Строение электронных оболочек атомов
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.
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.
Рис. 3. Схема строения электронной оболочки атома.
Что мы узнали?
Тема «Строение электронных оболочек атомов» по химии (8 класс) кратко объясняет строение атома, свойства и расположение электронов. Также она дает представление о распределении электронов по уровням в периодической системе Д. И. Менделеева.
Как узнать сколько электронных оболочек у элемента
На этом уроке вы узнаете, как устроена электронная оболочка атома, и сможете объяснить явление периодичности. Познакомитесь с моделями строения электронных оболочек атомов, с помощью которых можно предсказать и объяснить свойства химических элементов и их соединений.
I. 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.
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.
Электрон вращается вокруг ядра атома с невообразимой скоростью. Так, за 1 секунду он делает столько оборотов вокруг ядра атома, сколько оборотов делает пропеллер самолета вокруг оси за 5–5,5 лет непрерывной работы двигателя. Пропеллер самолета образует «облако», находящееся в одной плоскости, а электрон образует объемное облако –электронное облако, форма и размер которого зависят от энергии электрона.
Если обозначить точками все вероятные места нахождения электрона в атомном пространстве за некоторое время, то совокупность этих точек будет представлять собойэлектронное облако.
II. Электронное облако
Электронное облако – это модель, которая описывает состояние (движение) электрона в атоме.
Электронное облако не имеет строго очерченных границ и плотность его неравномерна.
Часть атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая (
90%), называется орбиталью.
Виды электронных орбиталей
Форма орбитали в пространстве
Количество орбиталей в атоме.
Условное обозначение орбитали – клетка:
(электронное облако s – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме одно положение
(электронное облако p – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме три положения вдоль осей координат пространства x, y и z.
(электронное облако d – электрона)
(электронное облако f – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме семь положений.
Число электронов в атоме определяют по порядковому номеру
О – 8 электронов, S – 16 электронов.
На одной орбитали могут находиться только ДВА электрона, которые вращаются вокруг своей оси в противоположных направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелке) – электроны с противоположными спинами:
Cледовательно, на s – орбитали максимально может разместиться два электрона (s 2 ); на p – орбитали максимально может разместиться шесть электронов (p 6 ) на d – орбитали максимально может разместиться десять электронов (d 10 ); f – четырнадцать электронов (f 14 ).
Располагаясь на различных расстояниях от ядра, электроны образуют электронные слои (энергетические уровни) – каждому слою соответствует определённый уровень энергии.
Число энергетических уровней определяют по номеру периода, в котором находится химический элемент
О – 2 уровня, S – три уровня.
Для элементов главных подгрупп (А) число электронов на внешнем уровне = номеру группы.
+15P – V группа (А) – на внешнем уровне 5 электронов
Для элементов побочных подгрупп (В) число электронов на внешнем уровне = двум.
Исключения (один электрон) – хром, медь, серебро, золото и некоторые другие.
III. Формулы отражающие строение атомов первого и второго периодов
– схема строения атома, отображает распределение электронов по энергоуровням.
+1 Н 1s 1
– электронная формула, отображает число электронов по орбиталям.
— электронно-графическая формула – показывает распределение электронов по орбиталям и отображает спин электрона.
У элементов второго периода начинается заполнение второго энергетического уровня — он включает восемь электронов (n = 2, N = 8). Второй период содержит восемь элементов. У неона, элемента, завершающего второй период, первый и второй энергетические уровни оказываются целиком заполненными.
IV. Распределение электронов по энергетическим уровням элементов третьего и четвертого периодов ПСХЭ
1. Порядок заполнения уровней и подуровней электронами
Электронные формулы атомов химических элементов составляют в следующем порядке:
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяется :
Принципом наименьшей энергии
Шкала энергий:
1s внешнего энергетического уровня, называются s-элементами. Это первые 2 элемента каждого периода, составляющие главные подгруппы I и II групп.
