§ 15. Енергетичні рівні й підрівні. Стан електронів в атомі

Енергетичні рівні. Електрони, які рухаються по орбіталях з приблизно однаковою енергією електростатичної взаємодії з ядром, утворюють енергетичні рівні. Останні позначають буквою n і нумерують у порядку віддалення від ядра: n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5, n = 6, n = 7 (рис. 11) або іменують відповідно великими буквами латинського алфавіту К, L, Μ, Ν, О, Р, Q. Значень від 1 до 7 число n набуває, коли атом перебуває в так званому основному (нормальному) стані.

Рис. 11. Схема розташування енергетичних рівнів в атомі відповідно до запасу їхньої енергії

Число n, яке може набувати тільки цілочислових значень, позначає номер енергетичного рівня. Його називають головним, квантовим числом.

Електрони першого рівня найміцніше, порівняно з іншими, притягуються до ядра. Через це в них менший запас тієї енергії, яка дала б їм можливість відірватися від ядра, наприклад, у результаті дії на атом високих температур, випромінювання тощо, завдяки чому атом переходить у збуджений стан. У такому разі число n набуває значень від 1 до нескінченності.

Електрони наступних енергетичних рівнів слабкіше зв’язані з ядром. Вони мають більший запас енергії, тому що менше витрачають її на електростатичну взаємодію з ядром. Таким чином, можна зробити висновок: якщо в даному атомі електрони розподіляються по кількох енергетичних рівнях, то найслабкіший зв’язок з ядром мають електрони зовнішнього енергетичного рівня.

Сила притягання електрона до ядра зменшується, а запас його енергії збільшується

Число енергетичних рівнів в атомі, що заповнюються електронами, збігається з номером періоду, у якому розташований елемент. Так, в елементів першого періоду електронами заповнюється тільки один енергетичний рівень, другого періоду — два, третього періоду — три й т. д.

Максимальне число електронів Ν, що можуть перебувати на будь-якому енергетичному рівні атома, обчислюють за формулою

де n — номер рівня (починаючи від ядра), або головне квантове число.

Енергетичні підрівні й орбіталі. Крім першого енергетичного рівня, усі наступні рівні поділяють на підрівні, які відрізняються один від одного енергією зв’язку електронів з ядром (рис. 12).

Рис. 12. Схема послідовного заповнення електронами енергетичних рівнів

Число підрівнів дорівнює значенню головного квантового числа: перший рівень має один підрівень, другий — два, третій — три, четвертий — чотири й так далі. Їхню форму визначає орбітальне квантове число l. Для кожного n це число може набувати тільки цілочислових значень від 0 до (n – 1).

Підрівням, у свою чергу, відповідають орбіталі. Їх прийнято позначати малими літерами латинського алфавіту. Якщо l = 0, то орбіталь, незалежно від значення головного квантового числа n, має сферичну форму, її називають s-орбіталлю. Значенню l = 1 відповідає орбіталь, що має форму гантелі, — р-орбіталь. Зі збільшенням значення l форма орбіталі ускладнюється. Залежно від значення орбітального квантового числа орбіталі позначають так:

Орбіталі, які характеризуються однаковим значенням n і різним значенням l, мають різну енергію. Тому поряд з поняттям «енергетичний рівень» існує поняття «енергетичний підрівень» як сукупність орбіталей із певними значеннями головного та побічного квантових чисел.

На кожній орбіталі, відповідно до принципу Паулі (принципу заборони), можуть розміщуватися не більш як два електрони, що мають однакову енергію, але обов’язково відрізняються особливою властивістю — протилежним напрямком обертання навколо власної осі. Ця властивість отримала назву спін (від англійського spin, що означає «веретено»). Спінове обертання електрона може бути за годинниковою стрілкою та проти неї.

У таблиці 7 показано, як число підрівнів, тип і число орбіталей та максимально можливе число електронів на енергетичному підрівні та рівні залежить від головного квантового числа.

Залежність будови електронних оболонок атома від головного квантового числа

Отже, для характеристики електронів в атомі необхідно знати номер енергетичного рівня n і типи орбіталей, а також форму різних орбіталей (електронних хмар).

На другому енергетичному рівні (n = 2), як видно з таблиці 7, число орбіталей уже дорівнює чотирьом. Одна з них має сферичну форму. Її називають 2s-орбіталлю. 2s-Електрон, що перебуває на цій орбіталі, має більшу енергію, ніж 1s-електрон, розміщений на s-орбіталі першого рівня, бо він розміщується на більшій відстані від ядра.

Інші три орбіталі — це 2р-орбіталі. Усі вони мають однакову геометричну форму, що нагадує форму гантелі або об’ємної вісімки (рис. 10). Але вони по-різному орієнтовані в атомному просторі — уздовж координатних осей x, у, z. Через це р-орбіталі позначають р_x, р_y і р_z. Якщо електрон розміщується на рx-орбіталі, то це означає, що з найбільшою ймовірністю р_x-електрон рухатиметься вздовж осі х. Відповідно, електрон на р_у-орбіталі рухається вздовж осі у, а електрон на р_z-орбіталі — уздовж осі z. Зі зростанням числа n електрони займають р-орбіталі, які розташовані на більшій відстані від ядра, але напрямленість їхнього руху вздовж осей х, у, z завжди зберігається.

Форми d-орбіталей (їх п’ять) і f-орбіталей (їх сім) значно складніші (рис. 13). Електронні орбіталі таких складних форм в атомах з великим зарядом ядра менш енергетично вигідні для перебування електронів, тому заповнюються ними лише тоді, коли s-, а потім р-орбіталі енергетичного рівня вже зайняті.

