Как устроена электронная оболочка атома что такое энергетический уровень атома
Строение электронной оболочки атома
Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
Электронная оболочка атома – это совокупность всех электронов в данном атоме.
Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек их атомов.
В 20-х годах ХХ в. ученые установили, что электрон имеет двойственную природу: он является одновременно частицей и волной (имеет свойства частицы и свойства волны).
Представление о двойственной природе электрона привело к созданию квантово-механической теории строения атома.
Согласно этой теории, электрон (как и другие микрочастицы) не имеет определенной траектории движения. Можно говорить только о вероятности нахождения электрона в разных частях атомного пространства.
Часть атомного пространства, в которой вероятность нахождения данного электрона наибольшая (равна 90%), называется атомной орбиталью.
Каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.
Атомная орбиталь и облако электрона, который занимает эту орбиталь, имеют одинаковый размер, одинаковую форму и одинаковое направление в пространстве.
Для характеристики орбиталей и электронов используются квантовые числа.
Энергия и размер орбитали и электронного облака характеризуются главным квантовым числом n.
Главное квантовое число принимает значения целых чисел от 1 до ∞(бесконечности): n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7…∞
Орбитали, которые имеют одинаковое значение n, близки между собой по энергии и по размеру.
Совокупность орбиталей, которые имеют одинаковое значение главного квантового числа, — это энергетический уровень.
Энергетические уровни обозначаются большими буквами латинского алфавита.
Совокупность электронов, которые находятся на одном энергетическом уровне, — это электронный слой.
На одном энергетическом уровне могут находиться орбитали (электронные облака), которые имеют различные геометрические формы.
Форма орбиталей и облаков характеризуется побочным (орбитальным) квантовым числом l.
Для орбиталей данного энергетического уровня побочное (орбитальное) квантовое число принимает значения целых чисел от 0 до n-1.
Орбитали, для которых l = 0, имеют форму шара (сферы) и называются s-opбиталями (условно изображаются в виде окружности):
s –орбитали имеются на всех энергетических уровнях.
На K-уровне (на первом энергетическом уровне) имеется только s-орбиталь.
Орбитали, для которых l=1, имеют форму гантели и называются р-орбиталями:
р-Орбитали имеются на всех энергетических уровнях, кроме первого (K) уровня.
Орбитали с большими значениями l имеют более сложную форму и обозначаются так:
l = 2: d-орбитали;
l = 3: f-орбитали.
d-Орбитали есть на всех энергетических уровнях, кроме первого (K) и второго (L) уровней.
f-Oрбитали есть на всех энергетических уровнях, кроме первого (K), второго (L) и третьего (М) уровней.
Энергия орбиталей (Е), которые находятся на одном энергетическом уровне, но имеют различную форму, неодинакова:
Итак, каждая орбиталь и электрон, который находится на этой орбитали, характеризуются тремя квантовыми числами: главным n, побочным l и магнитным m1.
Электрон характеризуется еще одним — спиновым квантовым числом (от англ. to spin — кружить, вращать).
Спиновое квантовое число (спин электрона) ms, характеризует вращение электрона вокруг своей оси и принимает только два значения: +1/2 и – 1/2.
Схематично это можно показать так:
Электрон со спином +1/2 — условно изображают так: ↑; со спином —1/2: ↓
Принцип Паули гласит:
В атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.
Поэтому на одной орбитали не может быть больше двух электронов; эти два электрона имеют одинаковый набор трех квантовых чисел (n, l, m1) и должны отличаться спинами (спиновым квантовым числом ms:
Два электрона, которые находятся на одной орбитали, называются спаренными (или неподеленной электронной парой). Спаренные электроны являются электронами с противоположными (антипараллельными) спинами.
Как устроен атом
Со временем учёные выяснили, что они крупно заблуждались: структура атома оказалась вовсе не монолитной. С постепенным увеличением точности приборов стало ясно, что она включает в себя 3 типа микрочастиц: положительно, отрицательно и нейтрально заряженные. Называются они следующим образом:
Частицы, несущие положительный заряд, назвали протонами, нейтральный — нейтронами, отрицательный — электронами.
