Что такое внешний уровень в химии. Урок «Изменение числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов
>> Химия: Изменение числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов Каждый период системы элементов Д. И. Менделеева заканчивается инертным газом.
Самым распространенным из инертных (благородных) газов в атмосфере Земли является аргон, который удалось выделить в чистом виде раньше других аналогов. В чем причина инертности гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона? В том, что у атомов инертных газов на внешних, самых удаленных от ядра уровнях находится восемь электронов (у гелия - два). Восемь электронов иа инешнем уровне - предельное число для каждого элемента Периодической системы, кроме водорода и гелия. Это своеобразный идеал прочности энергетического уровня, к которому стремятся атомы всех остальных элементов Периодической системы.
Добиваться такого положения электронов атомы могут двумя нутями: отдавая электроны с внешнего уровня (в этом случае внешний незавершенный уровень исчезает, а предпоследний, который был завершен в предыдущем периоде, становится внешним) или принимая электроны, которых не хватает до заветной восьмерки. Атомы, имеющие ни внешнем уровне меньшее число электронов, отдают их атомам, у которых на внешнем уровне больше электронов. Легко отдать один электрон, когда он единственный на внешнем уровне, атомам элементов главной подгруппы I группы. Труднее отдавать два электрона, например, атомям элементов главной подгруппы II группы. Еще труднее отдавать свои три внешних электрона атомам элементов III группы. Тенденцию к отдаче электронов с внешнего уровня имеют атомы металлов. И чем легче атомы элемента-металла отдают свои внешние электроны, тем в большей степени выражены у него металлические свойства. Понятно поэтому, что наиболее типичными металлами в Периодической системе являются элементы главной подгруппы I группы. Из сказанного можно сделать следующий вывод.
В пределах периода с ростом заряда атомного ядра, а соответственно, и с ростом числа внешних злектронов металлические свойства химических элементов уменьшаются. Неметаллические свойства, характеризующиеся легкостью принятия электронов на внешний уровень, при этом усиливаются.
Наиболее типичными неметаллами являются элементы главной подгруппы VII группы. На внешнем уровне атомов этих элементов находятся семь электронов. До восьми электронов на внешнем уровне, то есть до устойчивого состояния атомов им нс хватает по одному электрону. Они легко их присоединяют, проявляя неметаллические свойства.
А как ведут себя атомы элементов главной подгруппы IV группы? Ведь у них на внешнем уровне четыре электрона и им. казалось бы. все равно, отдать или принять четыре электрона . Выяснилось, что на способность атомов отдавать или принимать электроны оказывает влияние не только число электронов на внешнем уровне, но и такал важная характеристика атома, как его радиус. В пределах периода число энергетических уровней у атомов химических элементов не меняется, оно одинаково, а вот радиус уменьшается, так как растет положительный заряд ядра (число протонов в нем). Вследствие этого притяжение электронов к ядру усиливается, и радиус атома уменьшается, атом как бы сжимается. Поэтому становится все труднее отдать внешние электроны и, наоборот, все легче принять недостающие до восьми электроны.
В пределах одной и той же подгруппы радиус атома растет с увеличением заряда атомного ядра, так как при постоянном числе электронов на внешнем уровне (он равен номеру группы) растет число энергетических уровней (оно равно номеру периода). Поэтому атому становится все легче отдать внешние электроны.
В пределах одного и того же периода металлические свойства уменьшаются, а номстлл лические -увеличиваются, так как:
а) увеличиваются заряды атомных ядер;
б) растет число электронов на внешнем уровне
Малюгина О.В. Лекция 14. Внешний и внутренний энергетический уровни. Завершенность энергетического уровня.
Вспомним вкратце, что мы уже знаем о строении электронной оболочки атомов:
число энергетических уровней атома = номеру периода, в котором находится элемент;
максимальная емкость каждого энергетического уровня вычисляется по формуле 2n 2
внешняя энергетическая оболочка не может содержать для элементов 1 периода более 2-х электронов, для элементов других периодов более 8 электронов
Еще раз вернемся к анализу схемы заполнения энергетических уровней у элементов малых периодов:
Таблица1.Заполнение энергетических уровней
у элементов малых периодов
|
Номер периода |
Количество энергетических уровней = номеру периода |
Символ элемента, его порядковый номер |
Общее количество электронов |
Распределение электронов по энергетическим уровням |
Номер группы |
|
|
Н +1 ) 1 |
+1 Н, 1е - |
|||||
|
Н e + 2 ) 2 |
+2 Не, 2е - |
|||||
|
Li + 3 ) 2 ) 1 |
+ 3 Li , 2е - , 1е - |
|||||
|
Ве +4 ) 2 ) 2 |
+ 4 Be , 2е - , 2 е - |
|||||
|
В +5 ) 2 ) 3 |
+5 В, 2е - , 3е - |
|||||
|
С +6 ) 2 ) 4 |
+6 С, 2е - , 4е - |
|||||
|
N + 7 ) 2 ) 5 |
+ 7 N , 2е - , 5 е - |
|||||
|
O + 8 ) 2 ) 6 |
+ 8 O , 2е - , 6 е - |
|||||
|
F + 9 ) 2 ) 7 |
+ 9 F , 2е - , 7 е - |
|||||
|
Ne + 10 ) 2 ) 8 |
+ 10 Ne , 2е - , 8 е - |
|||||
|
Na + 11 ) 2 ) 8 ) 1 |
+1 1 Na , 2е - , 8е - , 1e - |
|||||
|
Mg + 12 ) 2 ) 8 ) 2 |
+1 2 Mg , 2е - , 8е - , 2 e - |
|||||
|
Al + 13 ) 2 ) 8 ) 3 |
+1 3 Al , 2е - , 8е - , 3 e - |
|||||
|
Si + 14 ) 2 ) 8 ) 4 |
+1 4 Si , 2е - , 8е - , 4 e - |
|||||
|
P + 15 ) 2 ) 8 ) 5 |
+1 5 P , 2е - , 8е - , 5 e - |
|||||
|
S + 16 ) 2 ) 8 ) 6 |
+1 5 P , 2е - , 8е - , 6 e - |
|||||
|
C l + 17 ) 2 ) 8 ) 7 |
+1 7 Cl , 2е - , 8е - , 7 e - |
|||||
|
18 Ar |
Ar + 18 ) 2 ) 8 ) 8 |
+1 8 Ar , 2е - , 8е - , 8 e - |
||||
Проанализируйте таблицу 1. Сравните число электронов на последнем энергетическом уровне и номер группы, в которой находится химический элемент.
Заметили ли Вы, что число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов совпадает с номером группы , в которой находится элемент (исключение составляет гелий)?
!!! Это правило справедливо только для элементов главных подгрупп.
Каждый период системы Д.И. Менделеева заканчивается инертным элементом (гелий He, неон Ne, аргон Ar). Внешний энергетический уровень этих элементов содержит максимально возможное число электронов: гелий -2, остальные элементы – 8. Это элементы VIII группы главной подгруппы. Энергетический уровень, схожий со строением энергетического уровня инертного газа, называют завершенным . Это своеобразный предел прочности энергетического уровня для каждого элемента Периодической системы. Молекулы простых веществ – инертных газов состоят из одного атома и отличаются химической инертностью, т.е. практически не вступают в химические реакции.
У остальных элементов ПСХЭ энергетический уровень отличается от энергетического уровня инертного элемента, такие уровни называют незавершенными . Атомы этих элементов стремятся к завершению внешнего энергетического уровня, отдавая или принимая электроны.
Вопросы для самоконтроля
Какой энергетический уровень называется внешним?
Какой энергетический уровень называется внутренним?
Какой энергетический уровень называется завершенным?
Элементы какой группы и подгруппы имеют завершенный энергетический уровень?
Чему равно число электронов на внешнем энергетическом уровне элементов главных подгрупп?
Чем схожи по строению электронного уровня элементы одной главной подгруппы
Сколько электронов на внешнем уровне содержат элементы а) IIA группы;
б) IVA группы; в) VII A группы
Посмотреть ответ
Последний
Любой, кроме последнего
Тот, который содержит максимальное число электронов. А также внешний уровень, если он содержит 8 электронов для I периода - 2 электрона.
Элементы VIIIA группы (инертные элементы)
Номеру группы, в которой находится элемент
У всех элементов главных подгрупп на внешнем энергетическом уровне содержится столько электронов, каков номер группы
а) у элементов IIA группы на внешнем уровне 2 электрона; б) у элементов IVA группы – 4 электрона; в) у элементов VII A группы – 7 электронов.
Задания для самостоятельного решения
Определите элемент по следующим признакам: а) имеет 2 электронных уровня, на внешнем – 3 электрона; б) имеет 3 электронных уровня, на внешнем – 5 электронов. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням этих атомов.
Какие два атома имеют одинаковое число заполненных энергетических уровней?
а) натрий и водород; б) гелий и водород; в) аргон и неон г) натрий и хлор
Сколько электронов находится на внешнем энергетическом уровне магния?
Сколько электронов содержится в атоме неона?
Какие два атома имеют одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне: а) натрий и магний; б) кальций и цинк; в) мышьяк и фосфор г) кислород и фтор.
На внешнем энергетическом уровне атома серы электронов: а) 16; б) 2; в) 6 г) 4
Что общего у атомов серы и кислорода: а) число электронов; б) число энергетических уровней в) номер периода г) число электронов на внешнем уровне.
Что общего у атомов магния и фосфора: а) число протонов; б) число энергетических уровней в) номер группы г) число электронов на внешнем уровне.
Выберите элемент второго периода, у которого на внешнем уровне находится один электрон: а) литий; б) бериллий; в) кислород; г) натрий
На внешнем уровне атома элемента третьего периода находится 4 электрона. Укажите этот элемент: а) натрий; б) углерод в) кремний г) хлор
В атоме 2 энергетических уровня, находится 3 электрона. Укажите этот элемент: а) алюминий; б) бор в) магний г) азот
Посмотреть ответ :
1. а) Установим «координаты» химического элемента: 2 электронных уровня – II период; 3 электрона на внешнем уровне – III А группа. Это бор 5 B. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2е - , 3е -
б) III период, VА группа, элемент фосфор 15 Р. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2е - , 8е - , 5е -
2. г) натрий и хлор.
Пояснение : а) натрий: +11 ) 2 ) 8 ) 1 (заполненных 2) ←→ водород: +1) 1
б) гелий: +2 ) 2 (заполненых 1) ←→ водород: водород: +1) 1
в) гелий: +2 ) 2 (заполненных 1) ←→ неон: +10 ) 2 ) 8 (заполненных 2)
*г) натрий: +11 ) 2 ) 8 ) 1 (заполненных 2) ←→ хлор: +17 ) 2 ) 8 ) 7 (заполненных 2)
4. Десять. Число электронов = порядковому номеру
в) мышьяк и фосфор. Одинаковое число электронов имеют атомы, расположенные в одной подгруппе.
Пояснения:
а) натрий и магний (в разных группах); б) кальций и цинк (в одной группе, но разных подгруппах) ; * в) мышьяк и фосфор (в одной, главной, подгруппе) г) кислород и фтор (в разных группах).