Рис. 13. Форма d-орбіталей та їхня можлива орієнтація в просторі

Графічно орбіталь прийнято зображати у вигляді квадрата, який ще називають квантовою коміркою, а електрони — у вигляді стрілок, спрямованих угору чи вниз.

Стрілки, спрямовані в протилежних напрямках, позначають електрони з протилежними (антипаралельними) спінами:

Запитання та завдання

°1. Що розуміють під енергетичними рівнями? Як їх позначають?

°2. На що вказує головне квантове число? Яких значень воно набуває?

3. Електрони якого енергетичного рівня найслабкіше притягуються до ядра? Який у них запас енергії — найменший чи найбільший?

4. Скільки енергетичних рівнів заповнюється електронами в елементів: а) першого періоду; б) другого періоду; в) третього періоду? Наведіть приклади.

5. Яким є максимальне число електронів, що можуть перебувати на другому та третьому енергетичних рівнях? За якою формулою обчислюють максимальне число електронів?

6. Починаючи з якого енергетичного рівня, електрони розподіляються по підрівнях? Скільки підрівнів має: а) другий енергетичний рівень; б) третій енергетичний рівень; в) четвертий енергетичний рівень?

7. Як заведено позначати орбіталі кожного підрівня? Наведіть приклади.

8. Чи різняться за енергією електрони, що перебувають на одній і тій самій орбіталі? Скільки електронів можуть розміститися на одній орбіталі? Чим вони мають обов’язково відрізнятися один від одного?

9. Як графічно зображають: а) орбіталі; б) електрони з різними спінами?

10. На рис. 14 зображено орбіталі атома Оксигену. Знайдіть 1s-, 2s-, 2р-орбіталі. Зробіть рисунок у зошиті та підпишіть кожну орбіталь.

Рис. 14. Орбіталі атома Оксигену

УСІ УРОКИ ХІМІЇ
8 клас

Цілі уроку: розширити уявлення учнів про будову атомів; навчити складати електронні формули, схеми розподілу електронів по квантових комірках для елементів I—III періодів; формувати вміння учнів визначати електронну будову атома за його положенням у періодичній системі; формувати уявлення учнів про єдину природу матеріального світу.

Тип уроку: засвоєння вмінь і навичок.

Форми роботи: розповідь учителя, фронтальна бесіда, індивідуальна робота.

Обладнання: Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

І. Організація класу

II. Актуалізація опорних знань

✵ Як визначити кількість електронів у атомі?

✵ Чому атоми електронейтральні, адже вони складаються з позитивних протонів, негативних електронів і нейтральних нейтронів?

✵ Чому говорять, що електрон має двоїсту природу?

✵ Чи всі електрони в атомі однакові?

✵ Чим вони відрізняються?

✵ Що таке орбіталь?

✵ Які форми може мати електронна хмарина?

✵ Яка максимальна кількість електронів може перебувати:

✵ Як розподіляються електрони в атомі?

✵ Яка кількість енергетичних рівнів може бути в атомі?

✵ Як визначити їх кількість за положенням у періодичній системі?

✵ Як визначити кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні?

✵ Як розподіляються електрони по енергетичних рівнях?

III. Формування вмінь і навичок

На енергетичних рівнях розташовуються електрони з близьким значенням енергії.

На кожному енергетичному рівні може перебувати суворо визначене число електронів. Максимальна кількість електронів на кожному рівні обчислюється за формулою: N = 2n2.

Разом з учнями заповнюємо таблицю.

Максимальна кількість електронів

Можна подати розподіл електронів за енергією у вигляді схеми для перших чотирьох рівнів.

IV. Закріплення. Практика на прикладах

Завдання 1. Побудуйте схему будови атома Гідрогену Н, запишіть електронну формулу, розподіл електронів по квантових комірках.

Завдання 2. Побудуйте схему будови атома Гелію Не, запишіть електронну формулу, розподіл електронів по квантових комірках.

Завдання 3. Побудуйте схему будови атомів елементів II періоду, запишіть електронну формулу, розподіл електронів по квантових комірках.

Біля дошки учні по черзі будують електронні формули Літію, Берилію, Бору, Карбону, далі під керівництвом учителя самостійно будують електронні формули Нітрогену, Оксигену, Флуору, Неону. Учитель під час виконання завдання дає учням індивідуальні консультації.

IV. Підбиття підсумків уроку

Звертаємо увагу учнів на такі ключові моменти складання електронних схем:

1) Загальне число електронів у атомі дорівнює номеру елемента в періодичній системі хімічних елементів.

2) Число енергетичних рівнів у атомі дорівнює номеру періоду, в якому знаходиться елемент.

3) Число електронів на зовнішньому енергетичному рівні дорівнює номеру групи, в якій знаходиться хімічний елемент.

4) Заповнення електронами p-підрівня здійснюється відповідно до правила максимального сумарного спіну.

5) Відповідно до принципу Паулі, в атомі не може бути двох однакових електронів. Вони відрізняються розташуванням на енергетичних рівнях за запасами енергії, на підрівнях за формою орбіталі, усередині підрівнів орієнтацією орбіталі в просторі, в одній квантовій комірці можуть розташовуватися тільки два електрони з протилежними спінами.

V. Домашнє завдання

Опрацювати відповідний параграф підручника і відповісти на запитання.

Побудувати схеми будови атомів елементів III періоду, записати електронну формулу, розподіл електронів по квантових комірках.

Творче завдання. Скласти для подальшої роботи таблицю будови електронних оболонок атомів елементів I—III періодів.

Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.

Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.