У какого химического элемента содержится 20 электронов
Все вещества состоят из атомов. Слово «атом» придумали задолго до наступления нашей эры. Но тогда считалось, что атом – самая крошечная частица, меньше которой ничего нет. Но наука доказала, что в атоме есть более мелкие частиц: протон, нейтрон и электрон. Протон и нейтрон находятся в ядре атома, каждая эта частица имеет массу в 1 единицу. Протон имеет заряд +1, нейтрон заряда не имеет. А ещё в атоме есть электрон, который летает вокруг ядра. Он маленький и весит так мало, что его вклад ничтожен, поэтому его массой можно пренебречь. А вот заряд у электрона есть, он отрицательный и равен -1. Всё это подробно изложено в статье «Строение атома». Ну а теперь переходим к вопросу, как понять, как устроен атом конкретного элемента, например, кислорода или кальция.
Итак, напоминаю, что атомы – нейтральны, они никогда не имеют заряда (или, иначе говоря, у них заряд 0). Но при этом в атоме есть протоны с зарядом +1, нейтроны с зарядом 0 и электроны с зарядом -1. Чтобы общий заряд атома был 0, нужно сделать так, чтобы в нём число положительных зарядов равнялось числу отрицательных. То есть в атоме число протонов (а именно они имеют заряд +1) равняется числу электронов (они имеют заряд -1). Это важно! И этот очевидный факт нужно понять и запомнить.
Сколько в атоме протонов, столько и электронов!
Почему мы тут не учли нейтроны? Потому что сейчас они нам не важны, ведь их заряд 0, поэтому на заряд атома они не влияют.
Теперь переходим к самому главному. Как же узнать число протонов и электронов в атоме? Для этого мы берём гигантскую шпаргалку, которая у вас всегда перед глазами в любом учебнике химии или кабинете химии. Это таблица Менделеева. Кстати, из неё можно узнать очень-очень много, но об этом позже.
Фото из открытых источников
Так вот. Смотрим на порядковый номер элемента (Здесь представлен фрагмент таблицы, и на картинке порядковые номера обведены синими кружками). Порядковый номер элемента – это заряд ядра.
Порядковый номер элемента в таблице Менделеева – это заряд ядра.
Но вы же помните, что ядро у нас состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов без заряда. Значит, заряд ядра определяют только протоны, только у них есть заряд. Каждый протон имеет заряд +1. Следовательно, общий заряд ядра и показывает, сколько в ядре протонов. И чтобы было понятно, вот примеры (и используйте, рассматривая их, периодическую таблицу, которая есть в любом учебнике химии).
Пример 1.
Порядковый номер бора 5. То есть заряд ядра атома бора +5. Один протон имеет заряд +1. Сколько нужно протонов, чтобы получить заряд +5? Пять протонов. И да, в ядре атома бора 5 протонов.
Пример 2.
Порядковый номер алюминия 13. Рассуждая как выше, получаем, что в ядре атома алюминия 13 протонов, а заряд ядра +13.
Пример 3.
Порядковый номер аргона 18. Значит, протонов в ядре атома аргона 18, а заряд ядра +18.
Разобрались? Но чуть раньше мы говорили, что атом нейтрален, у него заряд 0! А теперь говорим, что у нас есть ядро, например, бора, у которого заряд +3. Всё верно, ведь вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Каждый электрон имеет заряд -1, и благодаря им атом получает общий заряд 0. Давайте снова перейдём к примерам.
Итак, снова про бор. Его порядковый номер 5, и мы уже поняли, что заряд ядра атома бора +5, и в нём 5 протонов. Сколько нам нужно электронов (каждый из которых имеет заряд -1), чтобы получить в сумме 0? Конечно же, 5! Потому что 5 плюсов и 5 минусов это и есть о! То есть число протонов всегда равно числу электронов.
Ещё один пример и более наглядно.
Посмотрим пристально на кальций. Его порядковый номер 20. Как и любого другого атома, у него есть ядро, в которое входят протоны и нейтроны, и электроны, которые вращаются вокруг ядра. Порядковый номер 20 говорит нам, что в ядре атома кальция находятся 20 протонов (каждый имеет заряд +1, а 20 протонов имеют заряд +20). Чтобы заряд атома кальция был 0, нужно 20 минусов. И это действительно так: вокруг ядра атома кальция вращаются 20 электронов.
Таким образом, если репетитор по химии или учитель в школе спрашивает, сколько в таком-то атоме протонов и электронов, действуем так:
1. Находим элемент в таблице Менделеева.
2. Смотрим на порядковый номер.
3. Порядковый номер = числу протонов в ядре = числу электронов.
Например, такой хитрый вопрос (на егэ по химии он не попадётся, но для тренировки решим). А сколько протонов и электронов содержится в атоме олова? Быстро ищем олово в таблице Менделеева. Порядковый номер олова – 50. И отвечаем моментально: в атоме олова 50 протонов и 50 электронов. Вот и всё.
И тут можно снова задаться вопросом о нейтронах. Зачем же они в ядре и на что они влияют? А про это говорим в следующий раз.
Пожалуйста, пишите в комментариях, что осталось непонятным, и я обязательно дам дополнительные пояснения. Жалуйтесь на сложности в изучении школьного курса и говорите, что вас испугало в учебнике химии. И тогда следующая статья будет рассказывать именно об этой проблеме.
Источник
Атомная орбиталь
Все химические свойства веществ, то есть способность вступать в химические реакции, определяются строением электронных оболочек атомов. Электрон — главная элементарная частица для химии, так как именно благодаря обмену электронами могут образовываться новые химические соединения. Электрон — уникальная элементарная частица: обладая свойствами, отличающими его от всех других частиц, он одновременно является и частицей, и волной. Говоря научным языком, имеет двойственную природу. С одной стороны, обладая малой массой (почти в 2 тыс. раз меньше, чем масса протона и нейтрона), электрон проявляет свойства частицы. С другой стороны, электрон движется с такой высокой скоростью, что фактически «размазан» по атому, он находится не в одной конкретной точке, а образует «электронное облако». В этой области пространства электронная плотность достаточно велика. Этим объясняются волновые свойства электрона. Дуализм электрона подтверждается экспериментально. Так, например, для потока электронов, как и для световых волн, характерны явления интерференции (наложения) и дифракции (огибание препятствия).
Определение
Атомная орбиталь — это область пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна.
На каждой орбитали могут максимально размещаться два электрона, обладающие равной энергией, но отличающиеся особым свойством, спином.
Если очень условно уподобить электрон детской игрушке — волчку, то электроны с разными спинами будут соответствовать волчкам, вращающимся в разные стороны. Графически орбиталь принято изображать в виде квадрата, а электроны — в виде стрелок, направленных вверх или вниз. Стрелки, направленные в противоположные стороны, означают электроны с двумя противоположными спинами.
Электронные орбитали имеют определенную форму и энергию. Ряд орбиталей, обладающих равной или близкой энергией, образует энергетический уровень (слой). Номер уровня обозначают числом (n = 1, 2, 3…) или заглавной латинской буквой (K, L, M и дальше по алфавиту). Различают первый (n = 1 или K), второй (n = 2 или L), третий (n = 3 или M) и т. д. энергетические уровни, вплоть до бесконечности ($n =infty$ означает, что электрон улетает из атома, и атом превращается в ион). Уровень с номером n включает ровно $n^2$ орбиталей, на которых может разместиться максимально $2n^2$ электронов. Номер энергетического уровня $n$ называют главным квантовым числом.
Таким образом, на первом энергетическом уровне могут максимально находиться 2 электрона, на втором — 8, на третьем — 18 и т. д.
Формы атомных орбиталей
Каждый энергетический уровень делится на энергетические подуровни, которые образованы орбиталями, имеющими одинаковую форму и равную энергию. По форме различают s-, p-, d- и f-орбитали. s-орбитали имеют форму шара, иными словами, электрон, находящийся на такой орбитали (его называют s-электроном), большую часть времени проводит внутри сферы. s-орбиталь, находящуюся на первом энергетическом уровне, обозначают 1s, на втором — 2s и т. д.
р-орбитали имеют форму объемной восьмерки (см. рис. б и в). Следует подчеркнуть, что любая орбиталь является объемной. Они могут быть направлены по одной из трех координатных осей (обозначаются $p_x$,$ p_y$, $p_z$), поэтому на каждом энергетическом уровне (кроме первого, где есть только s-орбиталь) существуют три р-орбитали, обладающие одинаковой энергией. Формы d- и f-орбиталей намного сложнее. На рисунке видно, что существует 5 форм d-орбиталей и 7 форм f-орбиталей. На каждой из орбиталей, как вы помните, могут размещаться не более двух электронов, следовательно, s-подуровень максимально вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10, f — 14.
Орбитали одной и той же формы, но находящиеся на разных энергетических уровнях (например, 1s, 2s и 3s-орбитали), отличаются по энергии. Чем больше номер уровня, тем выше энергия орбитали и тем больше ее размер.
