Электронная оболочка атома

Состояние электронов в атоме

Вы­да­ю­щий­ся дат­ский физик Нильс Бор (Рис. 1) пред­по­ло­жил, что элек­тро­ны в атоме могут дви­гать­ся не по любым, а по стро­го опре­де­лен­ным ор­би­там.

Бор Нильс Хендрих Давид (1885–1962)

Рис. 1. Бор Нильс Хендрих Давид (1885–1962)

При этом элек­тро­ны в атоме раз­ли­ча­ют­ся своей энер­ги­ей. Как по­ка­зы­ва­ют опыты, одни из них при­тя­ги­ва­ют­ся к ядру силь­нее, дру­гие – сла­бее. Глав­ная при­чи­на этого за­клю­ча­ет­ся в раз­ном уда­ле­нии элек­тро­нов от ядра атома. Чем ближе элек­тро­ны к ядру, тем они проч­нее свя­за­ны с ним и их труд­нее вы­рвать из элек­трон­ной обо­лоч­ки. Таким об­ра­зом, по мере уда­ле­ния от ядра атома запас энер­гии элек­тро­на уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Элек­тро­ны, дви­жу­щи­е­ся вб­ли­зи ядра, как бы за­го­ра­жи­ва­ют (экра­ни­ру­ют) ядро от дру­гих элек­тро­нов, ко­то­рые при­тя­ги­ва­ют­ся к ядру сла­бее и дви­жут­ся на боль­шем уда­ле­нии от него. Так об­ра­зу­ют­ся элек­трон­ные слои.

Каж­дый элек­трон­ный слой со­сто­ит из элек­тро­нов с близ­ки­ми зна­че­ни­я­ми энер­гии; по­это­му элек­трон­ные слои на­зы­ва­ют еще энер­ге­ти­че­ски­ми уров­ня­ми.

Правила распределения электронов

Ядро на­хо­дит­ся в цен­тре атома каж­до­го эле­мен­та, а элек­тро­ны, об­ра­зу­ю­щие элек­трон­ную обо­лоч­ку, раз­ме­ща­ют­ся во­круг ядра сло­я­ми.

Число элек­трон­ных слоев в атоме эле­мен­та равно но­ме­ру пе­ри­о­да, в ко­то­ром на­хо­дит­ся дан­ный эле­мент.

На­при­мер, на­трий Na – эле­мент 3-го пе­ри­о­да, зна­чит, его элек­трон­ная обо­лоч­ка вклю­ча­ет 3 энер­ге­ти­че­ских уров­ня. В атоме брома Br – 4 энер­ге­ти­че­ских уров­ня, т. к. бром рас­по­ло­жен в 4-м пе­ри­о­де (Рис. 2).

Мо­дель атома на­трия:                 Мо­дель атома брома:

Мо­де­ль стро­е­ния элек­трон­ной обо­ло­чки ато­ма на­трия Мо­де­ль стро­е­ния элек­трон­ной обо­ло­чки ато­ма брома

Рис. 2. Мо­де­ли стро­е­ния элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов на­трия и брома

Мак­си­маль­ное число элек­тро­нов на энер­ге­ти­че­ском уровне рас­счи­ты­ва­ет­ся по фор­му­ле: 2n2, где n – номер энер­ге­ти­че­ско­го уров­ня.

Таким об­ра­зом, мак­си­маль­ное число элек­тро­нов на:

1 слое – 2

2 слое – 8

3 слое – 18 и т. д.

У эле­мен­тов глав­ных под­групп номер груп­пы, к ко­то­рой от­но­сит­ся эле­мент, равен числу внеш­них элек­тро­нов атома.

Внеш­ни­ми на­зы­ва­ют элек­тро­ны по­след­не­го элек­трон­но­го слоя.

На­при­мер, в атоме на­трия – 1 внеш­ний элек­трон (т. к. это эле­мент IА под­груп­пы). В атоме брома – 7 элек­тро­нов на по­след­нем элек­трон­ном слое (это эле­мент VIIА под­груп­пы).

Строение электронных оболочек элементов 1-4 периодов

Стро­е­ние элек­трон­ных обо­ло­чек эле­мен­тов 1–3 пе­ри­о­дов

В атоме во­до­ро­да заряд ядра равен +1, и этот заряд ней­тра­ли­зу­ет­ся един­ствен­ным элек­тро­ном (Рис. 3).

