Какие атомы на внешнем энергетическом уровне. Большая энциклопедия нефти и газа
Что происходит с атомами элементов во время химических реакций? От чего зависят свойства элементов? На оба эти вопроса можно дать один ответ: причина лежит в строении внешнего В нашей статье мы рассмотрим электронное металлов и неметаллов и выясним зависимость между структурой внешнего уровня и свойствами элементов.
Особые свойства электронов
При прохождении химической реакции между молекулами двух или более реагентов происходят изменения в строении электронных оболочек атомов, тогда как их ядра остаются неизменными. Сначала ознакомимся с характеристиками электронов, находящихся на наиболее удаленных от ядра уровнях атома. Отрицательно заряженные частицы располагаются слоями на определенном расстоянии от ядра и друг от друга. Пространство вокруг ядра, где нахождение электронов наиболее возможно, называется электронной орбиталью. В ней сконденсировано около 90 % отрицательно заряженного электронного облака. Сам электрон в атоме проявляет свойство дуальности, он одновременно может вести себя и как частица, и как волна.
Правила заполнения электронной оболочки атома
Количество энергетических уровней, на которых находятся частицы, равно номеру периода, где располагается элемент. На что же указывает электронный состав? Оказалось, что количество электронов на внешнем энергетическом уровне для s- и p-элементов главных подгрупп малых и больших периодов соответствует номеру группы. Например, у атомов лития первой группы, имеющих два слоя, на внешней оболочке находится один электрон. Атомы серы содержат на последнем энергетическом уровне шесть электронов, так как элемент расположен в главной подгруппе шестой группы и т. д. Если же речь идет о d-элементах, то для них существует следующее правило: количество внешних отрицательных частиц равно 1 (у хрома и меди) или 2. Объясняется это тем, что по мере увеличения заряда ядра атомов вначале происходит заполнение внутреннего d- подуровня и внешние энергетические уровни остаются без изменений.
Почему изменяются свойства элементов малых периодов?
В малыми считаются 1, 2, 3 и 7 периоды. Плавное изменение свойств элементов по мере возрастания ядерных зарядов, начиная от активных металлов и заканчивая инертными газами, объясняется постепенным увеличением количества электронов на внешнем уровне. Первыми элементами в таких периодах являются те, чьи атомы имеют всего один или два электрона, способные легко отрываться от ядра. В этом случае образуется положительно заряженный ион металла.
Амфотерные элементы, например, алюминий или цинк, свои внешние энергетические уровни заполняют небольшим количеством электронов (1- у цинка, 3 - у алюминия). В зависимости от условий протекания химической реакции они могут проявлять как свойства металлов, так и неметаллов. Неметаллические элементы малых периодов содержат от 4 до 7 отрицательных частиц на внешних оболочках своих атомов и завершают ее до октета, притягивая электроны других атомов. Например, неметалл с наибольшим показателем электроотрицательности - фтор, имеет на последнем слое 7 электронов и всегда забирает один электрон не только у металлов, но и у активных неметаллических элементов: кислорода, хлора, азота. Заканчиваются малые периоды, как и большие, инертными газами, чьи одноатомные молекулы имеют полностью завершенные до 8 электронов внешние энергетические уровни.
Особенности строения атомов больших периодов
Четные ряды 4, 5, и 6 периодов состоят из элементов, внешние оболочки которых вмещают всего один или два электрона. Как мы говорили ранее, у них происходит заполнение электронами d- или f- подуровней предпоследнего слоя. Обычно это - типичные металлы. Физические и химические свойства у них изменяются очень медленно. Нечетные ряды вмещают такие элементы, у которых заполняются электронами внешние энергетические уровни по следующей схеме: металлы - амфотерный элемент - неметаллы - инертный газ. Мы уже наблюдали ее проявление во всех малых периодах. Например, в нечетном ряду 4 периода медь является металлом, цинк - амфотерен, затем от галлия и до брома происходит усиление неметаллических свойств. Заканчивается период криптоном, атомы которого имеют полностью завершенную электронную оболочку.
Как объяснить деление элементов на группы?
Каждая группа - а их в короткой форме таблицы восемь, делится еще и на подгруппы, называемые главными и побочными. Такая классификация отражает различное положение электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов. Оказалось, что у элементов главных подгрупп, например, лития, натрия, калия, рубидия и цезия последний электрон расположен на s-подуровне. Элементы 7 группы главной подгруппы (галогены) заполняют отрицательными частицами свой p-подуровень.
Для представителей побочных подгрупп, таких, как хром, типичным будет наполнение электронами d-подуровня. А у элементов, входящих в семейства накопление отрицательных зарядов происходит на f-подуровне предпоследнего энергетического уровня. Более того, номер группы, как правило, совпадает с количеством электронов, способных к образованию химических связей.
В нашей статье мы выяснили, какое строение имеют внешние энергетические уровни атомов химических элементов, и определили их роль в межатомных взаимодействиях.
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 )
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ |
| Рубрика (тематическая категория) | Образование |
СТРОЕНИЕ АТОМА
1. Развитие теории строения атома. С
2. Ядро и электронная оболочка атома. С
3. Строение ядра атома. С
4. Нуклиды, изотопы, массовое число. С
5. Энергетические уровни.
6. Квантово-механическое объяснение строения.
6.1. Орбитальная модель атома.
6.2. Правила заполнения орбиталей.
6.3. Орбитали с s-электронами (атомные s-орбитали).
6.4. Орбитали с p-электронами (атомные p-орбитали).
6.5. Орбитали с d- f-электронами
7. Энергетические подуровни многоэлектронного атома. Квантовые числа.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ
Строение электронной оболочки атома определяется различным запасом энергииотдельных электронов в атоме. В соответствии с моделью атома Бора электроны могут занимать в атоме положения, которым отвечают точно определенные (квантованные) энергетические состояния. Эти состояния называются энергетическими уровнями.
Число электронов, которые могут находиться на отдельном энергетическом уровне, определяется формулой 2n 2 , где n –номер уровня, который обозначается арабскими цифрами 1 – 7. Максимальное заполнение первых четырех энергетических уровней в. соответствии с формулой 2n 2 составляет: для первого уровня – 2 электрона, для второго – 8, для третьего –18 и для четвертого уровня – 32 электрона. Максимальное заполнение электронами более высоких энергетических уровней в атомах известных элементов не достигнуто.
Рис. 1показывает заполнение электронами энергетических уровней первых двадцати элементов (от водорода Н до кальция Са, черные кружки). Заполняя в указанном порядке энергетические уровни, получают простейшие модели атомов элементов, при этом соблюдают порядок заполнения (снизу вверх и слева направо по рисунку) таким образом, пока последний электрон не укажет на символ соответствующего элементаНа третьем энергетическом уровне М (максимальная емкость равна 18 е - )для элементов Nа – Аr содержится только 8 электронов, затем начинает застраиваться четвертый энергетический уровень N –на нем появляются два электрона для элементов К и Са. Следующие 10 электронов снова занимают уровень М (элементы Sc – Zn (не показаны), а потом продолжается заполнение уровня N еще шестью электронами (элементы Cа-Кr, белые кружки).
| Рис. 1 | 
Рис. 2
|
В случае если атом находится в основном состоянии, то его электроны занимают уровни с минимальной энергией, т. е. каждый последующий электрон занимает энергетически самое выгодное положение, такое, как на рис. 1. При внешнем воздействии на атом, связанном с передачей ему энергии, к примеру путем нагревания, электроны переводятся на более высокие энергетические уровни (рис. 2). Такое состояние атома принято называть возбужденным. Освободившееся на нижнем энергетическом уровне место заполняется (как выгодное положение) электроном с более высокого энергетического уровня. При переходе электрон отдает неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ количество энергии, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ соответствует энергетической разности между уровнями. В результате электронных переходов возникает характерное излучение. по спектральным линиям поглощаемого (излучаемого) света можно сделать количественное заключение об энергетических уровнях атома.
В соответствии с квантовой моделью атома Бора электрон, имеющий определенное энергетическое состояние, движется в атоме по круговой орбите. Электроны с одинаковым запасом энергии находятся на равных расстояниях от ядра, каждому энергетическому уровню отвечает свой набор электронов, названный Бором электронным слоем. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, по Бору электроны одного слоя двигаются по шаровой поверхности, электроны следующего слоя по другой шаровой поверхности. все сферы вписаны одна в другую с центром, отвечающим атомному ядру.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ" 2017, 2018.
2. Строение ядер и электронных оболочек атомов
2.6. Энергетические уровни и подуровни
Наиболее важной характеристикой состояния электрона в атоме является энергия электрона, которая согласно законам квантовой механики изменяется не непрерывно, а скачкообразно, т.е. может принимать только вполне определенные значения. Таким образом, можно говорить о наличии в атоме набора энергетических уровней.
Энергетический уровень - совокупность АО с близкими значениями энергии.
Энергетические уровни нумеруют с помощью главного квантового числа n , которое может принимать только целочисленные положительные значения (n = 1, 2, 3, ...). Чем больше значение n , тем выше энергия электрона и данного энергетического уровня. Каждый атом содержит бесконечное число энергетических уровней, часть из которых в основном состоянии атома заселена электронами, а часть - нет (эти энергетические уровни заселяются в возбужденном состоянии атома).