Основа любого атома — это его ядро. Оно состоит из положительных и нейтральных микрочастиц, то есть из протонов и нейтронов. Их количество может быть одинаковым, а может и разниться. В результате получается, что ядро — это всегда положительно заряженная часть атома. Однако сам он заряжен нейтрально, и причина тому — электроны, летающие вокруг ядра по орбитальным спиралям. Такова общая схема строения атома.
Свойства вещества, которое может образовывать атом, напрямую зависят от количества микрочастиц в его составе. Каждая из них абсолютно идентична другой аналогичной микрочастице, поэтому они полностью взаимозаменяемы. Все электроны являются химическими «клонами» друг друга, то же самое правило касается протонов и нейронов. Именно поэтому ко всему веществу, имеющемуся в природе, можно применять общие законы химии, на основании которых оно будет работать.
Любые атомы состоят всего лишь из трёх простых микрочастиц, представленных в разных количествах. А более сложные структуры, молекулы, являются сочетаниями различных атомов, взятых в определённых пропорциях, то есть все без исключения объекты в природе — как живые, так и неживые, как очень сложные по своей структуре, так и простейшие — построены всего из трёх типов мелких «кирпичиков». Если в этот факт как следует вдуматься, он действительно способен поразить воображение.
Ядро: протоны и нейтроны
Общее название для составных частиц ядра, коими являются протоны и нейроны — нуклоны. Вместе они и составляют почти всю массу атома, а значит, и почти всю материю во Вселенной. Теория гласит, что каждый протон или нейтрон включает в себя ровно 3 составные частицы, именуемые кварками, между которыми имеется связующее глюонов облако. Кварки, согласно модели, являются такими же неделимыми частицами, как электроны. Глюоны же обеспечивают их взаимную связь друг с другом.
В то же время сами атомные ядра чрезвычайно малы. Размеры каждого ядра в десятки тысяч раз меньше размеров всего атома. Но несмотря на это, почти вся атомная масса заключается в его положительно заряженном ядре, тогда как электрон представляет собой чисто энергетическую, нематериальную частицу. Получается, что материального вокруг нас вовсе не так много, как кажется на первый взгляд. Куда больше места занимают энергетические потоки, связывающие физическое вещество.
Число протонов, содержащихся в том или ином атоме, указывает на его порядковый номер в Периодической системе химических элементов. Например, у кислорода порядковый номер 8, а значит, и число протонов у него точно такое же. Формула, по которой вычисляется количество нейтронов: округлённая атомная масса минус число протонов. Атомная масса элемента указана под его порядковым номером в графической таблице Менделеева. Например, для атома хлора (Cl) это будет 35 — 17 = 18, для брома (Br) 80 — 35 = 45, а для серы (S) 32 — 16 = 16. С числом нейтронов связано понятие изотопа.
Процесс ионизации
Количество электронов в «чистом» атоме должно уравновешивать число протонов. Если же оно несколько больше или меньше, чем нужно, атом перестаёт быть нейтральным и обретает положительный или отрицательный заряд. Если электроны отсоединяются, общий заряд увеличивается, а в случае их присоединения — наоборот, уменьшается. Преобразованный таким образом атом называется ионом.
Возьмём для примера медь (Cu), относящуюся к классу простых веществ. В обычном состоянии у неё имеется 29 электронов. Но если она отдаст 2 электрона, у неё их останется всего 27. А сам атом меди превратится в положительный ион меди или, иначе, в катион меди. В их роли часто выступают всевозможные металлы (магний, алюминий, литий, натрий, хром), которые могут легко терять до трёх электронов.
Отрицательно заряженные ионы, в свою очередь, называются анионами. Как правило, они являются неметаллами, так как обладают высокой электроотрицательностью — способностью притягивать к себе электроны. Например, им может стать атом кремния, присоединив к себе хотя бы один электрон.
