Распространенные элементы. строение атомов. Электронные оболочки. Орбитали

 

Химический элемент – определенный вид атомов, обозначаемый названием и символом и характеризуемый порядковым номером и относительной атомной массой.

В табл. 1 перечислены распространенные химические элементы, приведены символы, которыми они обозначаются (в скобках – произношение), порядковые номера, относительные атомные массы, характерные степени окисления.

Нулевая степень окисления элемента в его простом веществе (веществах) в таблице не указана.

 

 

Все атомы одного элемента имеют одно и то же число протонов в ядре и число электронов в оболочке. Так, в атоме элемента водород Н находится 1 р⁺ в ядре и на периферии 1 е ^‑; в атоме элемента кислород О находится 8 р⁺ в ядре и 8 е ^‑ в оболочке; атом элемента алюминий Аl содержит 13 р ⁺ в ядре и 13 е ^‑ в оболочке.

Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов в ядре, такие атомы называются изотопами. Так, у элемента водород Н три изотопа: водород‑1 (специальное название и символ протий ¹H) с 1 р⁺ в ядре и 1 е ^‑ в оболочке; водород‑2 (дейтерий ²Н, или D) с 1 р⁺ и 1 п ⁰ в ядре и 1 е ^‑ в оболочке; водород‑3 (тритий ³Н, или Т) с 1 р⁺ и 2 п ⁰ в ядре и 1 е ^‑ в оболочке. В символах ¹Н, ²Н и ³Н верхний индекс указывает массовое число – сумму чисел протонов и нейтронов в ядре. Другие примеры:

 

 

Электронную формулу атома любого химического элемента в соответствии с его расположением в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева можно определить по табл. 2.

 

 

Электронная оболочка любого атома делится на энергетические уровни (1, 2, 3‑й и т. д.), уровни делятся на подуровни (обозначаются буквами s, р, d, f). Подуровни состоят из атомных орбиталей – областей пространства, где вероятно пребывание электронов. Орбитали обозначаются как 1s (орбиталь 1‑го уровня s‑подуровня), 2 s, 2 р, 3 s, 3 р, 3d, 4 s … Число орбиталей в подуровнях:

 

 

Заполнение атомных орбиталей электронами происходит в соответствии с тремя условиями:

1) принцип минимума энергии

 

 

Электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией.

 

Последовательность нарастания энергии подуровней:

 

 

1 s < 2 c < 2 p < 3 s < 3 p < 4 s ≤ 3 d < 4 p < 5 s ≤ 4 d < 5 p < 6 s …

 

2) правило запрета (принцип Паули)

 

 

В каждой орбитали может разместиться не более двух электронов.

 

Один электрон на орбитали называется неспаренным, два электрона – электронной парой:

 

 

3) принцип максимальной мультиплетности (правило Хунда)

 

 

В пределах подуровня электроны сначала заполняют все орбитали наполовину, а затем – полностью.

 

Каждый электрон имеет свою собственную характеристику – спин (условно изображается стрелкой вверх или вниз). Спины электронов складываются как вектора, сумма спинов данного числа электронов на подуровне должна быть максимальной (мультиплетность):

 

 

Заполнение электронами уровней, подуровней и орбиталей атомов элементов от Н (Z = 1) до Kr (Z = 36) показано на энергетической диаграмме (номера отвечают последовательности заполнения и совпадают с порядковыми номерами элементов):

 

 

Из заполненных энергетических диаграмм выводятся электронные формулы атомов элементов. Число электронов на орбиталях данного подуровня указывается в верхнем индексе справа от буквы (например, 3 d ⁵ – это 5 электронов на З d ‑подуровне); вначале идут электроны 1‑го уровня, затем 2‑го, 3‑го и т. д. Формулы могут быть полными и краткими, последние содержат в скобках символ соответствующего благородного газа, чем передается его формула, и, сверх того, начиная с Zn, заполненный внутренний d‑подуровень. Примеры:

₁H = 1s¹

₂Не = 1s²

₃Li = 1s²2s¹ = [₂He]2s¹

₈O = 1s² 2s²2p⁴ = [₂He] 2s²2p⁴

₁₃Al = 1s²2s²2p⁶ 3s²3p¹ = [₁₀Ne] 3s²3p¹

₁₇Cl = 1s²2s²2p⁶ 3s²3p⁵ = [₁₀Ne] 3s²3p⁵

_2OСа = 1s²2s²2p⁶3s²3p 4s² = [₁₈Ar] 4s²

₂₁Sc = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d¹4s² = [₁₈Ar] 3d¹4s²

₂₅Mn = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d⁵4s² = [₁₈Ar] 3d⁵4s²

₂₆Fe = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d⁶4s² = [₁₈Ar] 3d⁶4s²

_3OZn = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰ 4s² = [₁₈Ar, 3d¹⁰] 4s²

₃₃As = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰ 4s²4p³ = [₁₈Ar, 3d¹⁰] 4s²4p³

₃₆Kr = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰ 4s²4p⁶ = [₁₈Ar, 3d¹⁰] 4s²4p⁶

Электроны, вынесенные за скобки, называются валентными. Именно они принимают участие в образовании химических связей.

Исключение составляют:

₂₄Cr = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d⁵4s¹ = [₁₈Аr] Зd⁵4s¹ (а не 3d⁴4s²!),

₂₉Cu = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d¹⁰4s¹ = [₁₈Ar] 3d¹⁰4s¹ (а не 3d⁹4s²!).

 

Примеры заданий части А

 

1. Название, не относящееся к изотопам водорода, – это

1) дейтерий

2) оксоний

3) протий

4) тритий

 

2. Формула валентных подуровней атома металла – это

1) 4s²4p⁴

2) 3d⁵4s²

3) 2s²2p¹

4) 3s²3p⁶

 

3. Число неспаренных электронов в основном состоянии атома железа равно

1) 2

2) 3

3) 4

4) 8

 

4. В возбужденном состоянии атома алюминия число неспаренных электронов равно

1) 1

2) 2

3) 3

4) 4

 

5. Электронная формула [Ar]3d⁹4s⁰ отвечает катиону

1) Ti²⁺

2) Cu²⁺

3) Cr²⁺

4) Zn²⁺

 

6. Электронная формула аниона Э^2‑ [Ne] 3s²3p⁶ отвечает элементу

1) аргон

2) хлор

3) сера

4) фосфор

 

7. Суммарное число электронов в катионе Mg²⁺ и анионе F^‑ равно

1) 9

2) 10

3) 20

4) 21