Рассмотрим три первых энергетических уровня. На первом уровне (n = 1) есть только 1s-подуровень (одна 1s-орбиталь), на котором максимально могут находиться два электрона (2 = 2×1). Второй энергетический уровень включает два подуровня: 2s- подуровень (одна 2s- орбиталь) и 2p-подуровень (три 2p-орбитали), всего четыре орбитали, на которых может находиться до 8 электронов (8 = 2×22). В состав третьего уровня (максимально 18 электронов) входят три подуровня: 3s- (одна орбиталь), 3p- (три орбитали) и 3d- (пять орбиталей), всего 9 орбиталей, содержащих не более 18 электронов (18 = 2×32).
| Номер энергетического уровня (n) | Подуровни и их схематичное изображение | Максимальное число электронов на энергетическом уровне ($N = 2n^2$) | |||
|---|---|---|---|---|---|
| s- | p- | d- | f- | ||
| 1 | $Box 1s$ | 2 | |||
| 2 | $Box 2s$ | $Box Box Box 2p$ | 8 | ||
| 3 | $Box 3s$ | $Box Box Box 3p$ | $Box Box Box Box Box 3d$ | 18 | |
| 4 | $Box 4s$ | $Box Box Box 4p$ | $Box Box Box Box Box 4d$ | $Box Box Box Box Box Box Box 4f$ | 32 |
Электроны занимают уровни и орбитали последовательно, в порядке увеличения энергии. Сначала заполняется первый энергетический уровень, после его завершения — второй и т. д.
Принципы построения электронной конфигурации элемента
Количество электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру.
Количество энергетических уровней атома равно номеру периода, в котором расположен элемент.
Количество электронов на внешнем (валентном) уровне равно номеру группы, в которой расположен элемент.
При более подробном описании электронной конфигурации рассматривают не только количество электронов на данном энергетическом уровне, но и их распределение по подуровням.
Разместим уже известные нам орбитали на энергетической диаграмме. Каждую незаполненную орбиталь мы обозначим пустым квадратиком (вертикальная ось показывает направление возрастания энергии).
Для полного описания электронного строения атома надо знать, как именно распределены электроны по энергетическим уровням. Перечень энергетических уровней, заполненных электронами, называют электронной конфигурацией атома.
При заполнении орбиталей электронами используют следующие правила.
Принцип минимума энергии
Орбитали заполняются в порядке увеличения энергии, снизу вверх. Каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной, т. е. среди свободных орбиталей он выбирает орбиталь с самой низкой энергией.
Порядок заполнения энергетических подуровней (см. рис.) можно запомнить в виде ряда:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d » 4f < 6p < 7s….Принцип Паули
На каждой орбитали может находиться не более двух электронов. Если два электрона находятся на одной орбитали, то они обладают противоположными спинами (стрелки направлены в разные стороны). Такие электроны называют спаренными. Если на орбитали находится только один электрон, то его называют неспаренным.
Правило Хунда (Гунда)
Атом в основном состоянии должен иметь максимально возможное число неспаренных электронов в пределах определенного подуровня.
Обратите внимание, что 4s-орбиталь обладает меньшей энергией, чем 3d-орбиталь. Это означает, что в первую очередь электроны заполнят 4s-подуровень и лишь затем 3d-подуровень. Для удобства запоминания порядка заполнения энергетических подуровней лучше воспользоваться следующей схемой: в каждой отдельной строке написать возможные типы орбиталей для каждого уровня, провести стрелки под углом 45$^0$ и «расселять» электроны по подуровням, ориентируясь по стрелкам сверху вниз.
Запись электронной конфигурации атома
Подробные электронные конфигурации атомов изображают двумя способами:
графически, с помощью квадратиков со стрелками (часто называют энергетическими диаграммами);
в строчку, когда перечисляются все занятые энергетические подуровни с указанием общего числа электронов на каждом из них.
Рассмотрим порядок заполнения электронами энергетических уровней, воспользовавшись периодической системой. Число электронов в атоме элемента, как вы помните, равно заряду его ядра, а следовательно, и порядковому номеру элемента в периодической системе. Так, например, в атоме водорода (N = 1) содержится всего один электрон, а в атоме кислорода (N = 8) — восемь. В каждом периоде периодической системы электронная оболочка атома каждого последующего элемента повторяет строение электронной оболочки предыдущего элемента с добавлением одного электрона.
Число заполненных энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором расположен элемент.
Электронные конфигурации некоторых элементов
Первый энергетический уровень вмещает максимально два электрона. Поэтому первый период состоит лишь из двух элементов — водорода и гелия. Простейший из атомов — водород, H. Он содержит один электрон, который занимает орбиталь с самой низкой энергией — 1s-орбиталь. Электронная конфигурация атома водорода. В атоме гелия первый энергетический уровень полностью завершен.
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.
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).