Элементы, в атомах которых электронами заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня, называются p-элементами. Это последние 6 элементов каждого периода (за исключением I и VII), составляющие главные подгруппы III—VIII групп.
Элементы, в которых заполняется d-подуровень второго снаружи уровня, называются d-элементами. Это элементы вставных декад IV, V, VI периодов.
Элементы, в которых заполняется f-подуровень третьего снаружи уровня, называются f-элементами. К f-элементам относятся лантаноиды и актиноиды.
В третьем периоде происходит заполнение третьего энергетического уровня. Третий уровень (n = 3) может максимально вмещать 18 электронов. Однако элементов в третьем периоде всего восемь. К концу третьего периода (у аргона) полностью заполняются 3s- и 3p-подуровни, а 3d-подуровень остается пустым, поэтому третий уровень не заполняется до конца.
В четвертом периоде у первых двух элементов (калия и кальция) электроны идут на четвертый энергетический уровень (4s-подуровень), а затем у последующих десяти элементов (от скандия до цинка) завершается заполнение третьего энергетического уровня (3d-подуровня).
«Проскок» или «провал» электрона
Особо следует отметить палладий, у которого «проваливаются» два электрона:
Pd1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 0 4d 10
V. Тест
Решите тестовые задания (один верный вариант ответа).
1. Заряд ядра атома фосфора равен
2. Количество энергоуровней в атоме равно
а) порядковому номеру элемента;
в) заряду ядра атома;
3. Число нейтронов в атоме цинка равно
4. В ряду элементов Na, Mg, Al, Cl металлические свойства
г) сначала убывают, а затем возрастают
5. Формула высшего оксида RO2 характерна для
6. Электронная формула строения атома меди, это-
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 ;
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 ;
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 6 4s 2 3d 10 ;
7. Заряд ядра атома кальция равен
8. Число электронов на внешнем энергоуровне для элементов главных подгрупп равно
в) порядковому номеру элемента;
9. Число нейтронов в атоме железа равно
10. В ряду элементов C, Si, Ge, Sn способность отдавать валентные электроны
г) сначала увеличивается, а затем уменьшается.
11. Формула летучего водородного соединения для элемента с электронным строением атома 1s22s22p2 – это
12. Электронная формула строения атома мышьяка, это-
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 11 4p 3 ;
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 4p 4 ;
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 4p 4 ;
Строение атома
Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.
Одну из первых моделей строения атома — « пудинговую модель » — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве. Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная. Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.
И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.
Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.
Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.
Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.
Рассмотрим основные характеристики протонов, нейтронов и электронов:
| Протон | Нейтрон | Электрон | |
| Масса | 1,00728 а.е.м. | 1,00867 а.е.м. | 1/1960 а.е.м. |
| Заряд | + 1 элементарный заряд | 0 | — 1 элементарный заряд |
Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов, т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов.
Атом — это электронейтральная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: Ne = Np = Z.
Масса атома ( массовое число A ) примерно равна суммарной массе крупных частиц, которые входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нейтрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу:
Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.
Обратите внимание! При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5.
Таким образом, рассчитать число нейтронов в атоме можно, вычтя из массового числа номер атома: Nn = M – Z.
В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.
Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:
Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.
Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:
Еще немного вопросов:
3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.
4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.
Строение электронной оболочки
Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.
| Тип орбитали | s | p | d | f | g |
| Значение орбитального квантового числа l | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Число атомных орбиталей данного типа 2l+1 | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
| Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 |
Получаем сводную таблицу:
АО
2 2 6Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.
Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).
Правило Хунда. На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону. Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.
Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n.
| АО | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d | 4s | 4p | 4d | 4f | 5s | 5p | 5d | 5f | 5g |
| n | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| l | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| n + l | 1 | 2 | 3 | 3 | 4 | 5 | 4 | 5 | 6 | 7 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:
1s энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.
Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.
Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:
Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s 2 означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.
Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую электронную конфигурацию.
1s 2 = [He]
1s 2 2s 2 2p 6 = [Ne]
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 = [Ar] и так далее.
