Урок по теме строение электронных оболочке атомов
Краткий ответ
Электроны в атоме расположены по энергетическим уровням и подуровням. Чем ближе уровень к ядру, тем меньше у него энергия. Электроны заполняют сначала более выгодные, то есть низкие по энергии, уровни. Число электронов в нейтральном атоме равно заряду ядра \(Z\), то есть порядковому номеру элемента.
Максимальное число электронов на уровне с номером \(n\):
\[ N_{\max}=2n^2. \]
Например, для \(n=1\) максимум 2 электрона, для \(n=2\) — 8, для \(n=3\) — 18.
Ключевые шаги
Уровни. Электронные слои обозначают номерами \(n=1,2,3,\ldots\). Номер уровня показывает, насколько он далёк от ядра.
Подуровни. На уровнях есть подуровни \(s,p,d,f\). Их ёмкость:
\[ s-2,\quad p-6,\quad d-10,\quad f-14. \]
Орбитали. Орбиталь — область, где наиболее вероятно найти электрон. На одной орбитали может быть не больше двух электронов, причём с противоположными спинами. Это правило Паули.
Порядок заполнения. В основном состоянии электроны идут по возрастанию энергии:
\[ 1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p \rightarrow 3s \rightarrow 3p \rightarrow 4s \rightarrow 3d \rightarrow 4p \rightarrow \ldots \]
Поэтому сначала заполняется \(4s\), а потом \(3d\).
- Правило Хунда. Внутри одного подуровня, например \(p\), электроны сначала занимают разные орбитали по одному, и только потом начинают объединяться в пары.
Пример: атом натрия
У натрия \(Z=11\), значит, у него 11 электронов:
\[ _{11}\mathrm{Na}:\quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1. \]
По уровням:
\[ 2,\ 8,\ 1. \]
Проверка: \(2+8+1=11\). На внешнем уровне один электрон, поэтому натрий легко отдаёт его и превращается в \(\mathrm{Na}^+\).
Пример: атом хлора
У хлора \(Z=17\):
\[ _{17}\mathrm{Cl}:\quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5. \]
По уровням:
\[ 2,\ 8,\ 7. \]
Проверка: \(2+8+7=17\). До завершения внешнего слоя хлору не хватает одного электрона, поэтому он часто принимает его и образует \(\mathrm{Cl}^-\).
Как выполнить похожее задание
- Найди элемент в таблице Менделеева и его порядковый номер — это число электронов.
- Заполняй подуровни по порядку энергии.
- Суммируй электроны по уровням \(n\).
- Проверь, что общая сумма равна порядковому номеру элемента.
- По числу внешних электронов определи, отдаёт атом электроны или принимает.
Обсуждение
6 сообщенийКак по числу внешних электронов определить отдаёт атом электрон или принимает
Короткий ответ
Смотрят, сколько электронов на внешнем уровне и сколько не хватает до восьми:
- 1–3 внешних электрона — атому обычно проще отдать их, чем принять недостающие. Образуется положительный ион (катион).
- 5–7 внешних электронов — проще принять недостающие до восьми. Образуется отрицательный ион (анион).
- 4 электрона — отдавать и принимать одинаково невыгодно, атом чаще обобществляет электроны, образуя ковалентные связи.
- 8 электронов — внешний слой завершён, атом устойчив (благородные газы).
Почему так
Атом стремится к устойчивому внешнему слою — как у благородного газа: 8 электронов (для первого уровня — 2). Выгоднее тот путь, где нужно меньше «перестроек».
- У натрия \(3s^1\): отдать 1 электрон легче, чем принять 7.
- У хлора \(3s^2 3p^5\): принять 1 электрон легче, чем отдать 7.
Алгоритм
- Определи число внешних электронов. Для элементов главных подгрупп оно равно номеру группы.
- Посчитай, сколько не хватает до восьми: \(8 - N_{\text{внеш}}\).
- Сравни: что меньше — отдать \(N_{\text{внеш}}\) или принять \(8 - N_{\text{внеш}}\)?
- Заряд иона: отдал \(k\) электронов → \(+k\); принял \(k\) → \(-k\).
Примеры
- \(\mathrm{Na}\): 1 внешний → отдаёт 1 → \(\mathrm{Na}^+\), конфигурация \(1s^2 2s^2 2p^6\) (как у неона).
- \(\mathrm{Mg}\): 2 внешних → отдаёт 2 → \(\mathrm{Mg}^{2+}\).
- \(\mathrm{Al}\): 3 внешних → отдаёт 3 → \(\mathrm{Al}^{3+}\).
- \(\mathrm{O}\): 6 внешних, не хватает 2 → принимает 2 → \(\mathrm{O}^{2-}\).
