементів побічних підгруп).

Як вам відомо, великі періоди складаються з двох рядів і містять більше елементів — з'являються елементи побічних підгруп, лантаноїди та актиноїди. Як відбувається заповнення електронних оболонок їхніх атомів, ви вивчатимете у старшій школі.

Стисло про основне

• Електронна формула атома — це позначення розміщення електронів в електронній оболонці атома за допомогою цифр (від 1 до 7) та літер англійського алфавіту s, p, d, f.

• Для того щоб безпомилково написати електронну формулу атома, необхідно: а) дізнатися, скільки всього електронів має атом; б) з'ясувати, в якому періоді періодичної системи розміщено елемент; в) у записі дотримуватися послідовності заповнення електронами енергетичних рівнів та підрівнів.

• Періодична повторюваність властивостей елементів є наслідком періодичної повторюваності будови їхніх електронних оболонок.

Сторінка ерудита

Попрацюйте з періодичною системою та пересвідчіться, що в четвертому періоді після Калію і Кальцію — елементів головних підгруп — розміщено 10 елементів побічних підгруп із порядковими номерами 21-30. Особливість заповнення електронами електронних оболонок цих атомів полягає в тому, що зовнішній (четвертий) енергетичний рівень має заповнений лише s-підрівень (4s2), а кожний з 10 електронів, що послідовно з'являються в елементів побічних підгруп, заповнює підрівень d передостаннього (третього) енергетичного рівня.

21Sc — 1s22s22p63s23p63d14s2

30Zn — 1s22s22p63s23p63d104s2

У атомах деяких елементів побічних підгруп один із двох s-електронів зовнішнього енергетичного рівня може переміститися на d-підрівень, як, наприклад, у Купруму.

29Cu — 1s22s22p63s23p63d104s2

Та в будь-якому разі число електронів дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі.

Знаємо, розуміємо

1. Який порядок заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів?

2. Що є спільного в будові електронних оболонок атомів:

  • а) Берилію й Магнію;
  • б) Алюмінію й Сульфуру;
  • в) Неону й Аргону?

Підтвердіть відповідь записами електронних формул атомів.

3. Чому за постійного збільшення зарядів ядер атомів властивості елементів та утворених ними сполук періодично повторюються?

4. Назвіть хімічні елементи, атомам яких належать такі електронні формули:

  • а) 1s22s22p63s23p64s1;
  • б) 1s22s22p63s23p6;
  • в) 1s22s22p63s1.

Застосовуємо

39. Знайдіть і виправте помилки в записах електронних формул атомів:

  • а) 1s22s12p73s23p5;
  • б) 1s12s22p63s23p2;
  • в) 1s22s22p7.

40. Зазначте, атомам якого хімічного елемента належить запис зовнішнього енергетичного рівня 3s1.

  • А Гідрогену
  • Б Літію
  • В Магнію
  • Г Натрію

41. Уявіть, що з електронної оболонки атома Кальцію якимось чином видалили всі електрони. І перед вами постало завдання повернути їх на свої місця. Які рівні та підрівні займуть перший, шостий, шістнадцятий електрони?