Составьте структуру электронной оболочки атомов элементов. Строение электронной оболочки атома

Лекция: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы


Строение атома

XX столетие является временем изобретения "модели строения атома". Исходя из предоставленного строения, удалось выработать следующую гипотезу: вокруг достаточно маленького по объему и размеру ядра, электроны совершают перемещения, схожие с перемещением планет вокруг Солнца. Последующее изучение атома показало, что сам атом и его строение гораздо сложнее, чем было установлено раньше. И в настоящее время, при огромных возможностях в научной сфере, атом исследован не до конца. Такие составляющие, как атом и молекулы, считаются предметами микромира. Поэтому данные части человек не способен рассмотреть самостоятельно. В этом мире установлены совершенно иные законы и правила, отличающиеся от макромира. Исходя из этого, исследование атома ведется на его модели.

Любому атому присвоен порядковый номер, закрепленный в Периодической таблице Менделеева Д.И. К примеру, порядковый номер атома фосфора (Р) - 15.


Итак, атом состоит из протонов (p + ) , нейтронов (n 0 ) и электронов (e - ). Протоны и нейтроны образуют ядро атома, оно имеет положительный заряд. А электроны, совершающие перемещения вокруг ядра, «конструируют» электронную оболочку атома, имеющую отрицательный заряд.

Сколько электронов в атоме? Это легко узнать. Достаточно посмотреть порядковый номер элемента в таблице.

Так, число электронов фосфора равно 15 . Количество электронов, содержащихся в оболочке атома, строго равно числу протонов, содержащихся в ядре. Значит и протонов в ядре атома фосфора 15 .

Масса протонов и нейтронов, составляющих массу ядра атома, одинакова. А электроны меньше в 2000 раз. Это означает что вся масса атома сосредоточена в ядре, массой электронов пренебрегают. Массу ядра атома мы также можем узнать из таблицы. Посмотрите изображение фосфора в таблице. Внизу мы видим обозначение 30, 974 – это и есть масса ядра фосфора, его атомная масса. При записи мы округляем эту цифру. Исходя из сказанного, запишем строение атома фосфора следующим образом:

(внизу слева написали заряд ядра – 15, вверху слева округленное значение массы атома – 31).

Ядро атома фосфора:


(внизу слева пишем заряд: протоны имеют заряд равный +1, а нейтроны не заряжены, то есть заряд 0; вверху слева масса протона и нейтрона, равная 1 – условная единица массы атома; заряд ядра атома равен числу протонов в ядре, значит р=15, а число нейтронов нужно посчитать: из атомной массы вычесть заряд, т.е. 31 – 15 = 16).

Электронная оболочка атома фосфора включает в себя 15 отрицательно заряженных электронов, уравновешивающих положительно заряженные протоны. Поэтому, атом – электронейтральная частица.


Энергетические уровни


Рис.1

Далее нам необходимо подробно разобрать как распределяются электроны в атоме. Их движение не хаотично, а подчинено конкретному порядку. Какие - то из имеющихся электронов, притягиваются к ядру с достаточно большой силой, а другие наоборот, притягиваются слабо. Первопричина такого поведения электронов скрывается в разной степени удаленности электронов от ядра. То есть, ближе находящийся к ядру электрон, станет прочнее с ним взаимосвязан. Эти электроны просто нельзя отсоединить от электронной оболочки. Чем электрон дальше от ядра, тем проще «вытащить» его из оболочки. Так же, запас энергии электрона возрастает, по мере удаления от ядра атома. Энергия электрона определяется главным квантовым числом n, равняющимся любому натуральному числу (1,2,3,4…). Электроны, имеющие одинаковое значение n, образуют один электронный слой, как бы отгораживаясь от иных электронов, передвигающихся на удаленном расстоянии. На рисунке 1 изображены электронные слои, содержащиеся в электронной оболочке, в центре ядро атома.


Вы можете заметить, как по мере удаления от ядра увеличивается объем слоя. Следовательно, чем дальше слой от ядра, тем больше в нем электронов.

Электронный слой, содержит в себе электроны, сходные по показателям энергии. Из – за этого, такие слои нередко именуют энергетическими уровнями. Сколько же уровней может содержать атом? Количество энергетических уровней равно номеру периода в таблице Менделеева Д.И. в котором находится элемент. К примеру, фосфор (Р) находится в третьем периоде, значит атом фосфора имеет три энергетических уровня.

Рис. 2

Как узнать максимальное количество электронов, располагающихся на одном электронном слое? Для этого используем формулу N max = 2n 2 , где n – это номер уровня.

Получим, что первый уровень содержит всего 2 электрона, второй – 8, третий – 18, четвертый – 32.

Каждый энергетический уровень содержит в себе подуровни. Их буквенные обозначения: s-, p-, d- и f- . Посмотрите на рис. 2:

Разным цветом обозначены энергетические уровни, а полосками разной толщины подуровни.