Что такое электрон
Электроны, двигающиеся вокруг ядра по сферической траектории, образуют так называемое электронное облако. А оно уже создаёт вокруг каждого атома его личное электромагнитное поле, оказывающее влияние на другие атомы.
Немного истории
В 1891 году в результате проведённых экспериментов ирландский физик Стони сумел вывести, что электричество переносится мельчайшими частицами, которые имеются в составе любого атома. Тогда же он и предложил назвать их электронами.
Спустя несколько лет, физики Перрен и Томсон нашли доказательства, что электрон имеет сугубо отрицательный заряд. Кроме того, они смогли рассчитать массу и скорость электрона.
Природа частицы
Отрицательная частица электрон имеет крайне маленькие размеры. Отдельные электроны не поможет разглядеть даже самый мощный микроскоп. Визуально их можно наблюдать только в виде размытого электронного облака вокруг ядра. Электрон — это устойчивая частица энергии, которая постоянно находится в движении. Вне движения он просто не существует. И не похоже, чтобы у этой энергетической единицы была какая-то структура. Но масса у него всё-таки есть, хотя, как и его габариты, она очень маленькая.
В теории электрон включает в себя 3 нематериальные квазичастицы, несущие о нём различную информацию. Всего их 3:
Но это всего лишь условности, и они никак не указывают, что электрон и правда можно поделить на отдельные частицы. На текущем уровне развития науки эта частица пока считается неделимой. И нет оснований полагать, что в будущем это может измениться.
Электроны обладают способностью поглощать энергию. В случаях, когда это происходит, атом, который в себе их содержит, переходит с одного энергетического уровня на другой. Если поглощенной энергии слишком много, электрон может выйти из атомной структуры и стать независимой частицей. При этом он будет проявлять волновые свойства.
Электронная конфигурация
Электронная конфигурация атома — схематическое отображение отрицательных частиц, расположенных на атомных орбиталях. Умея делать такую запись, можно очень быстро определять количество орбиталей у того или иного атома. Перед тем как приступать к определению самой конфигурации, необходимо найти порядковый номер и заряд нужного элемента.
Любой атом состоит из нескольких электронных оболочек. Их максимальное количество достигает семи. Каждая из них имеет подуровни, заполняемые электронами последовательно, в строго установленном порядке. Число подуровней, содержащееся в той или иной оболочке, равняется её номеру. Внешние слои с большим количеством подуровней, находящиеся дальше от ядра, имеют большую энергию по сравнению с внутренними, чьё расположение близко к ядру.
Всего есть 6 типов подуровней, каждый из которых может содержать определённое число орбиталей. Электроны на каждом из них, когда они заполнены полностью, располагаются в чётном количестве. Эти подуровни обозначаются следующими буквами:
Орбитали заполняются в следующем порядке:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.
Цифра справа обозначает номер оболочки, буква слева — подуровень этой оболочки.
Наглядная запись
Теперь возьмём для примера какой-нибудь химический элемент. Например, калий. В таблице Менделеева он имеет запись K и его можно найти под номером 19. Значит, у него имеется 19 электронов, которые нужно расфасовать по орбиталям в указанном порядке. Делаем это.
Важно учитывать, что это электронная конфигурация для основного состояния атома. В Периодической системе элементов у атомов тоже указаны исключительно те их свойства, которыми они обладают в своём основном состоянии. Но также они могут пребывать и в возбуждённом состоянии. Это происходит при сообщении им дополнительной энергии. Тогда электроны с положенных им орбиталей будут перескакивать на другие и запись будет несколько иной.
Различные атомные модели
Ещё философы Древней Греции — колыбели науки, пытались постичь природу этой необыкновенной частицы. Особенно среди прочих выделился Демокрит. И пусть с вершины нынешней науки его идеи кажутся немного наивными и примитивными, на тот момент это всё же был большой прорыв.
