Яким чином заповнюються енергетичні рівні

0 Comments

3. Енергетичні рівні

Величина енергії залежить від того, на якій відстані від ядра рухається електрон. Найменшу енергію має електрон, який розташовується найближче до ядра атома. По мірі віддалення від ядра енергія електрона збільшується.

Віддаль від ядра, на якій є найбільш імовірне перебування електрона, називають енергетичним рівнем .

Кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома визначають за номером періоду, в якому міститься елемент.

Наприклад, Карбон — елемент \(2\) періоду, тому електрони в атомі цього елемента розташовуються на двох енергетичних рівнях. Кальцій — елемент \(4\) періоду, отже електрони в атомі цього елемента розташовані на чотирьох енергетичних рівнях.

Енергетичні рівні складаються з підрівнів, причому номер рівня вказує на кількість підрівнів. Наприклад, у першого рівня є один підрівень, у другого — два підрівня, у третього — три і т.д.

Встановлено, що максимальне число електронів на енергетичному рівні дорівнює \(2n²\), де \(n\) — його номер.

Отже, на першому рівні може перебувати не більше \(2\) електронів, на другому — не більше \(8\), на третьому — не більше \(18\), тощо.

На першому енергетичному рівні містяться лише \(s\) –електрони . На другому енергетичному рівні — \(s-\) і \(p-\) електрони . На третьому енергетичному рівні — \(s-\), \(p-\) і \(d-\) електрони . На четвертому і наступних енергетичних рівнях — \(s-\), \(p-\), \(d-\) і \(f-\) електрони .

§ 9. Послідовність заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів в атомах хімічних елементів № 1-20. Електронні формули атомів

Дмитро Іванович Менделєєв установив періодичну залежність властивостей елементів і їхніх сполук від атомної маси. Фізики підтвердили цю залежність і пов’язали її із зарядом ядер атомів. Але зверніть увагу, що заряди ядер атомів постійно збільшуються, а властивості елементів та утворених ними сполук періодично повторюються.

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, заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів в атомах перших 20 хімічних елементів періодичної системи підлягає таким правилам.

1. Загальна кількість електронів в електронній оболонці атома дорівнює порядковому номеру (протонному числу) хімічного елемента.

2. Заповнення енергетичних рівнів відбувається за принципом зростання енергії електронів. Тому в межах одного енергетичного рівня першим заповнюється електронами s-підрівень, потім — р-підрівень.

3. Спочатку електронами заповнюється перший енергетичний рівень, потім другий, і тільки після остаточного заповнення другого енергетичного рівня розпочинається заповнення третього рівня.

4. Максимальна кількість електронів на першому енергетичному рівні два, на другому — вісім, на третьому — вісімнадцять.

5. Максимальна кількість електронів на підрівні s — 2, підрівні р — 6.

Для елементів 4-го періоду правило 2 справджується для Калію і Кальцію. У решти елементів 4-7 періодів окрім s- і р-підрівнів електрони заповнюють d- і f-підрівні.

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 , у якому за допомогою арабських чисел 1-7 позначені енергетичні рівні, англійськими літерами s, р, d, f — енергетичні підрівні, а верхніми індексами — кількість електронів на підрівні.

Наприклад, записом 1s 2 (читається один-ес-два) позначено електронну формулу атома Гелію — перший енергетичний рівень з наявним одним підрівнем s, заповненим двома електронами (мал. 24).

Мал. 24. Електронна формула атома Гелію

Інший приклад. Електронна формула атома Нітрогену 1s 2 2s 2 2p 3 означає, що його електронна оболонка складається з двох енергетичних рівнів і містить 7 електронів. 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 ЕНЕРГЕТИЧНИХ РІВНІВ, ПІДРІВНІВ В АТОМАХ ЕЛЕМЕНТІВ № 1-20. 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.

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.

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

5B — 1s 2 2s 2 2p 1

6C — 1s 2 2s 2 2p 2

7N — 1s 2 2s 2 2p 3

8O — 1s 2 2s 2 2p 4

9F — 1s 2 2s 2 2p 5

10Ne — 1s 2 2s 2 2p 6

Як бачимо, у атома 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 заповнили р-підрівень другого енергетичного рівня.