7. г) число электронов на внешнем уровне
8. б) число энергетических уровней
9. а) литий (находится в IA группе II периода)
10. в) кремний (IVA группа, III период)
11. б) бор (2 уровня - II период , 3 электрона на внешнем уровне – IIIA группа )
Малюгина 14. Внешний и внутренний энергетический уровни. Завершенность энергетического уровня.
Вспомним вкратце, что мы уже знаем о строении электронной оболочки атомов:
ü число энергетических уровней атома = номеру периода, в котором находится элемент;
ü максимальная емкость каждого энергетического уровня вычисляется по формуле 2n2
ü внешняя энергетическая оболочка не может содержать для элементов 1 периода более 2-х электронов, для элементов других периодов более 8 электронов
Еще раз вернемся к анализу схемы заполнения энергетических уровней у элементов малых периодов:
Таблица1.Заполнение энергетических уровней
у элементов малых периодов
Номер периода | Количество энергетических уровней = номеру периода | Символ элемента, его порядковый номер | Общее количество электронов | Распределение электронов по энергетическим уровням | Номер группы |
|
|
Н +1 )1 | +1 Н, 1е- | |||||
|
Н e + 2 ) 2 | +2 Не, 2е- | |||||
|
Li + 3 ) 2 ) 1 | + 3 Li , 2е-, 1е- | |||||
|
Ве +4 ) 2 )2 | + 4 Be , 2е-, 2 е- | |||||
|
В +5 ) 2 )3 | +5 В, 2е-, 3е- | |||||
|
С +6 ) 2 )4 | +6 С, 2е-, 4е- | |||||
|
N + 7 ) 2 ) 5 | + 7 N , 2е-, 5 е- | |||||
|
O + 8 ) 2 ) 6 | + 8 O , 2е-, 6 е- | |||||
|
F + 9 ) 2 ) 7 | + 9 F , 2е-, 7 е- | |||||
|
Ne + 10 ) 2 ) 8 | + 10 Ne , 2е-, 8 е - | |||||
|
Na + 11 ) 2 ) 8 )1 | +1 1 Na , 2е-, 8е-, 1e- | |||||
|
Mg + 12 ) 2 ) 8 )2 | +1 2 Mg , 2е-, 8е-, 2 e- | |||||
|
Al + 13 ) 2 ) 8 )3 | +1 3 Al , 2е-, 8е-, 3 e- | |||||
|
Si + 14 ) 2 ) 8 )4 | +1 4 Si , 2е-, 8е-, 4 e- | |||||
|
P + 15 ) 2 ) 8 )5 | +1 5 P , 2е-, 8е-, 5 e- | |||||
|
S + 16 ) 2 ) 8 )6 | +1 5 P , 2е-, 8е-, 6 e- | |||||
|
Cl + 17 ) 2 ) 8 )7 | +1 7 Cl , 2е-, 8е-, 7 e- | |||||
18 Ar |
Ar + 18 ) 2 ) 8 )8 | +1 8 Ar , 2е-, 8е-, 8 e- |
Проанализируйте таблицу 1. Сравните число электронов на последнем энергетическом уровне и номер группы, в которой находится химический элемент.
Заметили ли Вы, что число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов совпадает с номером группы , в которой находится элемент (исключение составляет гелий)?
!!! Это правило справедливо только для элементов главных подгрупп.
Каждый период системы заканчивается инертным элементом (гелий He, неон Ne, аргон Ar). Внешний энергетический уровень этих элементов содержит максимально возможное число электронов: гелий -2, остальные элементы – 8. Это элементы VIII группы главной подгруппы. Энергетический уровень, схожий со строением энергетического уровня инертного газа, называют завершенным . Это своеобразный предел прочности энергетического уровня для каждого элемента Периодической системы. Молекулы простых веществ – инертных газов состоят из одного атома и отличаются химической инертностью, т. е. практически не вступают в химические реакции.
У остальных элементов ПСХЭ энергетический уровень отличается от энергетического уровня инертного элемента, такие уровни называют незавершенными . Атомы этих элементов стремятся к завершению внешнего энергетического уровня, отдавая или принимая электроны.
Вопросы для самоконтроля
1. Какой энергетический уровень называется внешним?
2. Какой энергетический уровень называется внутренним?
3. Какой энергетический уровень называется завершенным?
4. Элементы какой группы и подгруппы имеют завершенный энергетический уровень?
5. Чему равно число электронов на внешнем энергетическом уровне элементов главных подгрупп?
6. Чем схожи по строению электронного уровня элементы одной главной подгруппы
7. Сколько электронов на внешнем уровне содержат элементы а) IIA группы;
б) IVA группы; в) VII A группы
Посмотреть ответ
1. Последний
2. Любой, кроме последнего
3. Тот, который содержит максимальное число электронов. А также внешний уровень, если он содержит 8 электронов для I периода - 2 электрона.
4. Элементы VIIIA группы (инертные элементы)
5. Номеру группы, в которой находится элемент
6. У всех элементов главных подгрупп на внешнем энергетическом уровне содержится столько электронов, каков номер группы
7. а) у элементов IIA группы на внешнем уровне 2 электрона; б) у элементов IVA группы – 4 электрона; в) у элементов VII A группы – 7 электронов.
Задания для самостоятельного решения
1. Определите элемент по следующим признакам: а) имеет 2 электронных уровня, на внешнем – 3 электрона; б) имеет 3 электронных уровня, на внешнем – 5 электронов. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням этих атомов.
2. Какие два атома имеют одинаковое число заполненных энергетических уровней?
Посмотреть ответ :
1. а) Установим «координаты» химического элемента: 2 электронных уровня – II период; 3 электрона на внешнем уровне – III А группа. Это бор 5B. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2е-, 3е-
б) III период, VА группа, элемент фосфор 15Р. Схема распределения электронов по энергетическим уровням: 2е-, 8е-, 5е-
2. г) натрий и хлор.
