Особенности строения электронных оболочек атомов элементов

На этой странице вы узнаете: 

• Чем общежития электронов отличаются от студенческих?
• В атомах химических элементов есть свои уровни комфортности?
• Химические элементы делятся на семейства? Это что, биология какая-то?

Сейчас в обществе все больше набирает оборот модный тренд — минималистичный образ жизни. Как в фильме «Сто вещей и ничего лишнего». Главные герои — два закадычных друга — решили на спор отказаться от всех своих вещей (абсолютно всех, включая одежду и телефон). Спустя время и преодолев череду проблем, они поняли, что вещи — это не главное в жизни.

Видимо, по такому принципу «живет» хорошо нам знакомый товарищ — водород. У него всего один электрон, который всегда на своем месте. А как быть, например, с атомом хлора, у которого их аж 17, ведь их надо содержать в порядке? Сейчас мы с вами узнаем, как располагаются электроны в электронной оболочке атома и многое другое.

Строение электронной оболочки атома

Представим, что электрон — это студент, а электронная оболочка атома — общежитие. Как будет жить наш студент в общежитии?

Разберемся сначала с «планом помещения».

• В нём есть отдельные комнаты, которые называются атомными орбиталями — в них могут проживать максимум 2 электрона.
• Несколько комнат объединяются в блок с общей кухней — их мы назовем энергетическими подуровнями.
• Этажи общежития — энергетические уровни. Определенный этаж содержит определенное количество блоков. 

Таким образом, все электроны «живут» на энергетических уровнях-этажах, каждый из которых имеет энергетические подуровни-блоки со своими орбиталями-комнатами.

То, что мы видим с вами на рисунке — электронно-графическая формула для отдельных атомов химических элементов — это расположение всех его электронов на орбиталях.

Чем общежития электронов отличаются от студенческих? 1. Энергетические уровни (этажи) имеют порядковую нумерацию. Причем на первом уровне располагается всего один подуровень (блок), на втором — два, на третьем — три, на четвертом и последующих — по 4. 2. Подуровни (блоки) обозначают в следующем порядке по мере отдаления от ядра: s (имеет одну орбиталь) → p (три орбитали) → d (пять орбиталей)→ f (семь орбиталей). 3. Орбиталь (комната) специального обозначения не имеет. Может содержать максимум 2 электрона (студента).

Как нам поможет Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева при заполнении схемы строения электронных оболочек атомов?

• Число электронов в атоме химического элемента равно его порядковому номеру в Периодической системе Д. И. Менделеева.
• Количество уровней совпадает с номером периода, в котором располагается элемент: 1, 2, 3…
• Количество электронов на внешнем энергетическом уровне для элементов главных (A) подгрупп можно также легко узнать — в какой группе по номеру расположен химический элемент, столько электронов и будет находиться на его внешнем уровне. 
• Для элементов побочных подгрупп количество электронов на внешнем энергетическом уровне равно двум. Исключениями являются медь, серебро, хром, золото и некоторые другие элементы.
• Количество валентных электронов для элементов главных (A) подгрупп равно номеру группы, для элементов побочных подгрупп — числу электронов на внешнем энергетическом уровне и незаполненном предвнешнем подуровне.

Это можно использовать для проверки своих действий при распределении электронов по уровням.

Уже сейчас, используя полученную информацию, мы можем решить задание №2 ОГЭ по химии.  

На приведенном рисунке изображена модель атома химического элемента.

Запишите в таблицу порядковый номер в Периодической системе (Х) химического элемента, модель атома которого изображена на рисунке, и номер группы (Y), в которой этот элемент расположен в Периодической системе.

Решение: 
1) Порядковый номер химического элемента в Периодической системе можно определить по числу электронов в атоме. Сосчитав все электроны, получаем, что их 14 штук, следовательно, X — 14.

2) Номер группы Периодической системы, в которой расположен химический, элемент можно узнать по числу электронов на его внешнем электронном уровне. Сосчитав их, получим, что их 4 штуки, следовательно, Y — 4.

Ответ: 144

Электронная конфигурация атома

Для изображения строения электронных слоев атома (электронной конфигурации) пользуются условной записью.

Удобно представлять атомные орбитали в виде ячеек, в которых располагаются два электрона, их обозначаем в виде двух стрелочек, первая направлена вверх, а вторая — вниз. Это называется принципом Паули.

Он гласит, что два электрона не могут иметь одинаковые спины. Спин — характеристика электрона, проще всего его можно представить как вращение электрона по часовой стрелке и против часовой, поэтому в ячейке они расположены в противоположном направлении (то есть +1/2 и -1/2). 

При заполнении этих ячеек удобно пользоваться правилом Хунда (или правилом «трамвайного вагона»): 

При наличии свободных орбиталей на подуровне электроны занимают именно их, а не «подсаживаются» к другим электронам:  Ты приглядись, решив присесть, К местам трамвайного вагона: Когда ряды пустые есть, Подсаживаться нет резона.

В нашем с вами примере студентов заселяют по одному в комнату пока это возможно. 

Важное замечание: в комнате не больше двух студентов — атомная орбиталь вмещает максимально два электрона.

Например, на изображении представлена электронно-графическая формула атома углерода. Стрелочками обозначены электроны, которые занимают атомные орбитали. Несколько атомных орбиталей на одном энергетическом уровне образуют подуровни. 

Можно составить общую табличку с информацией о том, как распределяются электроны по энергетическим уровням и подуровням электронно-графической формулы: 

В атомах химических элементов есть свои уровни комфортности? Да, проанализировав таблицу, мы увидим, что на s-подуровне (блоке) может находиться не больше двух электронов, на p-подуровне — не больше шести электронов, на d-подуровне — не больше десяти электронов, на f-подуровне — не больше четырнадцати электронов. Электроны, как и студенты, стремятся занять более комфортные места, так система стремится к минимуму энергии. Порядок заполнения подуровней в атомах химических элементов следующий: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …  Согласитесь, если студентам заселиться в блок вдвоем, им будет проще найти друг с другом общий язык, чем если бы их было в блоке четырнадцать.

Схематично порядок заполнения энергетических подуровней электронно-графической формулы представлен на картинке: 

После того, как мы расположили все электроны по своим местам, мы можем составить электронную конфигурацию атома, которая будет отражать порядок заполнения электронов по подуровням в текстовом виде. 

Потренируемся в написании электронной конфигурации на примере атомов хлора и титана.

Химический элемент титан располагается в IVB группе IV периода, имеет порядковый номер, равный 22. Исходя из этого, мы можем сказать, что в его атоме:

— четыре энергетических уровня (IV период), из которых первый и второй уровни полностью заполнены;
— четыре электрона на внешнем энергетическом уровне и предвнешнем подуровне;
— всего двадцать два электрона (порядковый номер).

В соответствии с порядком заполнения орбиталей распределим электроны:

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d² — как мы видим, сначала заполняется 4s-подуровень, а затем 3d-подуровень, это соответствует порядку заполнения орбиталей, описанному выше.

Проверим себя. В сумме все верхние цифры (обозначающие число электронов на подуровне), должны образовать ровно 22: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 2 = 22, следовательно, электронная конфигурация атома хлора составлена верно.

Химические элементы делятся на семейства? Это что, биология какая-то? К счастью, с биологией у атомов химических элементов мало общего, иначе, представьте, что в качестве домашнего питомца у вас был бы атом хлора, а в зоопарке бы показывали семью атомов золота. Что-то из области фантастики, не так ли? Однако, да, химические элементы разделяют на семейства по строению их электронных оболочек. Таких семейств выделяют четыре: — s-элементы — это элементы IA и IIA групп, в их атомах последний электрон занимает место на s-подуровне внешнего энергетического уровня; — p-элементы — это элементы IIIA-VIIA групп, в их атомах последний электрон занимает место на p-подуровне внешнего энергетического уровня;  — d-элементы — это элементы побочных подгрупп, в их атомах последний электрон занимает место на d-подуровне предвнешнего энергетического уровня;  — f-элементы — это лантаноиды и актиноиды, 4f- и 5f-элементы соответственно, в их атомах последний электрон занимает место на f-подуровне предпредвнешнего энергетического уровня.

Таким образом, мы с вами узнали, что электроны располагаются в атомах химических элементов в определенном порядке и выявили связь между положением химического элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и строением его атома. Теперь для нас не составит труда описать строение атома любого химического элемента.

Фактчек

• Электроны располагаются на электронных уровнях, причем их число определяется положением элемента в Периодической системе (по номеру периода).
• Энергетические уровни, в свою очередь, состоят из подуровней.
• Энергетические подуровни состоят из атомных орбиталей, которые для удобства обозначаются ячейками.
• По принципу Паули на каждой атомной орбитали могут располагаться максимально два электрона, причем их спины должны быть противонаправлены.
• Электроны располагаются по подуровням так, чтобы энергия системы была минимальна.
• Химические элементы делятся на s-, p-, d- и f-семейства по тому, на какой подуровень пишем последний электрон при составлении электронной конфигурации атома.

Проверь себя 

Задание 1.
Сколько электронов может максимально располагаться на орбитали? 

1. 1 электрон
2. 2 электрона
3. 3 электрона
4. 4 электрона

Задание 2. 
Как атомные подуровни заполняются электронами? 

1. в порядке увеличения их энергии
2. в порядке уменьшения их энергии
3. в периодическом порядке

Задание 3.
Сколько атомных орбиталей содержит d-подуровень? 

1. 1 
2. 3 
3. 5 
4. 7 

Задание 4.
Какую форму имеет s-орбиталь? 

1. шара
2. гантели
3. эллипса
4. нескольких гантелей

Ответы: 1. —  2; 2. — 1; 3. — 3; 4. (**)` и распарить свои электронные пары с `3s`— и `3p`-подуровней на более высокий по энергии `3d`—подуровень:

Использование периодической таблицы для определения валентных электронов

Периодическая таблица устроена таким образом, что элементы со сходными химическими свойствами размещаются в столбцах (группах).

Это сходство химических свойств связано с тем, что элементы в группе имеют одинаковое количество электронов на внешнем энергетическом уровне (называемых валентными электронами). Валентные электроны атома определяют, как он будет реагировать с другими атомами и молекулами. Это упражнение подчеркивает этот факт и учит студентов простому способу определения валентных электронов элементов, находящихся в группах 1, 2 и 13-18.

Это задание следует выполнить после того, как учащиеся познакомятся со структурой атома, Периодической таблицей и валентными электронами. Это служит хорошей разминкой.

Родственный словарь:

• периодическая таблица – расположение элементов в порядке их атомных номеров таким образом, что элементы со сходными свойствами попадают в один столбец или группу
• валентный электрон – электрон, находящийся на внешнем энергетическом уровне атома и определяющий химические свойства атома.
группа
• – вертикальный столбец элементов в таблице Менделеева; элементы в группе имеют общие химические свойства
• период- В химии горизонтальный ряд элементов в периодической таблице
• химическая связь – взаимодействие, удерживающее вместе атомы или ионы

Материалы

• Доступная таблица Менделеева для каждого учащегося
• Модель атома AZER для каждого ученика

Примечание. У каждого учащегося должен быть атом другого элемента.

Процедура

1. Соберите материалы.
2. Сделайте атом для каждого ученика из групп 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 или 18.                                                            
3. Положите на стол каждого ученика периодическую таблицу и атом.

Цель 1

• Определение валентных электронов:
• Каждый учащийся начнет с определения количества валентных электронов в своем атоме. Дайте учащимся достаточно времени и при необходимости предоставьте дополнительную информацию. Если учащиеся забыли, что валентные электроны находятся на внешнем уровне, напомните им об этом факте.
• Пусть каждый учащийся укажет, сколько валентных электронов находится в атоме, который ему дали. Кратко обсудите валентные электроны.

Цель 2

• Найти элемент в периодической таблице
• Скажите учащимся, что атомы, которые им дают, являются нейтральными атомами (это означает, что они имеют такое же количество электронов, как и протоны). Предложите учащимся найти элементы периодической таблицы. Направляйте их, если это необходимо.

Цель 3

• Определить шаблон для групп периодической таблицы
• После того, как учащиеся найдут свои элементы, попросите их определить, к какой группе относится атом.  
• Попросите учащихся найти связь между количеством валентных электронов и числом групп.

Крышка

Резюме того, что было рассмотрено.

• Валентные электроны находятся на внешнем энергетическом уровне.
• Нейтральные атомы будут иметь одинаковое количество протонов и электронов.
• Четко объясните учащимся, что элементы в группах 1, 2 и 13-18 будут иметь следующие валентные электроны:

Группа 1 и 2 — то же количество валентных электронов, что и у группы

Группа 13-18 — то же количество валентных электронов, что и последняя цифра номера группы

Стандарты NGSS:

Старшая школа PS1.A: Структура и свойства вещества
Периодическая таблица упорядочивает элементы по горизонтали по количеству протонов в ядре атома и размещает элементы с похожими химическими свойствами в столбцах. Повторяющиеся паттерны этой таблицы отражают паттерны внешнего электронного состояния. (ГС-ПС1-1)

Лаура Госпиталь

Вернуться на главную страницу Accessible Science .

ПОДЕЛИТЕСЬ ЭТОЙ СТАТЬЕЙ

Чрезвычайно точное измерение массы электрона

Измерение массы электрона, более точное в 13 раз, может повлиять на фундаментальные законы физики

Электроны — это квантовый клей нашего мира . Без электронов не было бы химии, и свет не смог бы взаимодействовать с материей. Если бы электроны были лишь немного тяжелее или легче, чем они есть на самом деле, мир выглядел бы совершенно иначе. Но как можно на самом деле взвесить частицу, которая настолько мала, что до сих пор считалась точечной? Этот подвиг теперь был достигнут в совместном проекте с участием физиков из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге, которые «взвесили» массу электрона в 13 раз точнее, чем это было известно ранее. Поскольку масса электрона связана с фундаментальными физическими константами, она имеет значение для фундаментальной физики.

«Обычно вам потребуется провести десять или двадцать лет исследований в области точной физики, чтобы улучшить фундаментальное значение на один порядок», — говорит Клаус Блаум, директор Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге. очень рад сообщить о «огромном отклике», который этот последний результат вызывает на научных конференциях. Всего за несколько лет совместным исследованиям, возглавляемым командой Гейдельберга, удалось определить значение массы электрона точнее в 13 раз. Руководитель проекта Свен Штурм объясняет чрезвычайно высокую чувствительность «шкалы» используется для достижения этого результата со следующим изображением: «Если бы мы применили это к Airbus A-380, мы смогли бы обнаружить комара как безбилетного пассажира, просто взвесив».

Тот факт, что физики теперь знают массу электрона с точностью до одиннадцати знаков после запятой, важен, потому что электроны практически вездесущи. Простое прочтение этого текста означает, что электроны должны преобразовывать свет в нервные импульсы в глазах. Эти крошечные частицы, которые, согласно современным знаниям, не имеют пространственной протяженности, таким образом, обладают огромной силой в природе. Их масса связана, в том числе, со значением фундаментальных физических констант.

Одним из примеров является «постоянная тонкой структуры», которая определяет форму и свойства атомов и молекул. «Он описывает все, что мы можем видеть, — говорит Блаум, — потому что он играет центральную роль во взаимодействии света и материи». Если бы природа дала электронам лишь немного другую массу, атомы выглядели бы совершенно иначе. Такой мир, вероятно, был бы очень странным.

Масса электрона измеряется вместе с ядром углерода

Масса электрона также является центральной переменной в так называемой стандартной модели физики, которая описывает три из четырех известных в настоящее время фундаментальных физических сил. Хотя модель работает впечатляюще хорошо, тем не менее теперь ясно, что существуют пределы ее достоверности. Однако, где лежат пределы стандартной модели, остается открытым вопросом. Таким образом, точное знание массы электрона может оказать существенную помощь в поисках ранее неизвестных физических взаимосвязей.

Группа физиков во главе с Клаусом Блаумом и Свеном Штурмом разработала оригинальный эксперимент, чтобы определить чрезвычайно малую массу электрона. Взвешивание, в принципе, требует эталона для сравнения. «Если утром встать на весы, в старых механических моделях это пружина», — объясняет Блаум. Балочные весы имеют противовес в качестве эталона. В случае с электроном физики столкнулись с проблемой, что все элементарные частицы, которые можно было бы осмысленно использовать в качестве эталонных весов, намного тяжелее. «Например, протон или нейтрон в две тысячи раз тяжелее, — объясняет Блаум, — что было бы похоже на попытку взвесить кролика со слоном в качестве противовеса». Поэтому для своего эксперимента физики использовали хитрую стратегию. Хотя они собрали вместе две совершенно неравные массы, они даже не пытались взвесить электронного кролика напрямую с помощью атомного слона.

Свен Штурм, докторант Блаума в Университете Майнца, поставил эксперимент. «Главной задачей было разработать метод измерения», — говорит он. В качестве постдока он возглавил группу, которая провела точное измерение массы электрона. Физики соединили один электрон с голым ядром чрезвычайно тяжелого изотопа углерода (С) 12. Этот изотоп углерода был выбран тщательно, так как он является основой для атомной единицы массы. Масса C 12 по определению точно известна, и использование ее в качестве эталона исключает основной источник ошибки. «Контроль систематических ошибок абсолютно необходим», — подчеркивает Штурм.

Ловушка Пеннинга заставляет ион углерода мчаться по цепи

Физики оторвали пять из шести электронов атома углерода, чтобы подготовить ядро ​​C12 с одним электроном. Оставшийся ион углерода с зарядом, равным пяти, — ядро ​​углерода с одним электроном — мчался по цепи, которую, если рассматривать ее очень упрощенно, можно рассматривать как круговую. Так называемая ловушка Пеннинга с чрезвычайно однородным магнитным полем заставляет ион углерода следовать по этому круговому пути.

«Цель при выполнении точных измерений всегда состоит в том, чтобы сделать измеряемую переменную точно исчисляемой», — говорит Блаум, объясняя идею метода: «В гонке Формулы-1 на трассе зрители могут посчитать, сколько раз гоночный автомобиль проносится мимо и, зная длину трассы, может оценить скорость автомобиля».

Ситуация аналогична ловушке Пеннинга; однако в этом случае физики смогли измерить даже мельчайшие части полных цепей.

Квантовая механика помогла на втором этапе, который затем потребовался для определения массы электрона. У электронов есть так называемый «спин», благодаря которому они действуют как крошечные магниты. В сильном магнитном поле ловушки Пеннинга этот спин прецессирует или колеблется, как крошечный гироскоп. Хотя эта прецессия чрезвычайно быстра, у физиков была стратегия ее точного измерения. Суть в том, что частота вращения иона углерода в ловушке и частота колебаний прецессии электрона находятся в точном соотношении друг к другу. Подобно зубчатому механизму, квантовая механика прочно связывает массу иона углерода с массой электрона, которая тем самым поддается измерению.

Только теоретический вклад позволил измерить массу электрона

Однако в механизме, известном как g-фактор или гиромагнитный фактор, имелась довольно плохо изученная «зубчатая шестерня».