§ 28. Електрон. Атомні орбіталі. Енергія електронів в атомі

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Чому планетарна модель атома потребувала коригування?

Модель не враховувала природу електрона: неможливо одночасно визначити його точну траєкторію та координати у просторі.

Однакову чи різну енергію мають електрони в атомі?

Електрони мають різну енергію, яка залежить від енергетичного рівня: чим ближче електрон до ядра, тим менша його енергія.

Який запис називають електронною формулою атома?

Електронна формула відображає розподіл електронів в атомі. Вона містить цифри (номер енергетичного рівня), літери (тип орбіталі або підрівень) та верхні індекси (кількість електронів на підрівні, наприклад, $1s^2$).

Чим орбіталь відрізняється від орбіти?

Орбіталь — це простір найімовірнішого перебування електрона. Орбіта ж означає рух за чіткою траєкторією, що суперечить сучасній моделі атома.

Атом якого хімічного елемента має електронну формулу, наведену на малюнку 77?

Формулу $1s^1$ має атом Гідрогену.

1. Яка максимальна кількість електронів може перебувати на 3s-підрівні, 3p-підрівні, 3d-підрівні?

На $3s$-підрівні — до $2$ електронів, на $3p$ — до $6$, на $3d$ — до $10$ електронів.

2. Скільки d-орбіталей належить третьому енергетичному рівню?

Третьому енергетичному рівню належать $5$ $d$-орбіталей.

Запишіть електронну формулу третього енергетичного рівня, цілком заповненого електронами, а також зобразіть її графічний варіант.

Електронна формула заповненого третього рівня: $3s^2 3p^6 3d^{10}$.

Графічний варіант:
$$ 3d \ \boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow} $$
$$ 3p \ \boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow} $$
$$ 3s \ \boxed{\uparrow\downarrow} $$

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про електрон, енергію електронів та їх розміщення в атомах.

Електрон — частинка, точну траєкторію якої визначити неможливо. Зона його найімовірнішого перебування — орбіталь. Енергія електрона залежить від відстані до ядра: що ближче орбіталь, то менша енергія. Електрони розподіляються по рівнях і підрівнях ($s, p, d, f$) за принципом мінімальної енергії, заповнюючи спочатку найближчі до ядра.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Запитання: «Чому електрони на $3s$-підрівні мають трохи меншу енергію, ніж електрони на $3p$-підрівні того самого рівня?»

Відповідь однокласників щодо різної форми орбіталей правильна. Сферична $s$-орбіталь компактніша та енергетично вигідніша за гантелеподібну $p$-орбіталь. Оцінка висока, терміни використано доречно, тема засвоєна добре.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

298. Чим електрон відрізняється від фізичного тіла?

Для електрона неможливо одночасно визначити точні координати та траєкторію руху.

299. Яку частину атома називають орбіталлю? Охарактеризуйте форми s- і p-орбіталей та їх розміщення в атомі.

Орбіталь — простір з найвищою ймовірністю перебування електрона. $s$-орбіталі мають форму сфери з ядром у центрі. $p$-орбіталі — гантелеподібні, розміщені перпендикулярно одна до одної вздовж осей $x, y, z$.

300. Узгодьте кожне позначення з його змістом:

1. $$ \boxed{\phantom{\uparrow}}$$ (г).
2. $$ \boxed{\uparrow}$$ (в).
3. $$ \boxed{\uparrow\downarrow}$$ (а), спареним електронам (б) та електронам з протилежними спінами (д).

301. Енергія якого електрона менша — розміщеного в p-орбіталі 2-го енергетичного рівня чи в s-орбіталі 3-го енергетичного рівня?

Меншу енергію має електрон на $2p$-орбіталі, оскільки другий енергетичний рівень ближчий до ядра, ніж третій.

ПОРІВНЯЙМО

302. Назвіть характеристики, за якими один електрон може відрізнятися від іншого.

Електрони відрізняються енергією, формою орбіталі ($s, p, d, f$), її просторовою орієнтацією та напрямком спіну.

АНАЛІЗУЙМО

303. Чому в позначенні s-орбіталі немає індексу (наприклад, sx)?

Індексу немає через сферичну форму $s$-орбіталі. Сфера симетрична відносно ядра і не має конкретної просторової орієнтації за осями координат, на відміну від $p$-орбіталей.

304. Проаналізуйте твердження. Чи є з-поміж них правильні? І. Електрони атома, які перебувають в орбіталях однакової форми та об’єму, мають однакову енергію. ІІ. Максимальна кількість електронів на кожному енергетичному рівні та підрівні є парною. А. Правильне лише І. Б. Правильне лише ІІ. В. Обидва правильні. Г. Немає правильних.

Правильний варіант — В, обидва твердження істинні:

1. Електрони на однакових орбіталях одного рівня (наприклад, $2p_x, 2p_y, 2p_z$) мають рівну енергію.
2. Максимальна кількість електронів на рівні ($2n^2$) та підрівні (кількість орбіталей × 2) завжди парна.

ПОМІРКУЙМО

305. Який запис, на вашу думку, надає більше інформації про електрони, що містяться в атомі — електронна формула чи її графічний варіант? Чому?

Графічний варіант інформативніший. Він показує розподіл електронів по орбіталях (квантових комірках), кількість спарених і неспарених електронів та напрямок спінів. Це ключове для розуміння хімічних властивостей.

306. Серед указаних підрівнів назвіть ті, які в атомі неможливі: 6p, 2d, 1p, 5s.

Неможливі підрівні — 1p та 2d.

• Перший рівень ($n=1$) має лише $s$-підрівень.
• Другий рівень ($n=2$) містить лише $s$- та $p$-підрівні. $d$-підрівень починається з третього рівня.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

307. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

Ключові терміни:

• Електрон (electron)
• Атомна орбіталь (atomic orbital)
• Електронна хмара (electron cloud)
• Енергетичний рівень (energy level)
• Підрівень (sublevel)
• Спін (spin)
• Електронна формула (electron configuration)
• Графічна електронна формула (orbital diagram)
• Принцип мінімальної енергії (aufbau principle)
• Неспарений електрон (unpaired electron)

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

308. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

Таблиця оцінювання результатів вивчення теми «Електрон. Атомні орбіталі. Енергія електронів в атомі»: