§ 2. Розподіл електронів в електронній оболонці атомів s-, p- та d-елементів

Пригадайте: розташування s-, р-, d- та f-елементів у Періодичній системі (див. форзац).

Місткість орбіталей

На кожній орбіталі максимально можуть розміститися два електрони, що мають однакову енергію, але які відрізняються особливою властивістю — спіном.

Спін електрона — це його внутрішня властивість, що характеризує відношення електрона до магнітного поля. Наочно цю властивість можна уявити як можливість обертання електрона навколо своєї осі (мал. 2.1).

Мал. 2.1. Електрони з паралельними спінами (а) та антипаралельними спінами (б)

Графічно електрони зображують у вигляді стрілок, спрямованих догори або донизу, що наочно показують напрямок спіну електрона:

Одна орбіталь може містити лише два такі електрони, спіни яких є антипаралельними. Це правило називають принципом заборони Паулі:

• На одній орбіталі можуть перебувати не більш ніж два електрони, причому їхні спіни мають бути антипаралельними.

Розподіл електронів по орбіталях. Принцип «мінімальної енергії»

Електрони займають орбіталі послідовно починаючи з першого енергетичного рівня за порядком збільшення енергії рівня та підрівня. Спочатку «заселяється» перший енергетичний рівень, потім — другий, третій тощо. Це правило називають принципом найменшої енергії:

• В атомі кожний електрон намагається зайняти орбіталь із мінімальним значенням енергії, що відповідає найміцнішому його зв’язку з ядром.

Порівнювати енергії підрівнів слід з урахуванням такого:

• енергія s-підрівня завжди менша за енергію р-підрівня того самого енергетичного рівня, тобто s-підрівень заповнюється електронами раніше за р-підрівень;

• енергія d-підрівня більша навіть за енергію s-підрівня наступного енергетичного рівня.

Порядок заповнення електронами енергетичних підрівнів можна ілюструвати так:

Якщо підрівень складається з кількох орбіталей та містить більше одного електрона, то за можливості електрони займають вільні орбіталі, а за відсутності вільної утворюють пару з іншим електроном у напівзаповненій орбіталі. Це правило називають правилом Хунда:

• На одному енергетичному підрівні електрони розподіляються по орбіталях таким чином, щоб число неспарених електронів було максимальним.

Електронні та графічні формули атомів s-, p-, d-елементів

Розподіл електронів по орбіталях в атомах s- та р-елементів перших трьох періодів ви вже вивчали у 8 класі. Пригадаємо основні принципи:

• число енергетичних рівнів, що заповнюються в атомі певного елемента, визначають за номером періоду Періодичної системи, у якому розташований цей хімічний елемент;

• число електронів на зовнішньому енергетичному рівні s- та р-елементів дорівнює номеру групи Періодичної системи, у якій розміщений елемент (за коротким варіантом), окрім Гелію;

• в атомах s-елементів останньою заповнюється електронами орбіталь s-підрівня, в атомів р-елементів — орбіталі р-підрівня тощо.

В атомів Гелію (1 період, VIIIA група, № 2) в електронній оболонці міститься два електрони, які перебувають на першому енергетичному рівні на єдиній s-орбіталі (s-елемент):

Атоми Літію (2 період, ІА група, № 3) містять три електрони: перший рівень вміщує два електрони, а на другому міститься тільки один електрон на 2s-орбіталі (s-елемент):

В атомів Бору (2 період, ІІІА група, № 5) в електронній оболонці 5 електронів, їх вистачає для заповнення 1s- та 2s-орбіталей, і ще один з’являється на 2р-орбіталі (р-елемент):

В атомів Натрію (3 період, ІА група, № 11) заповнюється три енергетичних рівні, останньою — 3s-орбіталь (s-елемент):

В атомах Аргону (3 період, VIIIA група, № 18) — останнього елемента третього періоду — повністю зайняті всі s- і р-орбіталі, останнім заповнювався р-підрівень (р-елемент):

В атомах Калію (4 період, ІА група, № 19) заповнюється чотири енергетичних рівні, останньою — 4s-орбіталь (s-елемент). Оскільки енергія 4s-підрівня менша за енергію 3d-підрівня, то остання лишається вільною:

Ферум (4 період, VIIIB група, № 26) розташований приблизно посередині d-елементів 4 періоду, його 3d-підрівень містить 6 електронів:

Для d-елементів електронну формулу атома складають по-різному:

Отже, принципи, що ми розглянули, допоможуть вам зрозуміти будову електронних оболонок майже будь-яких атомів. Ці принципи є універсальними і виконуються для всіх елементів.