Пояснение : а) натрий: +11 )2)8 )1 (заполненных 2) ←→ водород: +1)1
б) гелий: +2 )2 (заполненых 1) ←→ водород: водород: +1)1
в) гелий: +2 )2 (заполненных 1) ←→ неон: +10 )2)8 (заполненных 2)
*г) натрий: +11 )2)8 )1 (заполненных 2) ←→ хлор: +17 )2)8 )7 (заполненных 2)
4. Десять. Число электронов = порядковому номеру
5 в) мышьяк и фосфор. Одинаковое число электронов имеют атомы, расположенные в одной подгруппе.
Пояснения:
а) натрий и магний (в разных группах); б) кальций и цинк (в одной группе, но разных подгруппах) ; * в) мышьяк и фосфор (в одной, главной, подгруппе) г) кислород и фтор (в разных группах).
7. г) число электронов на внешнем уровне
8. б) число энергетических уровней
9. а) литий (находится в IA группе II периода)
10. в) кремний (IVA группа, III период)
11. б) бор (2 уровня - II период , 3 электрона на внешнем уровне – IIIA группа )
Е.Н.ФРЕНКЕЛЬ
Самоучитель по химии
Пособие для тех, кто не знает, но хочет узнать и понять химию
Часть I. Элементы общей химии
(первый уровень сложности)
Продолжение. Начало см. в № 13, 18, 23/2007
Глава 3. Элементарные сведения о
строении атома.
Периодический закон Д.И.Менделеева
В с п о м н и т е, что такое атом, из чего состоит атом, изменяется ли атом в химических реакциях.
Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Число электронов в ходе химических процессов может изменяться, но заряд ядра всегда остается неизменным . Зная распределение электронов в атоме (строение атома), можно предсказать многие свойства данного атома, а также свойства простых и сложных веществ, в состав которых он входит.
Строение атома, т.е. состав ядра и распределение электронов вокруг ядра, несложно определить по положению элемента в периодической системе.
В периодической системе Д.И.Менделеева химические элементы располагаются в определенной последовательности. Эта последовательность тесно связана со строением атомов этих элементов. Каждому химическому элементу в системе присвоен порядковый номер , кроме того, для него можно указать номер периода, номер группы, вид подгруппы.
Спонсор публикации статьи интернет-магазин "Мегамех". В магазине Вы найдёте изделия из меха на любой вкус - куртки, жилетки и шубы из лисы , нутрии, кролика, норки, чернобурки, песца. Компания также предлагает Вам приобрести элитные меховые изделия и воспользоваться услугами индивидуального пошива. Меховые изделия оптом и в розницу - от бюджетной категории до класса люкс, скидки до 50%, гарантия 1 год, доставка по Украине, России, СНГ и странам Евросоюза, самовывоз из шоу-рума в г.Кривой Рог, товары от ведущих производителей Украины, России, Турции и Китая. Посмотреть каталог товаров, цены, контакты и получить консультацию Вы сможете на сайте, который располагается по адресу: "megameh.com".
Зная точный «адрес» химического элемента – группу, подгруппу и номер периода, можно однозначно определить строение его атома.
Период – это горизонтальный ряд химических элементов. В современной периодической системе семь периодов. Первые три периода – малые , т.к. они содержат 2 или 8 элементов:
1-й период – Н, Не – 2 элемента;
2-й период – Li … Nе – 8 элементов;
3-й период – Na ... Аr – 8 элементов.
Остальные периоды – большие . Каждый из них содержит 2–3 ряда элементов:
4-й период (2 ряда) – K ... Kr – 18 элементов;
6-й период (3 ряда) – Сs ... Rn – 32 элемента. В этот период входит ряд лантаноидов.
Группа – вертикальный ряд химических элементов. Всего групп восемь. Каждая группа состоит из двух подгрупп: главной подгруппы и побочной подгруппы . Например:
Главную подгруппу образуют химические элементы малых периодов (например, N, P) и больших периодов (например, As, Sb, Bi).
Побочную подгруппу образуют химические
элементы только больших периодов (например, V, Nb,
Ta).
Визуально эти подгруппы различить легко. Главная подгруппа «высокая», она начинается с 1-го или 2-го периода. Побочная подгруппа – «низкая», начинается с 4-го периода.
Итак, каждый химический элемент периодической системы имеет свой адрес: период, группу, подгруппу, порядковый номер.
Например, ванадий V – это химический элемент 4-го периода, V группы, побочной подгруппы, порядковый номер 23.
Задание 3.1. Укажите период, группу и подгруппу для химических элементов с порядковыми номерами 8, 26, 31, 35, 54.
Задание 3.2. Укажите порядковый номер и название химического элемента, если известно, что он находится:
а) в 4-м периоде, VI группе, побочной подгруппе;
б) в 5-м периоде, IV группе, главной подгруппе.
Каким образом можно связать сведения о положении элемента в периодической системе со строением его атома?
Атом состоит из ядра (оно имеет положительный заряд) и электронов (они имеют отрицательный заряд). В целом атом электронейтрален.
Положительный заряд ядра атома равен порядковому номеру химического элемента.
Ядро атома – сложная частица. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Поскольку химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра, то около символа элемента указывают следующие его координаты:
По этим данным можно определить состав ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов.
Протон p имеет массу 1 (1,0073 а. е. м.) и заряд +1. Нейтрон n заряда не имеет (нейтрален), а масса его приблизительно равна массе протона (1,0087 а. е. м.).
Заряд ядра определяют протоны. Причем число протонов равно (по величине) заряду ядра атома , т.е. порядковому номеру .
Число нейтронов N определяют по разности между величинами: «масса ядра» А и «порядковый номер» Z . Так, для атома алюминия:
N = А – Z = 27 –13 = 14n ,
Задание 3.3. Определите состав ядер атомов, если химический элемент находится в:
а) 3-м периоде, VII группе, главной подгруппе;
б) 4-м периоде, IV группе, побочной подгруппе;
в) 5-м периоде, I группе, главной подгруппе.
Внимание! При определении массового числа ядра атома приходится округлять атомную массу, указанную в периодической системе. Так поступают потому, что массы протона и нейтрона практически целочисленны, а массой электронов можно пренебречь.
Определим, какие из приведенных ниже ядер принадлежат одному и тому же химическому элементу:
А (20р + 20n ),
Б (19р + 20n ),
В (20р + 19n ).
Атомам одного химического элемента принадлежат ядра А и В, поскольку они содержат одинаковое число протонов, т. е. заряды этих ядер одинаковые. Исследования показывают, что масса атома не оказывает существенного влияния на его химические свойства.
Изотопами называют атомы одного и того же химического элемента (одинаковое число протонов), различающиеся массой (разное число нейтронов).
Изотопы и их химические соединения отличаются друг от друга по физическим свойствам, но химические свойства у изотопов одного химического элемента одинаковы. Так, изотопы углерода-14 (14 С) имеют такие же химические свойства, как и углерода-12 (12 С), которые входят в ткани любого живого организма. Отличие проявляется только в радиоактивности (изотоп 14 С). Поэтому изотопы применяют для диагностики и лечения различных заболеваний, для научных исследований.
Вернемся к описанию строения атома. Как известно, ядро атома в химических процессах не изменяется. А что изменяется? Переменным оказывается общее число электронов в атоме и распределение электронов. Общее число электронов в нейтральном атоме определить несложно – оно равно порядковому номеру, т.е. заряду ядра атома:
Электроны имеют отрицательный заряд –1, а масса их ничтожна: 1/1840 от массы протона.
Отрицательно заряженные электроны отталкиваются друг от друга и находятся на разных расстояниях от ядра. При этом электроны, имеющие приблизительно равный запас энергии, находятся на приблизительно равном расстоянии от ядра и образуют энергетический уровень.
Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится химический элемент. Энергетические уровни условно обозначают так (например, для Al):
Задание 3.4. Определите число энергетических уровней в атомах кислорода, магния, кальция, свинца.
На каждом энергетическом уровне может находиться ограниченное число электронов:
На первом – не более двух электронов;
На втором – не более восьми электронов;
На третьем – не более восемнадцати электронов.
Эти числа показывают, что, например, на втором энергетическом уровне может находиться 2, 5 или 7 электронов, но не может быть 9 или 12 электронов.
Важно знать, что независимо от номера энергетического уровня на внешнем уровне (последнем) не может быть больше восьми электронов. Внешний восьмиэлектронный энергетический уровень является наиболее устойчивым и называется завершенным. Такие энергетические уровни имеются у самых неактивных элементов – благородных газов.
Как определить число электронов на внешнем уровне остальных атомов? Для этого существует простое правило: число внешних электронов равно:
Для элементов главных подгрупп – номеру группы;
Для элементов побочных подгрупп оно не может быть больше двух.
Например (рис. 5):
Задание 3.5. Укажите число внешних электронов для химических элементов с порядковыми номерами 15, 25, 30, 53.
Задание 3.6. Найдите в периодической системе химические элементы, в атомах которых имеется завершенный внешний уровень.
Очень важно правильно определять число внешних электронов, т.к. именно с ними связаны важнейшие свойства атома. Так, в химических реакциях атомы стремятся приобрести устойчивый, завершенный внешний уровень (8е ). Поэтому атомы, на внешнем уровне которых мало электронов, предпочитают их отдать.
Химические элементы, атомы которых способны только отдавать электроны, называют металлами . Очевидно, что на внешнем уровне атома металла должно быть мало электронов: 1, 2, 3.
Если на внешнем энергетическом уровне атома много электронов, то такие атомы стремятся принять электроны до завершения внешнего энергетического уровня, т. е. до восьми электронов. Такие элементы называют неметаллами .
В о п р о с. К металлам или неметаллам относятся химические элементы побочных подгрупп? Почему?
О т в е т. Металлы и неметаллы главных подгрупп в таблице Менделеева отделяет линия, которую можно провести от бора к астату. Выше этой линии (и на линии) располагаются неметаллы, ниже – металлы. Все элементы побочных подгрупп оказываются ниже этой линии.
Задание 3.7. Определите, к металлам или неметаллам относятся: фосфор, ванадий, кобальт, селен, висмут. Используйте положение элемента в периодической системе химических элементов и число электронов на внешнем уровне.
Для того, чтобы составить распределение электронов по остальным уровням и подуровням, следует воспользоваться следующим а л г о р и т м о м.
1. Определить общее число электронов в атоме (по порядковому номеру).
2. Определить число энергетических уровней (по номеру периода).
3. Определить число внешних электронов (по виду подгруппы и номеру группы).
4. Указать число электронов на всех уровнях, кроме предпоследнего.
Например, согласно пунктам 1–4 для атома марганца определено:
Всего 25е ; распределили (2 + 8 + 2) = 12e ; значит, на третьем уровне находится: 25 – 12 = 13e .
Получили распределение электронов в атоме марганца:
Задание 3.8. Отработайте алгоритм, составив схемы строения атомов для элементов № 16, 26, 33, 37. Укажите, металлы это или неметаллы. Ответ поясните.
Составляя приведенные выше схемы строения атома, мы не учитывали, что электроны в атоме занимают не только уровни, но и определенные подуровни каждого уровня. Виды подуровней обозначаются латинскими буквами: s , p , d .
Число возможных подуровней равно номеру
уровня.
Первый уровень состоит из одного
s
-подуровня. Второй уровень состоит из двух
подуровней – s
и р
. Третий уровень – из
трех подуровней – s
, p
и d
.
На каждом подуровне может находиться строго ограниченное число электронов:
на s-подуровне – не больше 2е;
на р-подуровне – не больше 6е;
на d-подуровне – не больше 10е.
Подуровни одного уровня заполняются в строго определенном порядке: s p d .
Таким образом, р -подуровнь не может начать заполняться, если не заполнен s -подуровень данного энергетического уровня, и т.д. Исходя из этого правила, несложно составить электронную конфигурацию атома марганца:
В целом электронная конфигурация атома марганца записывается так:
25 Мn 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 .
Задание 3.9. Составьте электронные конфигурации атомов для химических элементов № 16, 26, 33, 37.
Для чего необходимо составлять электронные конфигурации атомов? Для того, чтобы определять свойства этих химических элементов. Следует помнить, что в химических процессах участвуют только валентные электроны .
Валентные электроны находятся на внешнем
энергетическом уровне и незавершенном
d-подуровне предвнешнего уровня.
Определим число валентных электронов для марганца:
или сокращенно: Мn … 3d 5 4s 2 .
Что можно определить по формуле электронной конфигурации атома?
1. Какой это элемент – металл или неметалл?
Марганец – металл, т.к. на внешнем (четвертом) уровне находится два электрона.
2. Какой процесс характерен для металла?
Атомы марганца в реакциях всегда только отдают электроны.
3. Какие электроны и сколько будет отдавать атом марганца?
В реакциях атом марганца отдает два внешних электрона (они дальше всех от ядра и слабее притягиваются им), а также пять предвнешних d -электронов. Общее число валентных электронов – семь (2 + 5). В этом случае на третьем уровне атома останется восемь электронов, т.е. образуется завершенный внешний уровень.
Все эти рассуждения и заключения можно отразить при помощи схемы (рис. 6):
Полученные условные заряды атома называют степенями окисления .
Рассматривая строение атома, аналогичным способом можно показать, что типичными степенями окисления для кислорода является –2, а для водорода +1.
В о п р о с. С каким из химических элементов может образовывать соединения марганец, если учесть полученные выше степени его окисления?
О т в е т. Только с кислородом, т.к. его атом имеет противоположную по заряду степень окисления. Формулы соответствующих оксидов марганца (здесь степени окисления соответствуют валентностям этих химических элементов):
Строение атома марганца подсказывает, что большей степени окисления у марганца быть не может, т.к. в этом случае пришлось бы затрагивать устойчивый, теперь уже завершенный предвнешний уровень. Поэтому степень окисления +7 является высшей, а соответствующий оксид Мn 2 О 7 – высшим оксидом марганца.
Для закрепления всех этих понятий рассмотрим строение атома теллура и некоторые его свойства:
Как неметалл, атом Te может принять 2 электрона до завершения внешнего уровня и отдать «лишние» 6 электронов:
Задание 3.10. Изобразите электронные конфигурации атомов Nа, Rb, Cl, I, Si, Sn. Определите свойства этих химических элементов, формулы их простейших соединений (с кислородом и водородом).
Практические выводы
1. В химических реакциях участвуют только валентные электроны, которые могут находиться только на двух последних уровнях.
2. Атомы металлов могут только отдавать валентные электроны (все или несколько), принимая положительные степени окисления.
3. Атомы неметаллов могут принимать электроны (недостающие – до восьми), приобретая при этом отрицательные степени окисления, и отдавать валентные электроны (все или несколько), при этом они приобретают положительные степени окисления.
Сравним теперь свойства химических элементов
одной подгруппы, например натрия и рубидия:
Nа...3s
1 и Rb ...5s
1 .
Что общего в строении атомов этих элементов? На внешнем уровне каждого атома по одному электрону – это активные металлы. Металлическая активность связана со способностью отдавать электроны: чем легче атом отдает электроны, тем сильнее выражены его металлические свойства.
Что удерживает электроны в атоме? Притяжение их к ядру. Чем ближе электроны к ядру, тем сильнее они притягиваются ядром атома, тем труднее их «оторвать».
Исходя из этого, ответим на вопрос: какой элемент – Nа или Rb – легче отдает внешний электрон? Какой из элементов является более активным металлом? Очевидно, рубидий, т.к. его валентные электроны находятся дальше от ядра (и слабее удерживаются ядром).
Вывод. В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются , т.к. возрастает радиус атома, и валентные электроны слабее притягиваются к ядру.
Сравним свойства химических элементов VIIa группы: Cl …3s 2 3p 5 и I …5s 2 5p 5 .
Оба химических элемента – неметаллы, т.к. до завершения внешнего уровня не хватает одного электрона. Эти атомы будут активно притягивать недостающий электрон. При этом чем сильнее притягивает атом неметалла недостающий электрон, тем сильнее проявляются его неметаллические свойства (способность принимать электроны).
За счет чего происходит притяжение электрона? За счет положительного заряда ядра атома. Кроме того, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее их взаимное притяжение, тем активнее неметалл.
В о п р о с. У какого элемента сильнее выражены неметаллические свойства: у хлора или йода?
О т в е т. Очевидно, у хлора, т.к. его валентные электроны расположены ближе к ядру.
Вывод. Активность неметаллов в подгруппах сверху вниз убывает , т.к. возрастает радиус атома и ядру все труднее притянуть недостающие электроны.
Сравним свойства кремния и олова: Si …3s 2 3p 2 и Sn …5s 2 5p 2 .