- \(\mathrm{Cl}\): 7 внешних, не хватает 1 → принимает 1 → \(\mathrm{Cl}^-\).
- \(\mathrm{C}\): 4 внешних → не отдаёт и не принимает, образует 4 ковалентные связи (например, \(\mathrm{CH}_4\)).
- \(\mathrm{Ne}\): 8 внешних → устойчив, не отдаёт и не принимает.
Проверка
Сумма электронов в ионе должна сходиться: у \(\mathrm{Na}^+\) \(11-1=10\) электронов, у \(\mathrm{Cl}^-\) \(17+1=18\). Их конфигурации совпадают с благородными газами — это признак устойчивости.
Важные оговорки
- Правило хорошо работает для элементов главных подгрупп. У переходных металлов (Fe, Cu и др.) внешние и предвнешние электроны ведут себя сложнее.
- Водород особый: 1 электрон, может и отдавать (\(\mathrm{H}^+\)), и обобществлять.
- Гелий устойчив с 2 электронами, а не с 8.
- «Отдаёт/принимает» — модель ионной связи; во многих веществах атомы именно обобществляют электроны.
Это продолжение текущей темы — строение электронных оболочек. На фото записаны конфигурации и схемы слоёв для иода, америция и серебра, то есть то же учебное задание.
Числа в кружках \(+53\), \(+95\), \(+47\) — это заряды ядер, а не заряды ионов. Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру.
Проверка записей
Иод, \(Z=53\)
\[ [\mathrm{Kr}]\,4d^{10}5s^2 5p^5 \]
по слоям:
\[ 2,\ 8,\ 18,\ 18,\ 7 \]
Проверка: \(2+8+18+18+7=53\).
Америций, \(Z=95\)
\[ [\mathrm{Rn}]\,5f^7 7s^2 \]
по слоям:
\[ 2,\ 8,\ 18,\ 32,\ 25,\ 8,\ 2 \]
Проверка: \(2+8+18+32+25+8+2=95\).
Серебро, \(Z=47\)
\[ [\mathrm{Kr}]\,4d^{10}5s^1 \]
по слоям:
\[ 2,\ 8,\ 18,\ 18,\ 1 \]
Проверка: \(2+8+18+18+1=47\).
У серебра важное исключение: правильно именно \(5s^1\), а не \(5s^2\). Если записано \(5s^2\), то сумма электронов получится 48, а у серебра \(Z=47\).
По внешним электронам
- Иод: 7 внешних электронов, до восьми не хватает одного → в ионных превращениях принимает 1 электрон, образуя \(\mathrm{I^-}\).
- Серебро: 1 внешний электрон на \(5s\) → обычно отдаёт его, образуя \(\mathrm{Ag^+}\).
- Америций: на \(7s\) два электрона, но это \(f\)-элемент. Простое правило «1–3 электрона отдаёт, 5–7 принимает» для актиноидов напрямую не работает; типичная степень окисления америция +3.
Схемы слоёв на фото с числами \(2,8,18,\ldots\) в целом сходятся с этими расчётами.
Это продолжение текущей темы. На фото — те же элементы, что мы разбирали: иод, америций и серебро, и схемы заполнения электронных слоёв. Новое задание не начинается.
Что я проверил по фото:
- Иод, \(Z=53\): слои \(2, 8, 18, 18, 7\). Сумма \(53\) — верно.
- Серебро, \(Z=47\): слои \(2, 8, 18, 18, 1\). Сумма \(47\) — верно. Напоминаю: у серебра должно быть \(5s^1\), а не \(5s^2\).
- Америций, \(Z=95\): здесь ошибка. В четвёртом слое на фото читается \(25\), а должно быть \(32\). Правильно:
\[ 2,\ 8,\ 18,\ 32,\ 25,\ 8,\ 2. \]
Проверка: \(2+8+18+32+25+8+2=95\).
Если оставить \(25\) в четвёртом слое, сумма получится \(88\), и она не сойдётся с зарядом ядра \(+95\).
Почему \(32\): четвёртый слой америция — это \(4s^2 4p^6 4d^{10} 4f^{14}\), то есть \(2+6+10+14=32\). Пятый слой — \(5s^2 5p^6 5d^{10} 5f^7\), то есть \(2+6+10+7=25\).
Как проверить себя: сложи числа на слоях — должно получиться ровно \(Z\): \(53\), \(95\), \(47\). У америция должно быть 7 дуг, у иода и серебра — по 5. Полные электронные формулы на фото обрезаны, поэтому их целиком по снимку не проверить; но схемы слоёв должны сходиться с этими суммами.