Самый тонкий подуровень обозначается буквой s . 1s – это s-подуровень первого уровня, 2s – это s-подуровень второго уровня и так далее.

На втором энергетическом уровне появился p-подуровень, на третьем – d-подуровень, а на четвертом f-подуровень.

Запомните увиденную закономерность: первый энергетический уровень включает одну s-подуровень, второй два s- и p- подуровня, третий три s-, p- и d-подуровня, а четвертый уровень четыре s-, p-, d- и f-подуровня.

На s-подуровне могут находится только 2 электрона, на p-подуровне- максимум 6 электронов, на d-подуровне - 10 электронов, а на f-подуровне до 14 электронов.


Электронные орбитали

Область (место) где может находится электрон называется электронным облаком или орбиталью. Имейте ввиду, что говорится о вероятной области нахождении электрона, поскольку скорость его движения в сотни тысяч раз больше скорости движения иглы швейной машинки. Графически эта область изображается в виде ячейки:

В одной ячейке может находится два электрона. Судя по рисунку 2 можно сделать вывод о том, что s-подуровень, включающий не более двух электронов может содержать только одну s-орбиталь, обозначается одной ячейкой; p-подуровень имеет три р-орбитали (3 ячейки), d-подуровень пять d-орбиталей (5 ячеек), а f-подуровень семь f-орбиталей (7 ячеек).

Форма орбитали зависит от орбитального квантового числа (l - эль) атома. Атомный энергетический уровень, берет начало с s – орбитали, имеющей l = 0. Представленная орбиталь имеет сферическую форму. На уровнях, идущих после s - орбитали, образуются p – орбитали с l = 1. P - орбитали напоминают форму гантели. Орбиталей, имеющих данную форму, всего три. Каждая возможная орбиталь содержит в себе не больше 2 – ух электронов. Далее располагаются более сложного строения d -орбитали (l = 2), а за ними f -орбитали (l = 3).

Рис. 3 Форма орбиталей

Электроны в орбиталях изображаются в виде стрелочек. Если орбитали содержат по одному электрону, то они однонаправленны – стрелкой вверх:

Если же в орбитали два электрона, то они имеют два направления: стрелкой вверх и стрелкой вниз, т.е. электроны разнонаправленны:

Такое строение электронов называется валентным.

Существуют три условия наполнения атомных орбиталей электронами:

    1 условие: Принцип минимального количества энергии. Заполнение орбиталей начинается с подуровня, имеющего минимальную энергию. Согласно данному принципу подуровни заполняются в таком порядке: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5р 6 6s 2 5d 1 4f 14 ... Как мы видим, в некоторых случаях электрону энергетически выгоднее занять место в подуровне вышележащего уровня, хотя подуровень нижележащего уровня не заполнен. Например, валентная конфигурация атома фосфора выглядит так:

Рис. 4


    2 условие: Принцип Паули. Одна орбиталь включает 2 электрона (электронную пару) и не больше. Но возможно и содержание всего одного электрона. Его именуют неспаренным.

    3 условие: Правило Хунда. Каждую орбиталь одного подуровня сначала заполняют по одному электрону, затем в них добавляются по второму электрону. В жизни мы видели аналогичную ситуацию, когда незнакомые пассажиры автобуса сначала занимают по одному все свободные сидения, а потом рассаживаются по два.

Электронная конфигурация атома в основном и возбужденном состоянии


Энергия атома, находящегося в основном состоянии, наименьшая. Если атомы начинают получать энергию из вне, к примеру, когда вещество нагревается, то они из основного состояния переходят в возбужденное. Этот переход возможен при наличии свободных орбиталей, на которые могут переместиться электроны. Но это временно, отдавая энергию, возбужденный атом возвращается в своё основное состояние.

Закрепим полученные знания на примере. Рассмотрим электронную конфигурацию, т.е. сосредоточение электронов по орбиталям атома фосфора в основном (невозбужденном состоянии). Еще раз обратимся к рис. 4. Итак, вспомним, что атом фосфора имеет три энергетических уровня, которые изображаются полудугами: +15)))

Распределим, имеющиеся 15 электронов на эти три энергетических уровня:


Такие формулы называются электронными конфигурациями. Есть еще электронно – графические, они иллюстрируют размещение электронов внутри энергетических уровней. Электронно – графическая конфигурация фосфора выглядит так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 (здесь большие цифры – это номера энергетических уровней, буквы – это подуровни, а маленькие цифры – количество электронов подуровня, если их сложить, получится число 15).

В возбужденном состоянии атома фосфора 1 электрон переходит с 3s-орбитали на 3d-орбиталь, а конфигурация выглядит так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 3d 1 .

