§ 29. Електронна будова атомів

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Чому розміщення електронів в атомі не безладне, а впорядковане?

Електрони розташовуються за принципом мінімальної енергії. Вони послідовно заповнюють енергетичні рівні та підрівні від найменшої енергії до найбільшої. Це забезпечує максимальну стійкість атома.

Як заповнювати енергетичні рівні та підрівні електронами в атомах хімічних елементів і складати електронні формули атомів?

Заповнення починається з першого рівня, найближчого до ядра, де енергія мінімальна. Формулу записують так: номер рівня, літера підрівня ($s,p,d,f$) та кількість електронів як верхній індекс (наприклад, $1s^2$). За принципом Паулі, одна орбіталь вміщує максимум два електрони з протилежними спінами.

Як класифікують хімічні елементи за електронною будовою атомів?

Елементи поділяють на $s$-, $p$-, $d$- та $f$-елементи. Це залежить від того, яка орбіталь останньою заповнюється електронами з найвищою енергією.

Узявши до уваги, що кожний електрон намагається зайняти вільну орбіталь підрівня, а в разі її відсутності «підселяється» в орбіталь до іншого електрона, складіть електронні формули атомів Нітрогену, Оксигену, Флуору та Неону, а також зобразіть графічні варіанти цих формул.

Нітроген ($N$): $1s^{2}2s^{2}2p^3$

Графічна формула:

Оксиген ($O$): $1s^{2}2s^{2}2p^4$

Графічна формула:

Флуор ($F$): $1s^{2}2s^{2}2p^5$

Графічна формула:

Неон ($Ne$): $1s^{2}2s^{2}2p^6$

Графічна формула:

Запропонуйте гіпотезу щодо того, чому розміри атомів хімічних елементів у періоді зменшуються, а не збільшуються.

У періоді зліва направо заряд ядра зростає. Кількість енергетичних рівнів не змінюється, але ядро сильніше притягує зовнішні електрони. Тому радіус атома зменшується.

Складіть електронні формули атомів решти хімічних елементів 3-го періоду.

Електронні формули елементів 3-го періоду (від Магнію до Аргону):

• Магній (${}_{12}Mg$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^2$
• Алюміній (${}_{13}Al$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^1$
• Силіцій (${}_{14}Si$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^2$
• Фосфор (${}_{15}P$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^3$
• Сульфур (${}_{16}S$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^4$
• Хлор (${}_{17}Cl$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5$
• Аргон (${}_{18}Ar$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^6$

Запишіть електронну формулу атома елемента № 20 Кальцію.

Формула атома Кальцію ($Ca$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^2$.

До s- чи p-елементів належать Сульфур, Барій, Калій, Неон, Йод?

• $s$-елементи: Барій ($Ba$), Калій ($K$).
• $p$-елементи: Сульфур ($S$), Неон ($Ne$), Йод ($I$).

Назвіть неметалічні елементи 1—2-го періодів, які є винятками (щодо кількості зовнішніх електронів).

До винятків серед неметалів належать Гідроген ($H$, 1 електрон), Гелій ($He$, 2 електрони) та Бор ($B$, 3 електрони). Вони мають менше чотирьох електронів на зовнішньому рівні, що нетипово для неметалічних елементів.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про особливості електронної будови атомів хімічних елементів № 1—20 і послідовність заповнення електронами орбіталей у цих атомах.

Висновки щодо електронної будови атомів № 1—20:

1. Електрони заповнюють орбіталі за принципом мінімальної енергії: $1s\to 2s\to 2p\to 3s\to 3p\to 4s$.
2. Кількість енергетичних рівнів відповідає номеру періоду елемента.
3. Кількість електронів на зовнішньому рівні в елементах головних підгруп дорівнює номеру групи (крім Гелію).
4. Одна орбіталь містить максимум два електрони з протилежними спінами. На $p$-підрівні електрони спочатку розташовуються по одному у вільних орбіталях (правило Гунда).
5. За останньою заповненою орбіталлю елементи поділяють на $s$- та $p$-елементи.

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 в атомі Карбону на другому енергетичному рівні займають різні $p$-орбіталі, а не спаровуються в одній?»

Правильна відповідь: Електрони мають однаковий негативний заряд і відштовхуються. Розташування на різних орбіталях одного підрівня віддаляє їх. Це знижує енергію атома та підвищує його стійкість (правило Гунда).

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

309. Назвіть хімічний елемент, атом якого має таку електронну формулу: а) $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^2$; б) \[He\]2s^2 2p^5; в) \[Ar\]4s^2.

• а) Силіцій ($Si$, протонне число 14).
• б) Флуор ($F$, протонне число 9).
• в) Кальцій ($Ca$, протонне число 20).

310. Атом на другому енергетичному рівні має 6 електронів. Скільки серед них спарених, а скільки — неспарених?

Конфігурація другого рівня — $2s^{2}2p^4$. Графічний розподіл: $2s$ [⇅], $2p$ [⇅][↑][↑]. Серед шести електронів є чотири спарені (дві пари) і два неспарені.

311. Атоми яких елементів 2-го періоду мають один неспарений електрон, два неспарені електрони?

• Один неспарений електрон: Літій ($Li$, $2s^1$), Бор ($B$, $2p^1$), Флуор ($F$, $2p^5$).
• Два неспарені електрони: Карбон ($C$, $2p^2$), Оксиген ($O$, $2p^4$).

312. Укажіть хімічний елемент, електронну будову атома якого описує така графічна формула (варіанти а, б).

а) Електронна конфігурація: $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^1$. Загальна кількість електронів: 13. Це Алюміній ($Al$).

б) Електронна конфігурація: $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^4$. Загальна кількість електронів: 16. Це Сульфур ($S$).

АНАЛІЗУЙМО

313. Укажіть помилки в електронних формулах атомів: а) $1s^{2}2s^{3}2p^1$; б) \[Ar\]3s^2 3p^2; в) $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}3p^4$.

• а) $s$-орбіталь вміщує максимум два електрони. Правильний запис: $2s^2$.
• б) Аргон завершує 3-й період ($3s^{2}3p^6$). Використання \[Ar\] тут неможливе. Для Силіцію правильний запис: \[Ne\]3s^2 3p^2.
• в) Підрівень $3s$ має бути заповнений повністю ($3s^2$) перед початком заповнення $3p$. Правильно: $\dots 3s^{2}3p^3$.

У КОМАНДІ

314. Скориставшись періодичною таблицею, з’ясуйте: а) яких елементів більше — p-елементів чи d-елементів; б) які елементи — металічні чи неметалічні — переважають серед s-елементів, p-елементів.

• а) $d$-елементів більше (40), ніж $p$-елементів (36).
• б) Серед $s$-елементів переважають метали. Серед $p$-елементів більшість становлять неметали.

ПОМІРКУЙМО

315. Назвіть два елементи, в атомах яких кількість електронів у всіх s-орбіталях така сама, що й у р-орбіталях.

1. Оксиген ($O$): $1s^{2}2s^{2}2p^4$ (4 $s$-електрони та 4 $p$-електрони).
2. Магній ($Mg$): $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^2$ (6 $s$-електронів та 6 $p$-електронів).

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

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

• Електронна будова атома — electronic structure of an atom
• Енергетичний рівень — energy level
• Підрівень — sublevel
• $s$-орбіталь — s-orbital
• $p$-орбіталь — p-orbital
• Електронна формула (конфігурація) — electron configuration
• Принцип мінімальної енергії — minimum energy principle
• Зовнішні електрони — outer (valence) electrons

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

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

Приклад таблиці самооцінювання: