Текст учебника. Урок 9. Строение электронных оболочек атомов.

Строение электронных оболочек атомов

Как вы уже знаете, атом состоит из ядра и электронов. Но электроны не движутся хаотично, подобно рою пчел. Они располагаются в строго определенных областях вокруг ядра, образуя электронную оболочку атома. Сегодня мы узнаем, как устроена эта оболочка и научимся составлять ее схему для любого из первых двадцати элементов.

1. Электронная оболочка и энергетические уровни

Электронная оболочка — это совокупность всех электронов в атоме, движущихся вокруг его ядра. Именно размеры электронной оболочки определяют размер самого атома.

Однако не все электроны в оболочке одинаковы. Электроны, обладающие близким запасом энергии, образуют энергетические уровни (или слои). Представьте себе многоэтажный дом:

• Ядро — это фундамент и подвал.

• Энергетические уровни — это этажи дома.

• Электроны — это жильцы, которые живут на этих этажах.

Чем дальше уровень от ядра, тем большей энергией обладают находящиеся на нем электроны.

Уровни нумеруются, начиная с самого близкого к ядру:

• 1-й уровень (ближайший, с самой низкой энергией) — K-слой

• 2-й уровень — L-слой

• 3-й уровень — M-слой

• 4-й уровень — N-слой
  и так далее.

2. Сколько электронов помещается на уровне?

На каждом «этаже»-уровне есть ограниченное количество «квартир» — мест для электронов. Чем выше уровень (чем дальше от ядра), тем он больше и тем больше электронов может на нем разместиться.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне можно рассчитать по формуле:

N = 2n²

где n — номер уровня.

Давайте рассчитаем максимальную вместимость первых четырех уровней, составив таблицу.

 

 

Номер уровня	Обозначение уровня	Расчет по формуле N = 2n²	Максимальное число электронов
1	K	2 × (1)²	2
2	L	2 × (2)²	8
3	M	2 × (3)²	18
4	N	2 × (4)²	32

Запомните эту таблицу! Для работы с первыми 20 элементами нам особенно важно знать, что на первом уровне может быть не более 2 электронов, а на втором — не более 8.

3. Как заполняются уровни? Правило «минимума энергии»

Электроны в атоме стремятся занять положение с самой низкой энергией. Это значит, что они в первую очередь «заселяют» уровни, расположенные ближе к ядру.

Порядок заполнения электронных уровней:

1. Сначала заполняется K-слой (1-й уровень, до 2 электронов).

2. Затем начинает заполняться L-слой (2-й уровень, до 8 электронов).

3. После этого заполняется M-слой (3-й уровень).

4. И так далее.

Это правило называется принципом минимума энергии.

4. Составляем схему строения электронной оболочки (Алгоритм)

Чтобы составить схему электронной оболочки любого атома, выполните следующие шаги.

Шаг 1. Определите общее число электронов в атоме.

• Вспомните, что атом электронейтрален.

• Его порядковый номер (Z) в Периодической системе Д.И. Менделеева равен:

  • числу протонов в ядре,

  • и, что для нас сейчас важно, общему числу электронов.

Шаг 2. Заполняйте уровни последовательно, начиная с первого.

• Заполните первый уровень (максимум 2 электрона).

• Если электроны остались, переходите ко второму уровню (максимум 8 электронов).

• Если электроны еще остались, переходите к третьему уровню.

Шаг 3. Запишите полученную схему.
Схему принято записывать в виде: 1)2 2)8 3)1, где цифра до скобки — номер уровня, а цифра после скобки — число электронов на этом уровне.

Примеры разбора

Пример 1: Азот (N)

1. Порядковый номер азота Z = 7. Значит, в атоме 7 электронов.

2. Заполняем уровни:

   • 1-й уровень: занимаем 2 электрона. Осталось: 7 - 2 = 5.

   • 2-й уровень: занимаем оставшиеся 5 электронов.

3. Схема строения электронной оболочки азота: 1)2 2)5

Пример 2: Натрий (Na)

1. Порядковый номер натрия Z = 11. Значит, в атоме 11 электронов.

2. Заполняем уровни:

   • 1-й уровень: 2 электрона. Осталось: 11 - 2 = 9.

   • 2-й уровень: 8 электронов. Осталось: 9 - 8 = 1.

   • 3-й уровень: 1 электрон.

3. Схема строения электронной оболочки натрия: 1)2 2)8 3)1

Пример 3: Кальций (Ca)

1. Порядковый номер кальция Z = 20. Значит, в атоме 20 электронов.

2. Заполняем уровни:

   • 1-й уровень: 2 электрона.

   • 2-й уровень: 8 электронов.

   • 3-й уровень: 8 электронов. Осталось: 20 - (2+8+8) = 2.

   • 4-й уровень: 2 электрона.

3. Схема строения электронной оболочки кальция: 1)2 2)8 3)8 4)2

Ключевые выводы

1. Электроны в атоме располагаются на энергетических уровнях (слоях).

2. Максимальное число электронов на уровне вычисляется по формуле N = 2n².

3. Уровни заполняются электронами последовательно, начиная с самого близкого к ядру, согласно принципу минимума энергии.

4. Умение составлять схемы строения электронных оболочек — это первый шаг к пониманию того, почему атомы разных элементов имеют разные свойства и как они соединяются друг с другом, образуя вещества.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Дайте определения: электронная оболочка, энергетический уровень.

2. Как рассчитать максимальное число электронов на 3-м энергетическом уровне?

3. Объясните, в каком порядке заполняются электронами энергетические уровни.

4. Составьте схемы строения электронных оболочек для атомов: а) Лития (Li, Z=3); б) Углерода (C, Z=6); в) Кислорода (O, Z=8); г) Алюминия (Al, Z=13); д) Аргона (Ar, Z=18).

5. Подумайте: Атом какого элемента имеет схему строения электронной оболочки: 1)2 2)4? Что общего в схемах атомов Лития (Li) и Натрия (Na)?