По мнению философа, из атомов состоит даже такая неосязаемая субстанция, как человеческая душа. Ещё он считал, что каждый отдельный атом имеет примерно те же физические свойства, что и вещество, которое он образует. Например, огонь, как он думал, должен иметь острые атомы, а вода — наоборот, гладкие.
Английский физик Дж. Томсон тоже внёс значительный вклад в развитие представлений об атомном устройстве. Но несмотря на это, и его идеи были несколько ошибочными. В 1904 году он выдвинул модель, рассматривающую атом в качестве физического тела, имеющего положительный заряд, внутри которого располагались отрицательно заряженные частицы.
В том же году, что и Томсон, Х. Нагаока предложил планетарную модель атома, которая была уже ближе к истине, но все равно не дотягивала до неё. В его модели строения атома электроны подобны кольцам Сатурна, и по тому же принципу крутятся вокруг ядра с положительным зарядом.
Последняя предложенная модель была разработана совместно Бором и Резерфордом. Она же и является устоявшейся в современном учёном мире. Практически все последующие научные наработки берут за основу именно их теорию строения атома, лишь с некоторыми незначительными изменениями. Её так и назвали — модель Резерфорда-Бора.
Как устроена электронная оболочка атома что такое энергетический уровень атома
На этом уроке вы узнаете, как устроена электронная оболочка атома, и сможете объяснить явление периодичности. Познакомитесь с моделями строения электронных оболочек атомов, с помощью которых можно предсказать и объяснить свойства химических элементов и их соединений.
I. Состояние электронов в атоме
Выдающийся датский физик Нильс Бор (Рис. 1) предположил, что электроны в атоме могут двигаться не по любым, а по строго определенным орбитам.
При этом электроны в атоме различаются своей энергией. Как показывают опыты, одни из них притягиваются к ядру сильнее, другие – слабее. Главная причина этого заключается в разном удалении электронов от ядра атома. Чем ближе электроны к ядру, тем они прочнее связаны с ним и их труднее вырвать из электронной оболочки. Таким образом, по мере удаления от ядра атома запас энергии электрона увеличивается.
Электроны, движущиеся вблизи ядра, как бы загораживают (экранируют) ядро от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и движутся на большем удалении от него. Так образуются электронные слои.
Каждый электронный слой состоит из электронов.
Электрон вращается вокруг ядра атома с невообразимой скоростью. Так, за 1 секунду он делает столько оборотов вокруг ядра атома, сколько оборотов делает пропеллер самолета вокруг оси за 5–5,5 лет непрерывной работы двигателя. Пропеллер самолета образует «облако», находящееся в одной плоскости, а электрон образует объемное облако –электронное облако, форма и размер которого зависят от энергии электрона.
Если обозначить точками все вероятные места нахождения электрона в атомном пространстве за некоторое время, то совокупность этих точек будет представлять собойэлектронное облако.
II. Электронное облако
Электронное облако – это модель, которая описывает состояние (движение) электрона в атоме.
Электронное облако не имеет строго очерченных границ и плотность его неравномерна.
Часть атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая (
90%), называется орбиталью.
Виды электронных орбиталей
Форма орбитали в пространстве
Количество орбиталей в атоме.
Условное обозначение орбитали – клетка:
(электронное облако s – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме одно положение
(электронное облако p – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме три положения вдоль осей координат пространства x, y и z.
(электронное облако d – электрона)
(электронное облако f – электрона)
Электронное облако такой формы может занимать в атоме семь положений.
Число электронов в атоме определяют по порядковому номеру
О – 8 электронов, S – 16 электронов.
На одной орбитали могут находиться только ДВА электрона, которые вращаются вокруг своей оси в противоположных направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелке) – электроны с противоположными спинами:
Cледовательно, на s – орбитали максимально может разместиться два электрона (s 2 ); на p – орбитали максимально может разместиться шесть электронов (p 6 ) на d – орбитали максимально может разместиться десять электронов (d 10 ); f – четырнадцать электронов (f 14 ).