Электронный слой - совокупность электронов, находящихся на данном энергетическом уровне.
Иными словами, электронный слой - это энергетический уровень, содержащий электроны.
Совокупность электронных слоев образует электронную оболочку атома.
В пределах одного и того же электронного слоя электроны могут несколько различаться по энергии, в связи с чем говорят, что энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни (подслои ). Число подуровней, на которые расщепляется данный энергетический уровень, равно номеру главного квантового числа энергетического уровня:
N (подур) = n (уровн) . (2.4)
Подуровни изображаются с помощью цифр и букв: цифра отвечает номеру энергетического уровня (электронного слоя), буква - природе АО, формирующей подуровни (s -, p -, d -, f -), например: 2p -подуровень (2p -АО, 2p -электрон).
Таким образом, первый энергетический уровень (рис. 2.5) состоит из одного подуровня (1s ), второй - из двух (2s и 2p ), третий - из трех (3s , 3p и 3d ), четвертый из четырех (4s , 4p , 4d и 4f ) и т.д. Каждый подуровень содержит определенное число АО:
N (AO) = n 2 . (2.5)
Рис. 2.5. Схема энергетических уровней и подуровней для первых трех электронных слоев
1. АО s -типа имеются на всех энергетических уровнях, p -типа появляются начиная со второго энергетического уровня, d -типа - с третьего, f -типа - с четвертого и т.д.
2. На данном энергетическом уровне может быть одна s -, три p -, пять d -, семь f -орбиталей.
3. Чем больше главное квантовое число, тем больше размеры АО.
Поскольку на одной АО не может находиться более двух электронов, общее (максимальное) число электронов на данном энергетическом уровне в 2 раза больше числа АО и равно:
N (e) = 2n 2 . (2.6)
Таким образом, на данном энергетическом уровне максимально может быть 2 электрона s -типа, 6 электронов р -типа и 10 электронов d -типа. Всего же на первом энергетическом уровне максимальное число электронов равно 2, на втором - 8 (2 s -типа и 6 р -типа), на третьем - 18 (2 s -типа, 6 р -типа и 10 d -типа). Эти выводы удобно обобщить в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Связь между главным квантовым числом, числом э
Cтраница 1
Внешний энергетический уровень (электронная оболочка) их атомов содержит два электрона в s - подуровне. Этим они сходны с элементами главной подгруппы. Предпоследний же энергетический уровень содержит 18 электронов.
Внешний энергетический уровень иона S2 заполнен максимально возможным количеством электронов (8), и рследствие этого ион S2 может проявлять только электронодонорные функции: отдавая 2 электрона, он окисляется до элементарной серы, имеющей окислительное число, равное нулю.
Если внешний энергетический уровень атома состоит из трех, пяти или семи электронов и атом относится к / J-элементам, то он может отдавать последовательно от 1 до 7 электронов. Атомы, внешний уровень которых состоит из трех электронов, могут отдавать один, два и три электрона.
Если внешний энергетический уровень атома состоит из трех, пяти или семи электронов и атом относится к р-элементам, то он может отдавать последовательно от одного до семи электронов. Атомы, внешний уровень которых состоит из трех электронов, могут отдавать один, два и три электрона.
Так как внешний энергетический уровень содержит два s - электрона, поэтому они сходны с элементами подгруппы ПА. Предпоследний энергетический уровень содержит 18 электронов. Если в подгруппе меди подуровень (п - l) d10 еще не стабилен, то в подгруппе цинка он вполне стабилен, и d - электроны у элементов подгруппы цинка не принимают участия в химических связях.
Для завершения внешнего энергетического уровня атому хлора недостает одного электрона.
Для завершения внешнего энергетического уровня атому кислорода не хватает двух электронов. Однако в соединении кислорода с фтором OF2 общие электронные пары смещены к фтору, как к более электроотрицательному элементу.
Для завершения внешнего энергетического уровня кислороду не хватает двух электронов.
В атоме аргона внешний энергетический уровень является завершенным.
По электронному строению внешнего энергетического уровня элементы делятся на две подгруппы: VA - N, P, As, Sb, Bi - неметаллы и VB - V, Nb, Та - металлы. Радиусы атомов и ионов в степени окисления 5 в подгруппе VA планомерно нарастают от азота к висмуту. Следовательно, различие строения предвнешнего слоя мало сказывается на свойствах элементов и их можно рассматривать как одну подгруппу.
Сходство в строении внешнего энергетического уровня (табл. 5) отражается на свойствах элементов и их соединений. Это объясняется тем, что в атоме кислорода неспаренные электроны находятся на р-орбиталях второго слоя, на котором максимально может быть восемь электронов.