Неоном закінчується другий період, і в нього 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 третього енергетичного рівня, його d-підрівень залишатиметься порожнім. Інколи порожній d-підрівень третього енергетичного рівня зазначають в електронній формулі атома як 3d 0 .

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

11Na — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

В атома Магнію завершується заповнення s-підрівня третього енергетичного рівня.

12Mg — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

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

13Аl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

14Si — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

15P — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

16S — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

18Ar — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

Як бачимо, в елементів третього періоду d-підрівень не заповнювався електронами.

Дев’ятнадцятим електроном електронної оболонки атома Калію розпочинається заповнення четвертого енергетичного рівня його атома, а не продовжується заповнення третього, хоча в ньому лишається порожнім d-підрівень:

19К — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 1

В атома Кальцію d-підрівень третього енергетичного рівня також залишається порожнім, а двадцятий електрон заповнює s-підрівень четвертого енергетичного рівня:

20Са — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 2

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

3Li — 1s 2 2s 1

11Na — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

19K — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 1

Вивчаючи природну родину лужних елементів (параграф 4), 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 № 1-20 й утворених ними сполук є існування елементів з однаковою будовою зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атома.

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, р, d, f з верхніми індексами, що вказують на кількість електронів на кожному енергетичному підрівні.

• Для того щоб безпомилково скласти 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 № 1-20 є наслідком періодичної повторюваності будови зовнішнього енергетичного рівня їхніх електронних оболонок.

Сторінка ерудита

Зверніться до періодичної системи та пересвідчіться, що в четвертому періоді після Калію і Кальцію — елементів головних підгруп (груп А) — розміщено 10 елементів побічних підгруп (груп Б) із протонними числами 21-30. Особливість заповнення електронами електронних оболонок їхніх атомів полягає в тому, що зовнішній (четвертий) енергетичний рівень має завершений лише s-підрівень (4s 2 ), а кожний з 10 електронів, що послідовно з’являються в елементів побічних підгруп (груп Б), заповнює підрівень d передостаннього (третього) енергетичного рівня.

21Sc — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2

30Zn — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2

В атомах деяких елементів побічних підгруп (груп Б), один із двох s-електронів зовнішнього енергетичного рівня може переміститися на d-підрівень третього енергетичного рівня, як, наприклад, у Купруму.

29Cu — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1

Та в будь-якому разі кількість 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?

Підтвердьте відповідь записами електронних формул атомів.

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

4. За електронними формулами атомів хімічних елементів установіть їхні назви.

  • а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1
  • б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
  • в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

Застосовуємо

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

  • a) 1s 2 2s 1 2р 7 3s 2 3p 5 ;
  • б) 1s 1 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
  • в) 1s 2 2s 2 2p 7 .

26. Укажіть назву хімічного елемента, електронна формула атома якого має закінчення . 3s 1 .

А Гідрогену

Б Літію

В Магнію

Г Натрію

27. 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?

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

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 1s 2 (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 1s 2 2s 2 2р 3 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.

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.

5B — 1s 2 2s 2 2p 1

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 — 1s 2 2s 2 2p 2

7N — 1s 2 2s 2 2p 3

8O — 1s 2 2s 2 2p 4

9F — 1s 2 2s 2 2p 5

10Ne — 1s 2 2s 2 2p 6

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 d 0 .

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

11Na — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

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

12Mg — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

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

13Al — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

14Si — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

15P — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

16S — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

18Ar — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

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 — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 1

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

3Li — 1s 2 2s 1

11Na — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

19K — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 1

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 (4s 2 ), а кожний з 10 електронів, що послідовно з’являються в елементів побічних підгруп, заповнює підрівень d передостаннього (третього) енергетичного рівня.

21Sc — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2

30Zn — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2

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

29Cu — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2

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) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 ;
  • б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
  • в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .

Застосовуємо

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

  • а) 1s 2 2s 1 2p 7 3s 2 3p 5 ;
  • б) 1s 1 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
  • в) 1s 2 2s 2 2p 7 .

40. Зазначте, атомам якого хімічного елемента належить запис зовнішнього енергетичного рівня 3s 1 .

  • 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?