Располагаясь на различных расстояниях от ядра, электроны образуют электронные слои (энергетические уровни) – каждому слою соответствует определённый уровень энергии.
Число энергетических уровней определяют по номеру периода, в котором находится химический элемент
О – 2 уровня, S – три уровня.
Для элементов главных подгрупп (А) число электронов на внешнем уровне = номеру группы.
+15P – V группа (А) – на внешнем уровне 5 электронов
Для элементов побочных подгрупп (В) число электронов на внешнем уровне = двум.
Исключения (один электрон) – хром, медь, серебро, золото и некоторые другие.
III. Формулы отражающие строение атомов первого и второго периодов
– схема строения атома, отображает распределение электронов по энергоуровням.
+1 Н 1s 1
– электронная формула, отображает число электронов по орбиталям.
— электронно-графическая формула – показывает распределение электронов по орбиталям и отображает спин электрона.
У элементов второго периода начинается заполнение второго энергетического уровня — он включает восемь электронов (n = 2, N = 8). Второй период содержит восемь элементов. У неона, элемента, завершающего второй период, первый и второй энергетические уровни оказываются целиком заполненными.
IV. Распределение электронов по энергетическим уровням элементов третьего и четвертого периодов ПСХЭ
1. Порядок заполнения уровней и подуровней электронами
Электронные формулы атомов химических элементов составляют в следующем порядке:
Порядок заполнения электронами атомных орбиталей определяется :
Принципом наименьшей энергии
Шкала энергий:
1s внешнего энергетического уровня, называются s-элементами. Это первые 2 элемента каждого периода, составляющие главные подгруппы I и II групп.
Элементы, в атомах которых электронами заполняется p-подуровень внешнего энергетического уровня, называются p-элементами. Это последние 6 элементов каждого периода (за исключением I и VII), составляющие главные подгруппы III—VIII групп.
Элементы, в которых заполняется d-подуровень второго снаружи уровня, называются d-элементами. Это элементы вставных декад IV, V, VI периодов.
Элементы, в которых заполняется f-подуровень третьего снаружи уровня, называются f-элементами. К f-элементам относятся лантаноиды и актиноиды.
В третьем периоде происходит заполнение третьего энергетического уровня. Третий уровень (n = 3) может максимально вмещать 18 электронов. Однако элементов в третьем периоде всего восемь. К концу третьего периода (у аргона) полностью заполняются 3s- и 3p-подуровни, а 3d-подуровень остается пустым, поэтому третий уровень не заполняется до конца.
В четвертом периоде у первых двух элементов (калия и кальция) электроны идут на четвертый энергетический уровень (4s-подуровень), а затем у последующих десяти элементов (от скандия до цинка) завершается заполнение третьего энергетического уровня (3d-подуровня).
«Проскок» или «провал» электрона
Особо следует отметить палладий, у которого «проваливаются» два электрона:
Pd1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 0 4d 10
V. Тест
Решите тестовые задания (один верный вариант ответа).
1. Заряд ядра атома фосфора равен
2. Количество энергоуровней в атоме равно
а) порядковому номеру элемента;
в) заряду ядра атома;
3. Число нейтронов в атоме цинка равно
4. В ряду элементов Na, Mg, Al, Cl металлические свойства
г) сначала убывают, а затем возрастают
5. Формула высшего оксида RO2 характерна для
6. Электронная формула строения атома меди, это-
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 ;
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 ;
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 6 4s 2 3d 10 ;
7. Заряд ядра атома кальция равен
8. Число электронов на внешнем энергоуровне для элементов главных подгрупп равно
в) порядковому номеру элемента;
9. Число нейтронов в атоме железа равно
10. В ряду элементов C, Si, Ge, Sn способность отдавать валентные электроны
г) сначала увеличивается, а затем уменьшается.
11. Формула летучего водородного соединения для элемента с электронным строением атома 1s22s22p2 – это
12. Электронная формула строения атома мышьяка, это-
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 11 4p 3 ;
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 4p 4 ;
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 4p 4 ;