Определение
Элементы, в атомах которых происходит заполнение предвнешнего энергетического уровня, называют переходными.
Такие элементы расположены в побочных подгруппах периодической системы. Начиная с элемента галлия заполнение четвертого уровня продолжается.
Химические свойства элементов определяются не всеми электронами, а только внешними, обладающими наибольшей энергией.
Внешние электроны называют валентными, и их количество, как правило, равно номеру группы, в которой расположен элемент.
Их атом может отдавать в результате химических реакций, они обуславливают его химические свойства. У элементов главных подгрупп валентными являются электроны внешнего энергетического уровня. Число валентных электронов равно номеру группы, в которой находится элемент. Например, водород, натрий и калий, расположенные в первой группе, имеют по одному валентному электрону, а элементы четвертой группы — углерод и кремний — по четыре. Как вы помните, элементы, входящие в одну и ту же подгруппу, обладают сходными химическим свойствами. Это объясняется тем, что они имеют сходные электронные конфигурации, т. е. являются электронными аналогами. Полностью завершенные внутренние энергетические уровни не оказывают существенного влияния на химические свойства.
Элементы, в атомах которых валентные электроны расположены на s-подуровне, называют s-элементами, p-подуровне — p-элементами, d-подуровне — d-элементами, а f-подуровне — f-элементами.
s-элементы расположены в начале периодов, а р-элементы — в конце. В короткопериодном варианте периодической системы f-элементы (лантаноиды и актиноиды) вынесены за пределы таблицы. Малые периоды и главные подгруппы состоят лишь из s- и р-элементов. Все d- и f-элементы расположены в побочных подгруппах.
В длиннопериодном варианте s-, p-, d- и f-элементы занимают отдельные поля.
Именно конфигурация валентных электронов определяет то, является ли элемент металлом или неметаллом, с какими другими элементами он может взаимодействовать и какова его валентность. При заполнении орбиталей электронами конфигурация валентных электронов периодически повторяется, что приводит к периодическому изменению химических свойств элементов.
Пример
Записать электронную конфигурацию и энергетическую диаграмму атома серы, указав распределение электронов по уровням и подуровням.
Сера расположена в третьем периоде и VI (6) группе, порядковый номер — 16.
Значит, в атоме серы всего 16 электронов, которые расположены на трех энергетических уровнях (т. к. номер периода = 3), причем на последнем (валентном) уровне находится 6 электронов (т. к. номер группы = 6). В соответствии с принципом минимума энергии расположим электроны по подуровням.
Электронная конфигурация атома серы тогда выглядит следующими образом: $1S^22S^22P^63S^23P^4$.
«Проскок» или «провал» электрона
У атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au имеет место «провал» электрона с s-подуровня внешнего слоя на d-подуровень предыдущего слоя, что приводит к энергетически более устойчивому состоянию атома. Например, электронная формула атома меди, исходя из вышенаписанного, должна иметь вид: Cu $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6underline{4s^2 3d^9} $. Однако в действительности один из двух 4s-электронов «проваливается» на 3d-подуровень, и атом меди имеет следующую конфигурацию: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 underline{4s^1 3d^{10}} $.
Для элементов IБ-подгруппы характерна конфигурация внешнего слоя: $ns^1 (n-1)d^{10}$.
Для элементов Cr и Mo характерна конфигурация внешнего слоя: $ns^1 (n-1)d^5$.
Особо следует отметить палладий, у которого «проваливаются» два электрона:
$Pd hspace{1cm} 1s^2 2s^2 2p^6 3s^23p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 underline{5s^0 4d^{10}}.$
Возбужденное состояние атома
Все электронные конфигурации, о которых мы говорили выше, являются конфигурациями с наименьшей энергией и соответствуют основному состоянию атома.
Получив энергию извне (облучение или нагревание системы), один либо несколько электронов могут переходить на более высокий энергетический подуровень.
Определение
Состояние атома, при котором электрон из электронной пары с предыдущего подуровня «распаривается» и переходит на следующий подуровень, называется возбужденным состоянием атома.
Возбужденное состояние атома является неустойчивым, и через некоторое время электрон теряет энергию, перейдя на энергетическую орбиталь с меньшей энергией, испустив при этом квант света.
Определение
Состояние, которое требует для повышения энергии электрона наименьших энергетических затрат, называют первым возбужденным состоянием. Состояние, при котором все валентные электроны являются неспаренными, называют максимально возбужденным состоянием.
Например, для атома хлора возможны три возбужденных состояния, обозначенные на рисунке как Cl*, Cl**, Cl***, причем последнее является максимально возбужденным состоянием. У атомов в возбужденном состоянии меняется число валентных электронов и, соответственно, возможная степень окисления.
Источник