Підготовчі курси з хімії

Тема 3-5 Будова атома. Періодична система елементів

Тема 4 ЕЛЕКТРОННА ОБОЛОНКА. ЕЛЕКТРОННІ СТРУКТУРИ АТОМІВ


 

4.1  Атомні орбіталі

 

 

Відповідно до сучасної квантово-механічної теорії атомні орбіталь і стан електрона в атомі характеризується відповідно до певних законів з урахуванням двоїстої природи електрона в атомі. З цих законів випливає, що електрони в атомі розміщені шарами, які розташовані на певній відстані від ядра і один від одного. Електронні шари називають також енергетичними рівнями.

Загальна кількість енергетичних рівнів у атомі елемента відповідає номеру періода, в якому знаходиться елемент у Періодичній системі.

Так у елементів першого періоду існує лише один енергетичний рівень (позначається цифрою 1), у елементів другого періоду – два рівня (1 і 2), у елементів третього періоду – три рівня (1,2 і 3) і т.і.

Енергетичні рівні у свою чергу розщеплюються на енергетичні підрівні, які відрізняються один від одного енергією зв’язку з ядром.

Кількість енергетичних підрівнів на одному енергетичному рівні дорівнює номеру цього енергетичного рівня.

Отже, на першому електронному шарі існує тільки один підрівень (позначається 1s), на другому – два підрівня (2s і 2p), на третьому – три (3s, 3p, 3d), на четвертому – чотири (4s, 4p, 4d, 4f).

Енергетичні підрівні поділяються на орбіталі, кожна з яких характеризується власним запасом енергії, який визначає загальну відстань від ядра, орієнтацію у просторі, а отже, й форму орбіталі (рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4).

 

Графічно орбіталі зображують у вигляді квантових (або енергетичних) комірок. Кожна енергетична комірка має форму невеличкого квадрата. Кількість квантових комірок, зображених разом, відповідають кількості орбіталей на одному енергетичному підрівні:

 

4.1.1   Правила заповнення електронами атомних орбіталей

 

 

Заповнення електронами енергетичних рівнів відбувається згідно з відповідними законами, а саме: принципом найменшої енергії, принципом Паулі, правилом Хунда.

Принцип найменшої енергії:

Електрони в атомі займають ту вільну орбіталь, енергія якої мінімальна, а тому енергетичні рівні та підрівні заповнюються електронами у напрямку зростання їх енергій.

Послідовність зростання енергії на енергетичних підрівнях називається шкалою енергії, яку можна виразити у вигляді послідовності квантових комірок (рис. 4.5) чи енергетичних підрівнів:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s ≈ 4f ≈5d<6p<7s ≈5f ≈6d<7p

Рис. 4.5 Послідовність зростання енергії на енергетичних підрівнях

Принцип Паулі:

В атомі не може бути двох чи більше електронів, властивості яких були б однакові.

З принципа Паулі випливає декілька наслідків, які спираються на квантовомеханічні уявлення про будову атома. Зважаючи на їх складність, розглянемо лише спрощене тлумачення цих наслідків.

Перший наслідок принципу Паулі формулюється так:

На одній орбіталі може максимально розміститися тільки два електрони.

Електрони, що розміщуються на одній орбіталі, називаються спареними і графічно позначаються за допомогою двох протилежно напрямлених стрілок: ↑↑. Якщо на орбіталі перебуває тільки один електрон, то його називають неспареним і позначають однією стрілкою: ↓.

Другий наслідок принципу Паулі:

Найбільша кількість електронів на s-підрівні будь-якого енергетичного рівня дорівнює 2, на р-підрівні – 6, на d-підрівні – 10, на f-підрівні - 14.

Третій наслідок принципу Паулі:

На одному енергетичному рівні може максимально знаходитися 2n2 електронів, де n – номер рівня.

Отже, на першому рівні (n = 2) найбільша кількість електронів дорівнює 2n2 = 2.12=2, на другому рівні – 2n2 = 2.22=8 вісім, на третьому – 2n2 = 2.32=18 і т.д.

Крім того, з принципу Паулі випливає ще одне положення: на зовнішньому рівні атома не може знаходитися більше, ніж вісім електронів.

Таким чином, принцип Паулі визначає максимальну ємність рівнів, підрівнів і орбіталей.

 

Правило Хунда:

Найбільш стійкому стану атома відповідає найбільша кількість неспарених електронів у межах одного енергетичного підрівня.