На внешнем уровне обоих атомов по четыре электрона. Тем не менее эти элементы в периодической системе находятся по разные стороны от линии, соединяющей бор и астат. Поэтому у кремния, символ которого находится выше линии В–At, сильнее проявляются неметаллические свойства. Напротив, у олова, символ которого находится ниже линии В–At, сильнее проявляются металлические свойства. Это объясняется тем, что в атоме олова четыре валентных электрона удалены от ядра. Поэтому присоединение недостающих четырех электронов затруднено. В то же время отдача электронов с пятого энергетического уровня происходит достаточно легко. Для кремния возможны оба процесса, причем первый (прием электронов) преобладает.
Выводы по главе 3. Чем меньше внешних электронов в атоме и чем дальше они от ядра, тем сильнее проявляются металлические свойства.
Чем больше внешних электронов в атоме и чем ближе они к ядру, тем сильнее проявляются неметаллические свойства.
Основываясь на выводах, сформулированных в этой главе, для любого химического элемента периодической системы можно составить «характеристику».
Алгоритм описания свойств
химического элемента по его положению
в периодической системе
1. Составить схему строения атома, т.е. определить состав ядра и распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням:
Определить общее число протонов, электронов и нейтронов в атоме (по порядковому номеру и относительной атомной массе);
Определить число энергетических уровней (по номеру периода);
Определить число внешних электронов (по виду подгруппы и номеру группы);
Указать число электронов на всех энергетических уровнях, кроме предпоследнего;
2. Определить число валентных электронов.
3. Определить, какие свойства – металла или неметалла – сильнее проявляются у данного химического элемента.
4. Определить число отдаваемых (принимаемых) электронов.
5. Определить высшую и низшую степени окисления химического элемента.
6. Составить для этих степеней окисления химические формулы простейших соединений с кислородом и водородом.
7. Определить характер оксида и составить уравнение его реакции с водой.
8. Для указанных в пункте 6 веществ составить уравнения характерных реакций (см. главу 2).
Задание 3.11. По приведенной выше схеме составить описания атомов серы, селена, кальция и стронция и свойства этих химических элементов. Какие общие свойства проявляют их оксиды и гидроксиды?
Если вы выполнили упражнения 3.10 и 3.11, то легко заметить, что не только атомы элементов одной подгруппы, но и их соединения имеют общие свойства и похожий состав.
Периодический закон Д.И.Менделеева: свойства химических элементов, а также свойства простых и сложных веществ, образованных ими, находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов.
Физический смысл периодического закона: свойства химических элементов периодически повторяются потому, что периодически повторяются конфигурации валентных электронов (распределение электронов внешнего и предпоследнего уровней).
Так, у химических элементов одной и той же подгруппы одинаковое распределение валентных электронов и, значит, похожие свойства.
Например, у химических элементов пятой группы пять валентных электронов. При этом в атомах химических элементов главных подгрупп – все валентные электроны находятся на внешнем уровне: … ns 2 np 3 , где n – номер периода.
У атомов элементов побочных подгрупп на внешнем уровне находятся только 1 или 2 электрона, остальные – на d -подуровне предвнешнего уровня: … (n – 1)d 3 ns 2 , где n – номер периода.
Задание 3.12. Составьте краткие электронные формулы для атомов химических элементов № 35 и 42, а затем составьте распределение электронов в этих атомах по алгоритму. Убедитесь, что ваше предсказание сбылось.
Упражнения к главе 3
1. Сформулируйте определения понятий «период», «группа», «подгруппа». Что общего у химических элементов, которые составляют: а) период; б) группу; в) подгруппу?
2. Что такое изотопы? Какие свойства – физические или химические – совпадают у изотопов? Почему?
3. Сформулируйте периодический закон Д.И.Менделеева. Поясните его физический смысл и проиллюстрируйте примерами.
4. В чем проявляются металлические свойства химических элементов? Как они изменяются в группе и в периоде? Почему?
5. В чем проявляются неметаллические свойства химических элементов? Как они изменяются в группе и в периоде? Почему?
6. Составьте краткие электронные формулы химических элементов № 43, 51, 38. Подтвердите свои предположения описанием строения атомов этих элементов по приведенному выше алгоритму. Укажите свойства этих элементов.
7. По кратким электронным формулам
а) …4s 2 4p 1 ;
б) …4d 1 5s 2 ;
в) …3d 5 4s 1
определите положение соответствующих химических элементов в периодической системе Д.И.Менделеева. Назовите эти химические элементы. Свои предположения подтвердите описанием строения атомов этих химических элементов по алгоритму. Укажите свойства этих химических элементов.
Продолжение следует
Каждый период Периодической системы Д. И. Менделеева заканчивается инертным, или благородным, газом.
Самым распространённым из инертных (благородных) газов в атмосфере Земли является аргон, который удалось выделить в чистом виде раньше других аналогов. В чём причина инертности гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и радона?
В том, что у атомов инертных газов на внешних, самых удалённых от ядра уровнях находится восемь электронов (у гелия - два). Восемь электронов на внешнем уровне - предельное число для каждого элемента Периодической системы Д. И. Менделеева, кроме водорода и гелия. Это своеобразный идеал прочности энергетического уровня, к которому стремятся атомы всех остальных элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.
Добиваться такого положения электронов атомы могут двумя путями: отдавая электроны с внешнего уровня (в этом случае внешний незавершённый уровень исчезает, а предпоследний, который был завершён в предыдущем периоде, становится внешним) или принимая электроны, которых не хватает до заветной восьмёрки. Атомы, имеющие на внешнем уровне меньшее число электронов, отдают их атомам, у которых на внешнем уровне больше электронов. Легко отдать один электрон, когда он единственный на внешнем уровне, атомам элементов главной подгруппы I группы (IA группы). Труднее отдавать два электрона, например, атомам элементов главной подгруппы II группы (IIA группы). Ещё труднее отдавать свои три внешних электрона атомам элементов III группы (IIIA группы).