Атом – мельчайшая частица вещества, состоящая из ядра и электронов. Строение электронных оболочек атомов определяется положением элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Электрон и электронная оболочка атома

Атом, который в целом является нейтральным, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки (электронное облако), при этом, суммарные положительные и отрицательные заряды равны по абсолютной величине. При вычислении относительной атомной массы массу электронов не учитывают, так как она ничтожно мала и в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона.

Рис. 1. Атом.

Электрон – совершенно уникальная частица, которая имеет двойственную природу: он имеет одновременно свойства волны и частицы. Они непрерывно движутся вокруг ядра.

Пространство вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона наиболее вероятна, называют электронной орбиталью, или электронным облаком. Это пространство имеет определенную форму, которая обозначается буквами s-, p-, d-, и f-. S-электронная орбиталь имеет шаровидную форму, p-орбиталь имеет форму гантели или объемной восьмерки, формы d- и f-орбиталей значительно сложнее.

Рис. 2. Формы электронных орбиталей.

Вокруг ядра электроны расположены на электронных слоях. Каждый слой характеризуется расстоянием от ядра и энергией, поэтому электронные слои часто называют электронными энергетическими уровнями. Чем ближе уровень к ядру, тем меньше энергия электронов в нем. Один элемент отличается от другого числом протонов в ядре атома и соответственно числом электронов. Следовательно, число электронов в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов, содержащимся в ядре этого атома. Каждый следующий элемент имеет в ядре на один протон больше, а в электронной оболочке – на один электрон больше.

Вновь вступающий электрон занимает орбиталь с наименьшей энергией. Однако максимальное число электронов на уровне определяется формулой:

где N – максимальное число электронов, а n – номер энергетического уровня.

На первом уровне может быть только 2 электрона, на втором – 8 электронов, на третьем – 18 электронов, а на четвертом уровне – 32 электрона. На внешнем уровне атома не может находится больше 8 электронов: как только число электронов достигает 8, начинает заполняться следующий, более далекий от ядра уровень.

Строение электронных оболочек атомов

Каждый элемент стоит в определенном периоде. Период – это горизонтальная совокупность элементов, расположенных в порядке возрастания заряда ядер их атомов, которая начинается щелочным металлом, а заканчивается инертным газом. Первые три периода в таблице – малые, а следующие, начиная с четвертого периода – большие, состоят из двух рядов. Номер периода, в котором находится элемент имеет физический смысл. Он означает, сколько электронных энергетических уровней имеется в атоме любого элемента данного периода. Так, элемент хлор Cl находится в 3 периоде, то есть его электронная оболочка имеет три электронных слоя. Хлор стоит в VII группе таблицы, причем в главной подгруппе. Главной подгруппой называется столбец внутри каждой группы, который начинается с 1 или 2 периода.

Таким образом, состояние электронных оболочек атома хлора таково: порядковый номер элемента хлора – 17, что означает, что атом имеет в ядре 17 протонов, а в электронной оболочке – 17 электронов. На 1 уровне может быть только 2 электрона, на 3 уровне – 7 электронов, так как хлор находится в главной подруппе VII группы. Тогда на 2 уровне находится:17-2-7=8 электронов.

Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки

Электронная оболочка – совокупность движущихся вокруг ядра электронов

Ядра атомов заряжены положительно, они состоят из протонов (положительно заряженных частиц) p+ и нейтронов (не имеющих заряда) no

Атом в целом электронейтрален, число электронов е– равно числу протонов p+, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

На рисунке изображена планетарная модель атома, согласно которой электроны движутся по стационарным круговым орбитам. Она очень наглядна, но не отражает сути, т.к в действительности законы микромира подчиняются на классической механике, а квантовой, которая учитывает волновые свойства электрона.

Согласно квантовой механике электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.

Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью (не путать с орбитой!) или электронным облаком.

Т.е у электрона отсутствует понятие «траектория», электроны не движутся ни по круговым орбитам, ни по каким-либо другим. Самая большая сложность квантовой механики заключается в том, что это невозможно представить, мы все привыкли к явлениям макромира, подчиняющегося классической механике, где любая движущаяся частица имеет свою траекторию.

Итак, электрон имеет сложное движение, может находится в любом месте пространства около ядра, но с разной вероятностью. Давайте теперь рассмотрим те части пространства, где вероятность нахождения электрона достаточно высока — орбитали — их формы и последовательность заполнения орбиталей электронами.

Представим себе трехмерную систему координат, в центре которой находится ядро атома.

Вначале идет заполнение 1s орбитали, она располагается ближе всего к ядру и имеет форму сферы.

Обозначение любой орбитали складывается из цифры и латинской буквы. Цифра показывает уровень энергии, а буква — форму орбитали.

1s орбиталь имеет наименьшую энергию и электроны находящиеся на этой орбитали имеют наименьшую энергию.

На этой орбитали могут находиться не более двух электронов . Электроны атомов водорода и гелия (первых двух элементов) находятся именно на этой орбитали.

Электронная конфигурация водорода: 1s 1

Электронная конфигурация гелия: 1s 2

Верхний индекс показывает количество электронов на этой орбитали.

Следующий элемент — литий, у него 3 электрона, два из которых располагаются на 1s орбитали, а где же располагается третий электрон?

Он занимает следующую по энергии орбиталь — 2s орбиталь. Она также имеет форму сферы, но большего радиуса (1s орбиталь находится внутри 2s орбитали).

Электроны, находящиеся на этой орбитали имеют большую энергию, по сравнению с 1s орбиталью, т.к они расположены дальше от ядра. Максимум на этой орбитали может находится также 2 электрона.
Электронная конфигурация лития: 1s 2 2s 1
Электронная конфигурация бериллия: 1s 2 2s 2

У следующего элемента — бора — уже 5 электронов, и пятый электрон будет заполнять орбиталь, обладающую ещё большей энергией- 2р орбиталь. Р-орбитали имеют форму гантели или восьмерки и располагаются вдоль координатных осей перпендикулярно друг другу.

На каждой р-орбитали может находится не более двух электронов, таким образом на трех р-орбиталях — не более шести. Валентные электроны следующих шести элементов заполняют р-орбитали, поэтому их относят к р-элементам.

Электронная конфигурация атома бора: 1s 2 2s 2 2р 1
Электронная конфигурация атома углерода: 1s 2 2s 2 2р 2
Электронная конфигурация атома азота: 1s 2 2s 2 2р 3
Электронная конфигурация атома кислорода: 1s 2 2s 2 2р 4
Электронная конфигурация атома фтора: 1s 2 2s 2 2р 5
Электронная конфигурация атома неона: 1s 2 2s 2 2р 6

Графически электронные формулы этих атомов изображены ниже:


Квадратик — это орбиталь или квантовая ячейка, стрелочкой обозначается электрон, направление стрелочки — это особая характеристика движения электрона — спин (упрощенно можно представить как вращение электрона вокруг своей оси по часовой и против часовой стрелки). Нужно знать то, что на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами (в одном квадратике нельзя рисовать две стрелочки в одном направлении!). Это и есть принцип запрета В.Паули: «В атоме не может быть даже двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковыми»

Существует ещё одно правило (правило Гунда ), по которому электроны расселяются на одинаковых по энергии орбиталях сначала по одиночке, и лишь когда в каждой такой орбитали уже находится по одному электрону, начинается заполнение этих орбиталей вторыми электронами. Когда орбиталь заселяется двумя электронами, такие электроны называют спаренными .

Атом неона имеет завершенный внешний уровень из восьми электронов (2 s-электрона+6 p-электронов =8 электронов на втором энергетическом уровне), такая конфигурация является энергетически выгодной, и её стремятся приобрести все другие атомы. Именно поэтому элементы 8 А группы — благородные газы — столь инертны в химическом отношении.

Следующий элемент — натрий, порядковый номер 11, первый элемент третьего периода, у него появляется ещё один энергетический уровень — третий. Одиннадцатый электрон будет заселять следующую по энергии орбиталь -3s орбиталь.

Электронная конфигурация атома натрия: 1s 2 2s 2 2р 6 3s 1

Далее происходит заполнение орбиталей элементов третьего периода, сначала заполняется 3s подуровень с двумя электронами, а потом 3р подуровень с шестью электронами (аналогично второму периоду) до благородного газа аргона, имеющего, подобно неону, завершенный восьмиэлектронный внешний уровень. Электронная конфигурация атома аргона (18 электронов): 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6

Четвертый период начинается с элемента калия (порядковый номер 19), последний внешний электрон которого располагается на 4s орбитали. Двадцатый электрон кальция также заполняет 4s орбиталь.

За кальцием идет ряд из 10 d-элементов, начиная со скандия (порядковый номер 21) и заканчивая цинком (порядковый номер 30). Электроны этих атомов заполняют 3d орбитали, внешний вид которых представлен на рисунке ниже.

Итак, подведем итоги:


Цель урока: Сформировать представления учащихся о строении электронной оболочки атома на примере химических элементов 1–3 периодов периодической системы. Закрепить понятия “периодический закон” и “периодическая система”.

Задачи урока: Научиться составлять электронные формулы атомов, определять элементы по их электронным формулам, определять состав атома.

Оборудование: Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, классная доска, мультимедиа-проектор, персональный компьютер, макет и презентация “Составление электронных формул строения атомов”.

Тип урока: комбинированный

Методы: словесный, наглядный.

Ход урока

I. Организационный момент.

Приветствие. Отметка отсутствующих. Активизация класса на усвоение новой темы.

Учитель проговаривает и записывает тему урока на доске “Строение электронных оболочек атома”.

II. Объяснение нового материала

Учитель: В начале XX века была принята планетарная модель строения атома , предложенная Резерфордом, согласно которой вокруг очень малого по размерам положительно заряженного ядра движутся электроны, как планеты вокруг Солнца. (Презентация. Слайд 1. Модель Резерфорда).

Следовательно, в атоме есть траектории, по которым движется электрон. Однако дальнейшие исследования показали, что в атоме не существует траекторий движения электронов. Движение без траектории означает, что мы не знаем, как электрон движется в атоме, но можем установить область, где чаще всего встречается электрон. Это уже не орбита, а орбиталь. Двигаясь вокруг атома, электроны образуют в совокупности его электронную оболочку .

Давайте выясним, как движутся электроны вокруг ядра? Беспорядочно или в определенном порядке? Исследования Нильса Бора – основоположника современной атомной физики, а также ряда других ученых позволили сделать вывод: электроны в атомах располагаются определенными слоями – оболочками и в определенном порядке.

Строение электронных оболочек атомов имеют важную роль для химии, так как именно электроны обуславливают химические свойства веществ. Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром. Электроны в атоме различаются определенной энергией, и, как показывают опыты, одни притягиваются к ядру сильнее, другие слабее. Объясняется это удаленностью электронов от ядра. Чем ближе электроны к ядру, тем больше связь их с ядром, но меньше запас энергии. По мере удаления от ядра атома сила притяжения электрона к ядру уменьшается, а запас энергии увеличивается. Так образуются электронные слои в электронной оболочке атома.Электроны, обладающие близкими значениями энергии образуют единый электронный слой, или энергетический уровень . Энергия электронов в атоме и энергетический уровень определяется главным квантовым числом n и принимает целочисленные значения 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Чем больше значение n, тем больше энергия электрона в атоме. Максимальное число электронов, которое может находиться на том или ином энергетическом уровне, определяется по формуле:

Где N – максимальное число электронов на уровне;

n – номер энергетического уровня.

Установлено, что на первой оболочке располагается не более двух электронов, на второй – не более восьми, на третьей – не более 18, на четвертой – не более 32. Заполнение более далеких оболочек мы рассматривать не будем. Известно, что на внешнем энергетическом уровне может находиться не более восьми электронов, его называют завершенным . Электронные слои, не содержащие максимального числа электронов, называют незавершенными .

Число электронов на внешнем энергетическом уровне электронной оболочки атома равно номеру группы для химических элементов главных подгрупп.

Как ранее было сказано, электрон движется не по орбите, а по орбитали и не имеет траектории.

Пространство вокруг ядра, где наиболее вероятно нахождение данного электрона, называется орбиталью этого электрона, или электронным облаком.

Орбитали, или подуровни, как их еще называют, могут иметь разную форму, и их количество соответствует номеру уровня, но не превышает четырех. Первый энергетический уровень имеет один подуровень (s ), второй – два (s,p ), третий – три (s,p,d ) и т.д. Электроны разных подуровней одного и того же уровня имеют разную форму электронного облака: сферическую (s), гантелеобразную (p) и более сложную конфигурацию (d) и (f). Сферическую атомную орбиталь ученые договорились называть s -орбиталью . Она самая устойчивая и располагается довольно близко к ядру.

Чем больше энергия электрона в атоме, тем быстрее он вращается, тем сильнее вытягивается область его пребывания, и, наконец, превращается в гантелеобразную p -орбиталь :

Электронное облако такой формы может занимать в атоме три положения вдоль осей координат пространства x , y и z . Это легко объяснимо: ведь все электроны заряжены отрицательно, поэтому электронные облака взаимно отталкиваются и стремятся разместиться как можно дальше друг от друга.

Итак, p -орбиталей может быть три. Энергия их, конечно, одинакова, а расположение в пространстве – разное.

Составить схему последовательного заполнения электронами энергетических уровней

Теперь мы можем составить схему строения электронных оболочек атомов:

  1. Определяем общее число электронов на оболочке по порядковому номеру элемента.
  2. Определяем число энергетических уровней в электронной оболочке. Их число равно номеру периода в таблице Д. И. Менделеева, в котором находится элемент.
  3. Определяем число электронов на каждом энергетическом уровне.
  4. Используя для обозначения уровня арабские цифры и обозначая орбитали буквами s и p, а число электронов данной орбитали арабской цифрой вверху справа над буквой, изображаем строение атомов более полными электронными формулами. Ученые условились обозначать каждую атомную орбиталь квантовой ячейкой – квадратиком на энергетической диаграмме :

На s -подуровне может находиться одна атомная орбиталь

а на p - подуровне их может быть уже три –

(в соответствии с тремя осями координат):

Орбиталей d – и f - подуровня в атоме может быть уже пять и семь соответственно:

Ядро атома водорода имеет заряд +1, поэтому вокруг его ядра движется только один электрон на единственном энергетическом уровне. Запишем электронную конфигурацию атома водорода

Чтобы установить связь между строением атома химического элемента и его свойствами, рассмотрим еще несколько химических элементов.