Схема стро­е­ния атома во­до­ро­да

Рис. 3. Схема стро­е­ния атома во­до­ро­да

Сле­ду­ю­щий за во­до­ро­дом эле­мент – гелий, тоже эле­мент 1-го пе­ри­о­да. Сле­до­ва­тель­но, в атоме гелия 1 энер­ге­ти­че­ский уро­вень, на ко­то­ром раз­ме­ща­ют­ся два элек­тро­на (Рис. 4). Это мак­си­маль­но воз­мож­ное число элек­тро­нов для пер­во­го энер­ге­ти­че­ско­го уров­ня.

Схема стро­е­ния атома гелия

Рис 4. Схема стро­е­ния атома гелия

Эле­мент № 3 – это литий. В атоме лития 2 элек­трон­ных слоя, т. к. это эле­мент 2-го пе­ри­о­да. На 1 слое в атоме лития на­хо­дит­ся 2 элек­тро­на (этот слой за­вер­шен), а на 2 слое –1 элек­трон. В атоме бе­рил­лия на 1 элек­трон боль­ше, чем в атоме лития (Рис. 5).

 

Схема стро­е­ния ато­ма лития                                  Схема стро­е­ния ато­ма бе­рил­лия

Рис. 5. Схемы стро­е­ния ато­мов лития и бе­рил­лия

Ана­ло­гич­но можно изоб­ра­зить схемы стро­е­ния ато­мов осталь­ных эле­мен­тов вто­ро­го пе­ри­о­да (Рис. 6).

Схемы стро­е­ния ато­мов неко­то­рых эле­мен­тов вто­ро­го пе­ри­о­да

Рис. 6. Схемы стро­е­ния ато­мов неко­то­рых эле­мен­тов вто­ро­го пе­ри­о­да

В атоме по­след­не­го эле­мен­та вто­ро­го пе­ри­о­да – неона – по­след­ний энер­ге­ти­че­ский уро­вень яв­ля­ет­ся за­вер­шен­ным (на нем 8 элек­тро­нов, что со­от­вет­ству­ет мак­си­маль­но­му зна­че­нию для 2-го слоя). Неон – инерт­ный газ, ко­то­рый не всту­па­ет в хи­ми­че­ские ре­ак­ции, сле­до­ва­тель­но, его элек­трон­ная обо­лоч­ка очень устой­чи­ва.

Аме­ри­кан­ский химик Гил­берт Льюис дал объ­яс­не­ние этому и вы­дви­нул пра­ви­ло ок­те­та, в со­от­вет­ствии с ко­то­рым устой­чи­вым яв­ля­ет­ся вось­ми­элек­трон­ный слой (за ис­клю­че­ни­ем 1 слоя: т. к. на нем может на­хо­дить­ся не более 2 элек­тро­нов, устой­чи­вым для него будет двух­элек­трон­ное со­сто­я­ние).

После неона сле­ду­ет эле­мент 3-го пе­ри­о­да – на­трий. В атоме на­трия – 3 элек­трон­ных слоя, на ко­то­рых рас­по­ло­же­ны 11 элек­тро­нов (Рис. 7).

Na Схема стро­е­ния атома на­трия

Рис. 7. Схема стро­е­ния атома на­трия

На­трий на­хо­дит­ся в 1 груп­пе, его ва­лент­ность в со­еди­не­ни­ях равна I, как и у лития. Это свя­за­но с тем, что на внеш­нем элек­трон­ном слое ато­мов на­трия и лития на­хо­дит­ся 1 элек­трон.

Свой­ства эле­мен­тов пе­ри­о­ди­че­ски по­вто­ря­ют­ся по­то­му, что у ато­мов эле­мен­тов пе­ри­о­ди­че­ски по­вто­ря­ет­ся число элек­тро­нов на внеш­нем элек­трон­ном слое.

Стро­е­ние ато­мов осталь­ных эле­мен­тов тре­тье­го пе­ри­о­да можно пред­ста­вить по ана­ло­гии со стро­е­ни­ем ато­мов эле­мен­тов 2-го пе­ри­о­да.