З цього випливає, що на одному енергетичному підрівні спочатку кожний електрон займає вільну орбіталь і тільки після того, як всі орбіталі стануть напівзаселеними, або напівзабудованими (тобто такими, що містять по одному електрону), наступний електрон поступає вже на напівзаселену орбіталь. Наприклад, у атома Нітрогену три електрони на 2р-підрівні розміщуються на трьох різних орбіталях, що забезпечує енергетично вигідніший стан усього атома:

Рис. 4.6 - Електронні схеми елементів 2 періоду

 

4.2  Складання електронних формул і електронно-графічних схем

 

Розподіл електронів в атомі на енергетичних рівнях і підрівнях зображують за допомогою електронних формул та електронно-графічних схем. В електронних формулах цифрами вказують номер енергетичного рівня, на якому розташовані електрони, латинськими буквами – енергетичні підрівні, а цифри справа вгорі над буквами – кількість електронів на даному підрівні. Наприклад, умовний запис 5d4 означає, що на d-підрівні п’ятого рівня міститься чотири електрони.

Електронно-графічні схеми показують розподілення електронів по орбіталях за допомогою квантових комірок. При складанні електронно-графічних схем використовують такі позначення: одна клітинка – орбіталь, стрілка – електрон.

Приклад 4.1. Що означає умовний запис 4f7?

Розв’язок. Цифра 4 перед латинською буквою вказує на четвертий енергетичний рівень, буква f – на позначення енергетичного підрівня, а цифра 7 угорі справа – на кількість електронів, що містяться на f-підрівні.

Приклад 4.2. Скласти електронні та електронно-графічні формули атомів елементів з порядковими номерами 1, 2 і 3.

Розв’язок. Порядковий номер 1 у періодичній таблиці належить елементу Гідрогену і одночасно визначає заряд ядра атома +1. Зважаючи на те, що атом є електронейтральною системою, він містить таку ж кількість електронів на електронній облонці. Оскільки Н розташований у першому періоді, в атомі є лише один електронний шар, який складається тільки з однієї орбіталі – s. Тоді електронна формула атома Гідрогена має вигляд 1s1, а електронно-графічна схема – це клітинки з однією стрілкою:

 

В атомі наступного елемента Гелію Не з порядковим номером 2 є два електрони. Знаходження Не у першому періоді вказує на один електронний шар, тому електронна формула – 1s2, а електронно-графічна схема уявляє собою квантову комірку з двома антипаралельними стрілками.

В атомах елемента з порядковим номером 3 Літій (Рис.4.5) три електрони розміщуються на двох енергетичних рівнях, оскільки Li знаходиться у другому періоді. На s-орбіталі першого рівня містяться два електрони, а третій електрон займає s-орбіталі на другому енергетичному рівні, залишаючи три р-орбіталі незаповненими. Отже електронна формула атома Літію 1s22s1.

Як видно з розглянутих електронних формул, в атомах елементів Н, Не і Li формуючий електрон знаходиться на s-підрівні. Залежно від того, на якому підрівні перебуває формуючий електрон, всі елементи поділяються на електронні родини.

Елементи, в атомах яких формуючий електрон забудовує s-орбіталі зовнішнього енергетичного рівня, називаються s-елементами. Сукупність s-елементів складає електронну s-родину.

Літій, Гідроген, Гелій – це s-елементи, оскільки забудова електронних оболонок в їх атомах закінчується останнім електроном на s-орбіталі зовнішнього енергетичного рівня.

Елементи, в атомах яких формуючий електрон забудовує р-орбіталь зовнішнього енергетичного рівня, називаються р-елементами і утворюють електронну р-родину.

Як приклад р-елемента розглянемо будову електронної оболонки атома Oксигену О (Рис.4.5). Порядковий номер елемента 8 свідчить про наявність в атомі О восьми електронів, розташованих на двох енергетичних рівнях, тому що Оксиген знаходиться у другому періоді. Отже, на s-орбіталі першого електронного шару міститься два електрони, а решта – на s- і р-орбіталях другого електронного шару. Тоді електронна формула і електронно-графічна схема атома О мають вигляд: 1s22s22р4 ,

                     

Приклад 4.3. Скласти електронну формулу атома хімічного елементу з порядковим номером 25 і електронно-графічну схему двох зовнішніх енергетичних рівнів. Визначити, до якої електронної родини належить цей хімічний елемент.

Розв’язок. Оскільки згідно із законом Мозлі порядковий номер 25 вказує, що число протонів в ядрі його атома дорівнює 25, тому і число електронів навколо ядра теж становить 25. Враховуючи правила послідовності заповнення електронами енергетичних підрівнів, складаємо електронну формулу атома хімічного елемента: 1s22s22p63s23p64s23d5. Два зовнішні енергетичні рівня – це третій та четвертий. З урахуванням правила Хунда складаємо для них електронно-графічну схему:

Відповідно до шкали енергії спочатку проходить заповнення електронами 4s-, а потім – 3d-підрівня, отже, формуючий електрон знаходиться на d-підрівні, що й визначає належність даного елемента до d-електронної родини.