Следующий за водородом элемент-гелий. Ядро атома гелия имеет заряд +2, поэтому атом гелия содержит два электрона на первом энергетическом уровне:

Так как на первом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, то он считается завершенным.

Элемент № 3 – литий. Ядро лития имеет заряд +3, следовательно, в атоме лития три электрона. Два из них находятся на первом энергетическом уровне, а третий электрон начинает заполнять второй энергетический уровень. Сначала заполняется s-орбиталь первого уровня, потом s-орбиталь второго уровня. Электрон, находящийся на втором уровне слабее связан с ядром, чем два других.

Для атома углерода уже можно предположить три возможных схемы заполнения электронных оболочек в соответствии с электронно-графическими формулами:

Анализ атомного спектра показывает, что правильна последняя схема. Пользуясь этим правилом, нетрудно составить схему электронного строения для атома азота:

Этой схеме соответствует формула 1s 2 2s 2 2p 3 . Затем начинается попарное размещение электронов на 2p-орбиталях. Электронные формулы остальных атомов второго периода:

У атома неона заканчивается заполнение второго энергетического уровня, и завершается построение второго периода системы элементов.

Найдите в периодической системе химический знак лития, от лития до неона Ne закономерно возрастает заряд ядер атомов. Постепенно заполняется электронами второй слой. С ростом числа электронов на втором слое металлические свойства элементов постепенно ослабевают и сменяются неметаллическими.

Третий период, подобно второму, начинается с двух элементов (Na, Mg), у которых электроны размещаются на s-подуровне внешнего электронного слоя. Затем следуют шесть элементов (от Al до Ar), у которых происходит формирование p-подуровня внешнего электронного слоя. Структура внешнего электронного слоя соответствующих элементов второго и третьего периодов оказывается аналогичной. Иначе говоря, с увеличением заряда ядра электронная структура внешних слоев атомов периодически повторяется. Если элементы имеют одинаково устроенные внешние энергетические уровни, то и свойства этих элементов подобны. Скажем, аргон и неон содержат на внешнем уровне по восемь электронов, и потому они инертны, то есть почти не вступают в химические реакции. В свободном виде аргон и неон – газы, которые имеют одноатомные молекулы.

Атомы лития, натрия и калия содержат на внешнем уровне по одному электрону и обладают сходными свойствами, поэтому они помещены в одну и ту же группу периодической системы.

III. Выводы.

1. Свойства химических элементов, расположенных в порядке возрастания заряда ядра, периодически повторяются, так как периодически повторяется строение внешних энергетических уровней атомов элементов.

2. Плавное изменение свойств химических элементов в пределах одного периода можно объяснить постепенным увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне.

3. Причина сходства свойств химических элементов, принадлежащих к одному семейству, заключается в одинаковом строении внешних энергетических уровней их атомов.

IV. Закрепление нового материала.

Задание для класса:

1. Изобразите строение атомов следующих элементов:

а) натрия;
б) кремния

2. Сравните строение атомов азота и фосфора.

3. По данным о распределении валентных электронов найдите элемент:

а) 1s 2 2s 1
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
г) 1s 2 2s 2 2p 4
д) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

4. Используя компьютерную презентацию “Составление электронных формул строения атомов” составьте электронные формулы атомов а) азота; б) серы.

5. Используя макет “Составление электронных формул строения атомов” электронные формулы атомов: а) магния; б) кислорода.

V. Домашнее задание: § 8, Стр. 28-33.

Нарисуйте схемы строения электронных оболочек атомов: бора, хлора, лития, алюминия.

1. Квантовые числа (главное, побочное, магнитное, спиновое).

2. Закономерности заполнения электронной оболочки атома:

Принцип Паули;

Принцип наименьшей энергии;

Правило Клечковского;

Правило Гунда.

3. Определения понятий: электронная оболочка, электронное облако, энергетический уровень, энергетический подуровень, электронный слой.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Электронная оболочка атома – это совокупность всех электронов в данном атоме. От строения электронной оболочки атома напрямую зависят химические свойства данного хим. элемента. Согласно квантовой теории, каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако , которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Для характеристики орбиталей и электронов используют квантовые числа .

Главное квантовое число – n. Характеризует энергию и размер орбитали и электронного облака; принимает значения целых чисел от 1 до бесконечности (n = 1,2,3,4,5,6…). Орбитали, имеющие одинаковое значение n, близки между собой по энергии и по размеру и образуют один энергетический уровень.

Энергетический уровень – это совокупность орбиталей, имеющих одинаковое значение главного квантового числа. Энергетические уровни обозначают либо цифрами, либо большими буквами латинского алфавита (1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q). С увеличением порядкового номера энергия и размер орбиталей увеличиваются.

Электронный слой – это совокупность электронов, находящихся на одном энергетическом уровне.

На одном энергетическом уровне могут находиться электронные облака, имеющие различные геометрические формы.

Побочное (орбитальное) квантовое число – l. Характеризует форму орбиталей и облаков; принимает значения целых чисел от 0 до n-l.

УРОВЕНЬ ГЛАВНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО - n ЗНАЧЕНИЕ ПОБОЧНОГО КВАНТОВОГО ЧИСЛА – l
K 0 (s)
L 0,1 (s,p)
M 0,1,2 (s,p,d)
N 0,1,2,3 (s,p,d,f)

Орбитали, для которых l=0, имеют форму шара (сферы) и называются s-орбиталями . Они имеются на всех энергетических уровнях, причем на К-уровне имеется только s-орбиталь. Схематично изобразите форму s-орбитали:

Орбитали, для которых l=1, имеют форму вытянутой восьмерки и называются р -орбиталями . Они имеются на всех энергетических уровнях, кроме первого (К). Схематично изобразите форму l-орбитали:

Орбитали, для которых l=2, называются d-орбиталями . Их заполнение электронами начинается с третьего энергетического уровня.


Заполнение f-орбиталей , для которых l=3, начинается с четвертого энергетического уровня.

Энергия орбиталей, находящихся на одном энергетическом уровне, но имеющих разную форму, неодинакова: E s

Энергетический подуровень – это совокупность орбиталей, которые находятся на одном энергетическом уровне и имеют одинаковую форму. Орбитали одного подуровня имеют одинаковые значения главного и побочного квантового числа, но отличаются направлением (ориентацией) в пространстве.

Магнитное квантовое число – m l . Характеризует ориентацию орбиталей (электронных облаков) в пространстве и принимает значения целых чисел от –l через 0 до +l. Число значений m l определяет число орбиталей на подуровне, например:

s-подуровень: l=0, m l =0, - 1 орбиталь.

p-подуровень: l=1, m l =-1, 0, +1, -3 орбитали

d-подуровень: l=2, m l =-2, -1, 0, +1, +2, - 5 орбиталей.

Таким образом, число орбиталей на подуровне можно вычислить как 2l+1 . Общее число орбиталей на одном энергетическом уровне = n 2 . Общее число электронов на одном энергетическом уровне = 2n 2 . Графически любая орбиталь изображается в виде клетки (квантовой ячейки ).

Схематично изобразите квантовые ячейки для разных подуровней и подпишите для каждой из них значение магнитного квантового числа:

Итак, каждая орбиталь и электрон, находящийся на этой орбитали, характеризуется тремя квантовыми числами: главным, побочным и магнитным. Электрон характеризуется еще одним квантовым числом – спином .

Спиновое квантовое число, спин (от англ. to spin – кружить, вращать) – m s . Характеризует вращение электрона вокруг своей оси и принимает только два значения: +1/2 и –1/2. Электрон со спином +1/2 условно изображают так: ­; со спином –1/2: ¯.

Заполнение электронной оболочки атома подчиняется следующим законам:

Принцип Паули : в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. Составьте наборы квантовых чисел для всех электронов атома кислорода и убедитесь в справедливости принципа Паули:

Принцип наименьшей энергии : Основное (устойчивое) состояние атома – это такое состояние, которое характеризуется минимальной энергией. Поэтому электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии.

Правило Клечковского : Электроны заполняют энергетические подуровни в порядке увеличения их энергии, который определяется значением суммы главного и побочного квантовых чисел (n + l): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d.

Правила Гунда : На одном подуровне электроны располагаются так, чтобы абсолютное значение суммы спиновых квантовых чисел (суммарного спина) было максимальным. Это соответствует устойчивому состоянию атома.

Составьте электронно-графические формулы магния, железа и теллура:

Исключения составляют атомы хрома и меди, в которых происходит проскок (переход) одного электрона с 4s-подуровня на 3d-подуровень, что объясняется большой устойчивостью образующихся при этом электронных конфигураций 3d 5 и 3d 10 . Составьте электронно-графические формулы атомов хрома и меди:

Для характеристики электронного строения атома можно использовать схемы электронного строения, электронные и электронно-графические формулы.

Используя вышеперечисленные схемы и формулы, покажите строение атома серы:


ТЕСТ НА ТЕМУ «СТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМА»

1. Элемент, невозбужденный атом которого не содержит неспаренных электронов, - это

2. Электронная конфигурация иона Cl + в основном электронном состоянии (этот ион образуется при действии ультрафиолетового излучения на сильно нагретый хлор) имеет вид:

4. Формула высшего оксида некоторого элемента – ЭО 3 . Какую конфигурацию валентных электронов может иметь этот элемент в основном состоянии?