Стро­е­ние элек­трон­ных обо­ло­чек эле­мен­тов 4 пе­ри­о­да

Чет­вер­тый пе­ри­од вклю­ча­ет в себя 18 эле­мен­тов, среди них есть эле­мен­ты как глав­ной (А), так и по­боч­ной (В) под­групп. Осо­бен­но­стью стро­е­ния ато­мов эле­мен­тов по­боч­ных под­групп яв­ля­ет­ся то, что у них по­сле­до­ва­тель­но за­пол­ня­ют­ся предвнеш­ние (внут­рен­ние), а не внеш­ние элек­трон­ные слои.

Чет­вер­тый пе­ри­од на­чи­на­ет­ся с калия. Калий – ще­лоч­ной ме­талл, про­яв­ля­ю­щий в со­еди­не­ни­ях ва­лент­ность I. Это вполне со­гла­су­ет­ся со сле­ду­ю­щим стро­е­ни­ем его атома. Как эле­мент 4-го пе­ри­о­да, атом калия имеет 4 элек­трон­ных слоя. На по­след­нем (чет­вер­том) элек­трон­ном слое калия на­хо­дит­ся 1 элек­трон, общее ко­ли­че­ство элек­тро­нов в атоме калия равно 19 (по­ряд­ко­во­му но­ме­ру этого эле­мен­та) (Рис. 8).

Схема стро­е­ния атома калия

Рис. 8. Схема стро­е­ния атома калия

За ка­ли­ем сле­ду­ет каль­ций. У атома каль­ция на внеш­нем элек­трон­ном слое будут рас­по­ла­гать­ся 2 элек­тро­на, как и у бе­рил­лия с маг­ни­ем (они тоже яв­ля­ют­ся эле­мен­та­ми II А под­груп­пы).

Сле­ду­ю­щий за каль­ци­ем эле­мент – скан­дий. Это эле­мент по­боч­ной (В) под­груп­пы. Все эле­мен­ты по­боч­ных под­групп – это ме­тал­лы. Осо­бен­но­стью стро­е­ния их ато­мов яв­ля­ет­ся на­ли­чие не более 2-х элек­тро­нов на по­след­нем элек­трон­ном слое, т. е. по­сле­до­ва­тель­но за­пол­нять­ся элек­тро­на­ми будет пред­по­след­ний элек­трон­ный слой.

Так, для скан­дия можно пред­ста­вить сле­ду­ю­щую мо­дель стро­е­ния атома (Рис. 9):

Схема стро­е­ния атома скан­дия

Рис. 9. Схема стро­е­ния атома скан­дия

Такое рас­пре­де­ле­ние элек­тро­нов воз­мож­но, т. к. на тре­тьем слое мак­си­маль­но до­пу­сти­мое ко­ли­че­ство элек­тро­нов – 18, т. е. во­семь элек­тро­нов на 3-м слое – это устой­чи­вое, но не за­вер­шен­ное со­сто­я­ние слоя.

У де­ся­ти эле­мен­тов по­боч­ных под­групп 4-го пе­ри­о­да от скан­дия до цинка по­сле­до­ва­тель­но за­пол­ня­ет­ся тре­тий элек­трон­ный слой.

Схему стро­е­ния атома цинка можно пред­ста­вить так: на внеш­нем элек­трон­ном слое – два элек­тро­на, на предвнеш­нем – 18 (Рис. 10).

Схема стро­е­ния атома цинка

Рис. 10. Схема стро­е­ния атома цинка

Сле­ду­ю­щие за цин­ком эле­мен­ты от­но­сят­ся к эле­мен­там глав­ной под­груп­пы: гал­лий, гер­ма­ний и т. д. до крип­то­на. В ато­мах этих эле­мен­тов по­сле­до­ва­тель­но за­пол­ня­ет­ся 4-й (т. е. внеш­ний) элек­трон­ный слой. В атоме инерт­но­го газа крип­то­на будет октет на внеш­ней обо­лоч­ке, т. е. устой­чи­вое со­сто­я­ние.

Под­ве­де­ние итога урока

На этом уроке вы узна­ли, как устро­е­на элек­трон­ная обо­лоч­ка атома и как объ­яс­нить яв­ле­ние пе­ри­о­дич­но­сти. По­зна­ко­ми­лись с мо­де­ля­ми стро­е­ния элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов, с по­мо­щью ко­то­рых можно пред­ска­зать и объ­яс­нить свой­ства хи­ми­че­ских эле­мен­тов и их со­еди­не­ний.

Последнее изменение: Пятница, 13 Октябрь 2017, 04:41