Тенденцию к отдаче электронов с внешнего уровня имеют атомы элементов-металлов . И чем легче атомы элемента-металла отдают свои внешние электроны, тем в большей степени выражены у него металлические свойства. Понятно поэтому, что наиболее типичными металлами в Периодической системе Д. И. Менделеева являются элементы главной подгруппы I группы (IA группы). И наоборот, тенденцию к принятию недостающих до завершения внешнего энергетического уровня имеют атомы элементов-неметаллов. Из сказанного можно сделать следующий вывод. В пределах периода с увеличением заряда атомного ядра, а соответственно и с увеличением числа внешних электронов металлические свойства химических элементов ослабевают. Неметаллические свойства элементов, характеризующиеся лёгкостью принятия электронов на внешний уровень, при этом усиливаются.
Наиболее типичными неметаллами являются элементы главной подгруппы VII группы (VIIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. На внешнем уровне атомов этих элементов находятся семь электронов. До восьми электронов на внешнем уровне, т. е. до устойчивого состояния атомов, им не хватает по одному электрону. Они легко их присоединяют, проявляя неметаллические свойства.
А как ведут себя атомы элементов главной подгруппы IV группы (IVA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева? Ведь у них на внешнем уровне четыре электрона, и им, казалось бы, всё равно, отдать или принять четыре электрона. Выяснилось, что на способность атомов отдавать или принимать электроны оказывает влияние не только число электронов на внешнем уровне, но и радиус атома. В пределах периода число энергетических уровней у атомов элементов не изменяется, оно одинаково, а вот радиус уменьшается, так как увеличивается положительный заряд ядра (число протонов в нём). Вследствие этого притяжение электронов к ядру усиливается, и радиус атома уменьшается, атом как бы сжимается. Поэтому становится всё труднее отдать внешние электроны и, наоборот, всё легче принять недостающие до восьми электроны.
В пределах одной и той же подгруппы радиус атома увеличивается с увеличением заряда атомного ядра, так как при постоянном числе электронов на внешнем уровне (он равен номеру группы) увеличивается число энергетических уровней (оно равно номеру периода). Поэтому атому становится всё легче отдать внешние электроны.
В Периодической системе Д. И. Менделеева с увеличением порядкового номера свойства атомов химических элементов изменяются следующим образом.
Каков же результат принятия или отдачи электронов атомами химических элементов?
Представим себе, что «встречаются» два атома: атом металла IA группы и атом неметалла VIIA группы. У атома металла на внешнем энергетическом уровне находится единственный электрон, а атому неметалла как раз не хватает именно одного электрона, чтобы его внешний уровень оказался завершённым.
Атом металла легко отдаст свой наиболее удалённый от ядра и слабо связанный с ним электрон атому неметалла, который предоставит ему свободное место на своём внешнем энергетическом уровне.
Тогда атом металла, лишённый одного отрицательного заряда, приобретёт положительный заряд, а атом неметалла благодаря полученному электрону превратится в отрицательно заряженную частицу - ион.
Оба атома осуществят свою «заветную мечту» - получат столь желанную восьмёрку электронов на внешнем энергетическом уровне. Но что произойдёт дальше? Разноимённо заряженные ионы в полном соответствии с законом притяжения противоположных зарядов тут же соединятся, т. е. между ними возникнет химическая связь.
| Химическую связь, образующуюся между ионами, называют ионной. |
Рассмотрим образование этой химической связи на примере хорошо знакомого всем соединения хлорида натрия (поваренной соли):
Процесс превращения атомов в ионы изображён на схеме и рисунке:
Например, ионная связь образуется и при взаимодействии атомов кальция и кислорода:
Такое превращение атомов в ионы происходит всегда при взаимодействии атомов типичных металлов и типичных неметаллов.
В заключение рассмотрим алгоритм (последовательность) рассуждений при записи схемы образования ионной связи, например между атомами кальция и хлора.
1. Кальций - это элемент главной подгруппы II группы (НА группы) Периодической системы Д. И. Менделеева, металл. Его атому легче отдать два внешних электрона, чем принять недостающие шесть:
2. Хлор - это элемент главной подгруппы VII группы (VIIA группы) таблицы Д. И. Менделеева, неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего энергетического уровня, чем отдать семь электронов с внешнего уровня:
3. Сначала найдём наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов, оно равно 2 (2×1). Затем определим, сколько атомов кальция нужно взять, чтобы они отдали два электрона (т. е. надо взять 1 атом Са), и сколько атомов хлора надо взять, чтобы они могли принять два электрона (т. е. нужно взять 2 атома Сl).
4. Схематично образование ионной связи между атомами кальция и хлора можно записать так:
Для выражения состава ионных соединений пользуются формульными единицами - аналогами молекулярных формул.
Цифры, показывающие число атомов, молекул или формульных единиц, называют коэффициентами, а цифры, показывающие число атомов в молекуле или ионов в формульной единице, называют индексами.
В первой части параграфа мы сделали вывод о характере и причинах изменения свойств элементов. Во второй части параграфа приведём ключевые слова.
Ключевые слова и словосочетания
- Атомы металлов и неметаллов.
- Ионы положительные и отрицательные.
- Ионная химическая связь.
- Коэффициенты и индексы.
Работа с компьютером
- Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
- Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.
Вопросы и задания
- Сравните строение и свойства атомов: а) углерода и кремния; б) кремния и фосфора.
- Рассмотрите схемы образования ионной связи между атомами химических элементов: а) калия и кислорода; б) лития и хлора; в) магния и фтора.
- Назовите самый типичный металл и самый типичный неметалл Периодической системы Д. И. Менделеева.
- Пользуясь дополнительными источниками информации, объясните, почему инертные газы стали называть благородными.