Электронные формулы элементов первых четырех периодов
Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:
+1H 1s 1 1s 
У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:
+2He 1s 2 1s
Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:
+3Li 1s 2 2s 1 1s 2s
У бериллия 2s-подуровень заполнен:
+4Be 1s 2 2s 2 1s 2s
Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p 
+6C 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2s 2p 
Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя по ответам конце статьи:
5. Азот
6. Кислород
7. Фтор
У неона завершено заполнение второго энергетического уровня:
+10Ne 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2s 2p 
У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2s 2p 3s
От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.
8. Магний
9. Алюминий
10. Кремний
11. Фосфор
12. Сера
13. Хлор
14. Аргон
+19K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 1s 2s 2p3s 3p4s
Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:
+19K [Ar]4s 1 [Ar] 4s
У кальция 4s-подуровень заполнен:
+20Ca [Ar]4s 2 [Ar] 4s
+21Sc [Ar]3d 1 4s 2 [Ar] 4s 3d 
Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия :
+22Ti [Ar]3d 2 4s 2 [Ar] 4s 3d 
+23V [Ar]3d 3 4s 2 [Ar] 4s 3d 
Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:
+24Cr [Ar]3d 5 4s 1 [Ar] 4s 3d 
У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца :
+25Mn [Ar]3d 5 4s 2
+29Cu [Ar]3d 10 4s 1
На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:
+30Zn [Ar]3d 10 4s 2
+31Ga [Ar]3d 10 4s 2 4p 1
Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно.
Некоторые важные понятия:
Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны.
Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвовать в образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr [Ar]3d 5 4s 1 ) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s 1 ), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.
Основное и возбужденное состояние атома
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p
На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):
+5B* 1s 2 2s 1 2p 2 1s 2s 2p
Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!
15. Углерода
16. Бериллия
17. Кислорода
Электронные формулы ионов
Ионы — это заряженные частицы. Избыточный заряд обозначается индексом в правом верхнем углу.
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 -1е = +11Na + 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0
+17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 +1e = +17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
Попробуйте составить самостоятельно электронный формулы ионов. Не забывайте проверять себя по ключам!
18. Ион Са 2+
19. Ион S 2-
20. Ион Ni 2+
Таким образом, ионы Na + и F — — изоэлектронные. Также они изоэлектронны атому неона.
Ответы на вопросы:
1. У изотопов одного химического элемента массовое число всегда разное, т.к. массовое число складывается из числа протонов и нейтронов. А у изотопов различается число нейтронов.
2. У изотопов одного элемента число протонов всегда одинаковое, т.к. число протонов характеризует химический элемент.
4. Массовое число изотопа хлора равно 37. Атомный номер, заряд ядра и число протонов в ядре равно 17. Получаем число нейтронов = 37-17 =20.
5. Электронная формула азота :
+7N 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2s 2p
6. Электронная формула кислорода :
+8О 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2s 2p 
7. Электронная формула фтора :
8. Электронная формула магния :
+12Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2s 2p 3s
9. Электронная формула алюминия :
+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p
10. Электронная формула кремния :
+14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p
11. Электронная формула фосфора :
+15P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 1s 2s 2p 3s 3p
12. Электронная формула серы :
+16S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 1s 2s 2p 3s 3p
13. Электронная формула хлора :
14. Электронная формула аргона :
+18Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 1s 2s 2p 3s 3p
15. Электронная формула углерода в возбуждённом состоянии:
+6C* 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2s 2p
16. Электронная формула бериллия в возбуждённом состоянии:
+4Be 1s 2 2s 1 2p 1 1s 2s 2p
17. Электронная формула кислорода в возбуждённом энергетическом состоянии соответствует формуле кислорода в основном энергетическом состоянии, т.к. нет условий для перехода электрона — отсутствуют вакантные энергетические орбитали.
18. Электронная формула иона кальция Са 2+ : +20Ca 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
19. Электронная формула аниона серы S 2- : +16S 2- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