Ключова ідея

Головний принцип, що регулює порядок заповнення орбіталей електронами, — принцип найменшої енергії. Згідно з ним, енергетичні підрівні в атомі заповнюються електронами в такому порядку:

Період

1

2

3

4

Контрольні запитання

13. Скільки електронів може максимально перебувати на: а) одній атомній орбіталі; б) s-підрівні; в) р-підрівні; г) d-підрівні?

14. Дайте визначення принципу найменшої енергії, правила Хунда, принципу Паулі. Схарактеризуйте їхнє значення для визначення розподілу електронів в електронній оболонці атома.

15. Що називають «неспареним електроном», «електронною парою»?

16. Чому перший енергетичний рівень заповнюється раніше за другий?

17. Наведіть порядок заповнення електронами підрівнів для перших чотирьох енергетичних рівнів.

18. Чому в атомах Берилію електрони другого енергетичного рівня перебувають на s-орбіталі, а не на р-орбіталі?

19. Скільки енергетичних рівнів зайнято електронами в атомах: а) Натрію; б) Кальцію; в) Брому?

Завдання для засвоєння матеріалу

20. Складіть графічні електронні формули атомів Нітрогену, Флуору, Магнію, Алюмінію, Силіцію та Феруму. Визначте число електронних пар та неспарених електронів на зовнішньому енергетичному рівні.

21. Назвіть два хімічні елементи, в атомах яких на зовнішньому енергетичному рівні відсутні: а) вільні орбіталі; б) місця для приєднання електронів.

22. Атоми якого хімічного елемента другого періоду містять таке саме число неспарених електронів, як атоми: а) Літію, б) Нітрогену; в) Берилію?

23. Складіть графічні електронні формули атомів: а) Нітрогену і Фосфору; б) Оксигену і Сульфуру; в) Флуору і Хлору. Що спільного в будові електронних оболонок цих атомів і чим вони відрізняються?

24. В атомах яких хімічних елементів заповнюється електронами: а) 2s-підрівень; б) 2р-підрівень; в) 3s-підрівень; г) 3р-підрівень; д) 4s-підрівень; е) 3d-підрівень?

25. Визначте елемент за електронною формулою зовнішнього енергетичного рівня його атомів: а) 1s 2 ; б) 2s 1 ; в) 2s 2 2p 3 ; г) 3s 2 3p 4 ; д) 4s 2 ; е) 3d 6 4s 2 .

26. Атоми якого елемента третього періоду містять найбільше: а) електронів; б) неспарених електронів; в) електронних пар?

27. Який енергетичний підрівень заповнюється останнім: а) у s-елементів четвертого періоду; б) р-елементів третього періоду; в) s-елементів третього періоду; г) p-елементів другого періоду; д) d-елементів четвертого періоду?

Скільки протонів, нейтронів і електронів в атомі?

Кроки для визначення числа протонів, нейтронів і електронів

Періодична таблиця впорядковує елементи за кількістю протонів у їхніх атомах. Ендрю Брукс/Corbis/Getty Images

• Хімія
  • Молекули
  • основи
  • Хімічні закони
  • Періодична таблиця
  • Проекти та експерименти
  • Науковий метод
  • Біохімія
  • Фізична хімія
  • Медична хімія
  • Хімія в повсякденному житті
  • Відомі хіміки
  • Діяльність для дітей
  • Скорочення та акроніми

  Три частини атома – це позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні нейтрони. Виконайте ці прості кроки, щоб знайти кількість протонів, нейтронів і електронів для атома будь-якого елемента.

  Ключові висновки: кількість протонів, нейтронів і електронів

  • Атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів.
  • Протони несуть позитивну електричну зміну, тоді як електрони заряджені негативно, а нейтрони нейтральні.
  • У нейтрального атома однакова кількість протонів і електронів (заряди гасять один одного).
  • Іон має неоднакову кількість протонів і електронів. Якщо заряд позитивний, то протонів більше, ніж електронів. Якщо заряд негативний, то електрони в надлишку.
  • Ви можете знайти кількість нейтронів, якщо знаєте ізотоп атома. Просто відніміть кількість протонів (атомний номер) із масового числа, щоб знайти решту нейтронів.

