Как обозначается число электронов

Атомы и электроны

Мы приступаем к изучению химии — мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными формулами элементов.

Атом (греч. а — отриц. частица + tomos — отдел, греч. atomos — неделимый) — электронейтральная частица вещества микроскопических размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).

Описываемая модель атома называется «планетарной» и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом

Протон (греч. protos — первый) — положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов элементов. Нейтрон (лат. neuter — ни тот, ни другой) — нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех химических элементов, кроме водорода.

Электрон (греч. elektron — янтарь) — стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома — порядковый номер в таблице Менделеева — равен числу электронов (и, соответственно, протонов).

Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20) в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.

Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило: порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.

Электронная конфигурация атома

Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни.

Состоит из s-подуровня: одной «1s» ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами — 1s 2 )

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (2s 2 ) и p-подуровня: трех «p» ячеек (2p 6 ), на которых помещается 6 электронов

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (3s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (3p 6 ) и d-подуровня: пяти «d» ячеек (3d 10 ), в которых помещается 10 электронов

Состоит из s-подуровня: одной «s» ячейки (4s 2 ), p-подуровня: трех «p» ячеек (4p 6 ), d-подуровня: пяти «d» ячеек (4d 10 ) и f-подуровня: семи «f» ячеек (4f 14 ), на которых помещается 14 электронов

Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.

Подуровни: «s», «p» и «d», которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный «рисунок».

S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь — клеверный лист.

Правила заполнения электронных орбиталей и примеры

• Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
• На орбитали (в одной «ячейке») не может располагаться более двух электронов
• Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются еще одним электроном с противоположным направлением
• Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s

Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.

Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.

Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода — 6, у серы — 16.

Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.

Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку.

• Углерод — 1s 2 2s 2 2p 2
• Серы — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Внешний уровень и валентные электроны

• Углерод — 2s 2 2p 2 (4 валентных электрона)
• Сера -3s 2 3p 4 (6 валентных электронов)

Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью — способностью атомов образовывать определенное число химических связей.

• Углерод — 2s 2 2p 2 (2 неспаренных валентных электрона)
• Сера -3s 2 3p 4 (2 неспаренных валентных электрона)

Тренировка

Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.

• Магний — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
• Скандий — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1

Особенности строения электронных оболочек атомов элементов

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.

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).

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

• Число электроновв 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 подгруппколичество 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»):

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:

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 → …

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 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 — 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.

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:

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. — 1.

Как обозначается число электронов

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

n — (индекс) порядковый номер;

с — скорость света, с_о — скорость света в вакууме;

е — обозначение электрона;

е_о, m_о* — заряд и эффективная масса электрона;

n_о — концентрация свободных электронов в материале;

Е_n — энергетические уровни (энергетические состояния);

e _n,n+1 — разность энергий между энергетическими состояниями;

t _n — время жизни электрона на энергетическом уровне;

h n — энергия фотона;

n _n — обозначения колебательных мод;

n_n — квантовые числа колебательных мод;

Е_g — ширина запрещенной зоны;

V_c — критическая средняя скорость накачки.

n _c — частота столкновений, при котором происходит изменение импульса;

n _э.ф — частота электрон-фотонных столкновений;

n _э.э — частота электрон-электронных столкновений;

n _э.и — частота электрон-ионных столкновений;

n _и.и — частота ион-ионных столкновений;

t _р, t _э — время разогрева кристаллической решетки и электронов проводимости.

l _г — длина генерируемой волны;

l _и — длина волны излучения или импульса излучения;

l _n — набор длин волн белого светового излучения.

f — частота волны;

f_г — частота генерируемой волны;

D f_г — частотный диапазон спектра линии генерации (ширина линии генерации);

t _и — длительность импульса излучения;

g — степень когерентности излучения;

t _к — время когерентности излучения;

L_к , S_к — длина и область когерентности излучения;

q_о , q_н — насыщенный и ненасыщенный коэффициент усиления;

E_max, E_min — максимальная и минимальная интенсивности освещенности интерференционных полос;

Q — потери в резонаторе;

l, D — длина и диаметр резонатора (активной среды);

D l — флуктуация линейного размера резонатора (активной среды);

t _и.л — длительность светового импульса лампы накачки.

I — интенсивность волны;

I_о — интенсивность излучения;

I_г — интенсивность генерируемой волны;

I_н — насыщенная интенсивность излучения;

I_о, I_о1,2,3 — плотность и критические плотности излучения;

I(z) — распределение интенсивности излучения по глубине материала;

I(o) — интенсивность излучения на поверхности материала;

k_I — коэффициент распределения интенсивности по сечению пучка излучения;

W — мощность волны;

W_и — мощность импульса излучения;

W_л — выходная мощность непрерывного излучения лазера;

W_с — средняя выходная мощность импульсного лазерного излучения;

Е — энергия волны;

Е_и — энергия излучения;

Q — расходимость волны;

Q _d — расходимость пучка излучения диаметром d_o;

Q _c — расходимость излучения, обусловленная дифракцией;

Q _г — расходимость излучения при его телескопическом расширении.

a , R — коэффициенты поглощения и отражения света;

А — поглощающая способность материала;

n — коэффициент преломления света;

Y — преломляющий угол призмы, бипризмы;

Ф — фокусное расстояние;

Ф_г — фокусное расстояние для генерируемой волны;

Ф_n — фокусные расстояния для отдельной монохроматической волны;

Г — увеличение телескопической системы;

d_o — диаметр пучка излучения, диаметр выфрезерованного отверстия лазерным излучением;

d_г, r_г — диаметр и радиус пятна сфокусированного лазерного (генерированного) излучения;

d_о г — диаметр телескопически расширенного пучка;

d_сп — диаметр светового пучка на поверхности обрабатываемого материала;

d _s — диаметр сфокусированного белого света;

с _n — теплоемкость;

x — коэффициент температуропроводности;

c — коэффициент теплопроводности;

c _э, c _ф, c _л — коэффициенты электронной, фононной и лучевой теплопроводности;

Т_о — температура окружающей среды;

Т_п, Т_и и Т_к — температуры плавления, испарения и кипения;

Т_ип — температура испаряющейся поверхности;

Т_с — установившаяся температура;

Т_пдл, Т_э — температуры подложки и эпитаксии;

L_и — удельная теплота испарения.

z — глубина воздействия излучения; z_пр — глубина прогретого слоя;

z_п и z_и — глубина плавления и испарения (глубина проделанного отверстия за счет испарения);

t — время излучения;

t_п, t_к и t_и — время воздействия, достаточное для установления температуры плавления кипения и испарения;

u _о — скорость перемещения лазерного пучка;

u _t — скорость распространения тепла.

Е_а — энергия активации процесса;

E_i — энергия частиц (ионов);

I_p — ток тлеющего разряда;

U — приложенное электрическое напряжение;

p — давление газа или остаточных газов в вакууме;

P — вес материала;

D P — испарившаяся часть материала;

r , g — плотность, удельный вес материала;

l_с.п — длина свободного пробега частиц (атомов);

h — толщина осажденного слоя (пленки);

u _и, u _п — скорости испарения материала и осаждения пленки;

u _п о — мгновенная скорость осаждения пленки при импульсном испарении.