6. Число неспаренных электронов в атоме хрома в невозбужденном состоянии равно:

8. Число d-электронов у атома серы в максимально возбужденном состоянии равно:

10. Ионы О -2 и К + имеют соответственно следующие электронные формулы:

А) 1s 2 2s 2 2p 4 Б) 1s 2 2s 2 2p 6 В)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 Г)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

КЛЮЧ К ТЕСТУ

А,Г В В В А Г А,Г Б В Б,В

ЗАДАЧИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМУЛЫ ВЕЩЕСТВА ПО ПРОДУКТАМ СГОРАНИЯ

1. При полном сгорании 0,88 г вещества образовалось 0,51 г углекислого газа и 1,49 г сернистого газа. Определить простейшую формулу вещества. (CS 2)

2. Установить истинную формулу органического вещества, если известно, что при сжигании 4,6 г его было получено 8,8 г углекислого газа и 5,4 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 23. (С 2 Н 6 О)

3. При полном сгорании 12,3 г органического вещества образовалось 26,4 г углекислого газа, 4,5 г воды и выделилось 1,4 г азота. Определить молекулярную формулу вещества, если его молярная масса в 3,844 раза больше молярной массы кислорода. (C 6 H 5 NO 2)

4. При сгорании 20 мл горючего газа расходуется 50 мл кислорода, а получается 40 мл углекислого газа и 20 мл водяных паров. Определить формулу газа. (C 2 H 2)

5. При сжигании 5,4 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 2,8 г азота, 8,8 г углекислого газа и 1,8 г воды. Установите формулу вещества, если известно, что оно легче воздуха. (HCN)

6. При сжигании 3,4 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 2,8 г азота и 5,4 г воды. Установить формулу вещества, если известно, что оно легче воздуха. (NH 3)

7. При сжигании 1,7 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 3,2 г сернистого газа и 0,9 г воды. Установить формулу вещества, если известно, что оно легче аргона. (H 2 S)

8. Образец вещества массой 2,96 г в реакции с избытком бария при комнатной температуре дает 489 мл водорода (Т=298°К, давление нормальное). При сожжении 55,5 мг того же вещества получили 99 мг углекислого газа и 40,5 мг воды. При полном испарении образца этого вещества массой 1,85 г его пары занимают объем 0,97 л при 473°К и 101,3 кПа. Определить вещество, привести структурные формулы двух его изомеров, отвечающих условиям задачи. (С 3 Н 6 О 2)

9. При сгорании 2,3 г вещества образовалось 4,4 г углекислого газа и 2,7 г воды. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 1,59. Определить молекулярную формулу вещества. (С 2 Н 6 О)

10. Определить молекулярную формулу вещества, если известно, что 1,3 г его при сгорании образует 2,24 л углекислого газа и 0,9 г паров воды. Масса 1 мл этого вещества при н.у. равна 0,00116 г. (C 2 H 2)

11. При сжигании одного моля простого вещества образовалось 1,344 м 3 (н.у.) газа, который в 11 раз тяжелее гелия. Установить формулу сжигаемого вещества. (С 60)

12. При сжигании 112 мл газа было получено 448 мл углекислого газа (н.у.) и 0,45 г воды. Плотность газа по водороду составляет 29. Найти молекулярную формулу газа. (С 4 Н 10)

13. При полном сгорании 3,1 г органического вещества образовалось 8,8 г углекислого газа, 2,1 г воды и 0,47 г азота. Найти молекулярную формулу вещества, если масса 1 л паров его при н.у. составляет 4,15 г. (C 6 H 7 N)

14. При сгорании 1,44 г органического вещества образовалось 1,792 л углекислого газа и 1,44 г воды. Установите формулу вещества, если его относительная плотность по воздуху составляет 2,483. (С 4 Н 8 О)

15. При полном окислении 1,51 г гуанина образуется 1,12 л углекислого газа, 0,45 г воды и 0,56 л азота. Вывести молекулярную формулу гуанина. (C 5 H 5 N 5 O)

16. При полном окислении органического вещества массой 0,81 г образуется 0,336 л углекислого газа, 0,53 г карбоната натрия и 0,18 г воды. Установить молекулярную формулу вещества. (C 4 H 4 O 4 Na 2)

17. При полном окислении 2,8 г органического вещества образовалось 4,48 л углекислого газа и 3,6 г воды. Относительная плотность вещества по воздуху 1,931. Установить молекулярную формулу данного вещества. Какой объем 20% раствора гидроксида натрия (плотность 1,219 г/мл) необходим для поглощения выделившегося при сгорании углекислого газа? Какова массовая доля карбоната натрия в полученном растворе? (С 4 Н 8 ; 65,6 мл; 23,9%)

18. При полном окислении 2,24 г органического вещества образуется 1,792 л углекислого газа, 0,72 г воды и 0,448 л азота. Вывести молекулярную формулу вещества. (C 4 H 4 N 2 O 2)

19. При полном окислении органического вещества массой 2,48 г образуется 2,016 л углекислого газа, 1,06 г карбоната натрия и 1,62 г воды. Установить молекулярную формулу вещества. (C 5 H 9 O 2 Na)