  Отримайте основну інформацію про елементи

  Вам потрібно буде зібрати базову інформацію про елементи, щоб знайти кількість протонів, нейтронів і електронів. На щастя, все, що вам потрібно, це періодична таблиця .

  Для будь-якого атома вам потрібно пам’ятати:

  Кількість протонів = атомний номер елемента

  Кількість електронів = кількість протонів

  Кількість нейтронів = масове число – атомний номер

  Знайдіть число протонів

  Кожен елемент визначається кількістю протонів, які містяться в кожному з його атомів. Незалежно від того, скільки електронів або нейтронів має атом, елемент визначається кількістю протонів. Насправді цілком можливо мати атом, який складається лише з протона (іонізованого водню). Періодична таблиця розташована в порядку зростання атомного номера , тому число протонів є номером елемента. Для водню число протонів дорівнює 1. Для цинку число протонів дорівнює 30. Елементом атома з 2 протонами завжди є гелій.

  Якщо вам задано атомну вагу атома, вам потрібно відняти кількість нейтронів, щоб отримати кількість протонів. Іноді ви можете визначити елементну ідентичність зразка, якщо все, що у вас є, це атомна вага. Наприклад, якщо у вас є зразок з атомною вагою 2, ви можете бути майже впевнені, що елемент є воднем. чому Легко отримати атом водню з одним протоном і одним нейтроном (дейтерій), але ви не знайдете атом гелію з атомною вагою 2, тому що це означало б, що атом гелію мав два протони і нуль нейтронів!

  Якщо атомна маса дорівнює 4,001, ви можете бути впевнені, що це атом гелію з 2 протонами та 2 нейтронами. Атомна вага ближче до 5 викликає більше проблем. Це літій з 3 протонами і 2 нейтронами? Це берилій з 4 протонами і 1 нейтроном? Якщо вам не сказали назву елемента чи його атомний номер, важко дізнатися правильну відповідь.

  Знайдіть число електронів

  Для нейтрального атома кількість електронів дорівнює кількості протонів.

  Часто кількість протонів і електронів не однакова, тому атом несе сумарний позитивний або негативний заряд. Ви можете визначити кількість електронів в іоні , якщо знаєте його заряд. Катіон несе позитивний заряд і має більше протонів, ніж електронів. Аніон несе негативний заряд і містить більше електронів, ніж протонів. Нейтрони не мають сумарного електричного заряду, тому кількість нейтронів не має значення при обчисленні. Кількість протонів в атомі не може змінитися внаслідок жодної хімічної реакції, тому ви додаєте або віднімаєте електрони, щоб отримати правильний заряд. Якщо іон має заряд 2+, як Zn 2+ , це означає, що протонів на два більше, ніж електронів.

  30 – 2 = 28 електронів

  Якщо іон має заряд 1 (просто пишеться з мінусовим індексом), то електронів більше, ніж протонів. Для F – кількість протонів (з періодичної таблиці) дорівнює 9, а кількість електронів дорівнює:

  9 + 1 = 10 електронів

  Знайдіть число нейтронів

  Щоб знайти кількість нейтронів в атомі, потрібно знайти масове число кожного елемента. У періодичній таблиці вказано атомну вагу кожного елемента, за якою можна знайти масове число. Для водню, наприклад, атомна вага дорівнює 1,008. Кожен атом має ціле число нейтронів, але періодична таблиця дає десяткове значення, оскільки це середньозважене число нейтронів в ізотопах кожного елемента. Отже, що вам потрібно зробити, це округлити атомну вагу до найближчого цілого числа, щоб отримати масове число для ваших розрахунків. Для водню 1,008 ближче до 1, ніж до 2, тому назвемо його 1.

  Кількість нейтронів = Масове число – Кількість протонів = 1 – 1 = 0

  Для цинку атомна вага становить 65,39, тому масове число найближче до 65.

  Кількість нейтронів = 65 – 30 = 35