Елементи, в атомах яких формуючий електрон забудовує d-орбіталь другого іззовні енергетичного рівня, називаються d-елементами і утворюють електронну d-родину. Якщо формуючий електрон в атомі знаходиться на f-підрівні третього іззовні енергетичного рівня, то такий елемент належить до f-електронної родини.

 

Приклад 4.4. Складіть електронну формулу і електронно-графічну схему двох зовнішніх енергетичних рівнів для таких частинок: а) атома; б) йона ; в) йона. Які з наведених частинок є ізоелектронними?

Розв’язок. а) Порядковий номер елемента Аргона дорівнює 18, отже атом містить 18 електронів і має електронну формулу , а електронно-графічна схема двох зовнішніх енергетичних рівнів атома Аргона має тактй вигляд:

б) Порядковий номер хімічного елемента Сульфуру 16, тому електронна формула атома S складається із 16 електронів: 1s22s22p63s23p4. Однак заряд йона Сульфуру(-2) показує, що має на два електрони більше, ніж атом Сульфуру, тому число електронів в йоні дорівнює 18. Завдяки однаковій кількості електронів у йона і у атома їх електронні формули () і електронно-графічні схеми двох зовнішніх енергетичних рівнів співпадають (див. попередній приклад)

З порівняння електронних конфігурацій випливає, що атом і йон є ізоелектронними частинками;

в) Порядковий номер хімічного елемента Калію 19, тому атом Калію містить 19 електронів, а йон має на один електрон менше, отже число електронів в йоні дорівнює 18. Таким чином, йон має таку електронну формулу: і таку електронно-графічну схему двох зовнішніх енергетичних рівнів як і попередні два приклади і є частинкою, ізоелектронною атому і йону .

В усіх наведених прикладах розглядаються електронні структури атомів в основному стані. Однак за певних умов (опромінювання, температурний вплив тощо) атоми можуть переходити у збуджений стан. Найчастіше збуджений стан атома виявляється збільшенням кількостей неспарених електронів за рахунок розпаровування спарених електронів, але інколи (особливо при утворенні комплексних сполук), навпаки, зустрічається протилежне явище – неспарені електрони спарюються при переході атома у збуджений стан. Наприклад незбуджений атом Карбону в основному стані має таку будову електронних шарів:

При переході атома С у збуджений стан відбувається розпаровування пари електронів, що містяться на 2s-орбіталі. При цоьму один з електронів перескакує на вільну 2р-орбіталь, завдяки чому утворюються чотири неспарених електрона на зовнішньому електронному шарі:

Збуджений стан атома позначається за допомогою зірочки угорі справа від символу елемента. Наприклад, позначення збудженого стану атома Карбону є таким: С*.

 

4.3  Практична частина.

Приклад 4.5. Розмістіть електрони по квантових комірках для атома деякого елемента з такою конфігурацією зовнішнього електронного шару: 3s23p4.

Розв’язок. Відповідно до правила Хунда на 3s-підрівні розміщуються два спарені два електрони, а три орбіталі 3р-підрівня заповнюються спочатку по одному електрону і тільки після цього четвертий електрон займає вже напівзабудовану орбіталь:

 

Приклад 4.6. Зазначте кількість енергетичних рівнів в атомі елемента з порядковим номером 14. Скільки електронів знаходиться на останньому енергетичному рівні? Скільки електронних пар і неспарених електронів міститься на зовнішньому енергетичному рівні в незбудженому атомі цього елемента? До якої електронної родини належиь цей елемент?

Розв’язок. Атом хімічного елемента з порядковим номером 14 має 14 електронів, які згідно з принципом найменшої енергії та енергетичною шкалою записуються такою електронною формулою: 1s22s22p63s23p2. З формули видно, що електрони в атомі розподіляються по трьох енергетичних рівнях, при цьому зовнішнім рівнем є третій. Для визначення кількості електронних пар і неспареих електронів на зовнішньому енергетичному рівні необхідно скласти електронно-графічну схему, яка має вигляд:

 

 

Як випливає з наведеної електронно-графічної схеми, в атомі на останньому шарі знаходяться чотири електрони, з яких два складають одну електронну пару, а інші два є неспареними. Формуючий електрон міститься на зовнішньому р-підрівні, тому елемент з порядковим номером 14 належить до р-електронної родини.

 


© 2023 СумДУ
created with Lectur'EDbeta