Решебник по химии 8 класс Габриелян §31

Электроны в атоме не располагаются хаотично, а находятся в строгом порядке, обусловленном квантовыми законами. Они распределяются по энергетическим уровням (или оболочкам), которые окружает ядро. Каждый уровень может содержать определённое максимальное число электронов, определяемое формулой (2n²), где n — номер уровня.

Электронные уровни делятся на подуровни (s, p, d, f), а сами электроны движутся в определённых областях пространства, называемых орбиталями. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов с противоположными спинами.

Заполнение электронных уровней происходит согласно правилам:

1. Принципа наименьшей энергии – сначала заполняются орбитали с меньшей энергией (например, 1s → 2s → 2p → 3s и т. д.).

2. Принципа Паули – в одной орбитали могут находиться только два электрона с противоположными спинами.

3. Правила Хунда – при заполнении подуровней (например, p, d, f) электроны сначала занимают свободные орбитали, а затем уже спариваются.

Таким образом, расположение электронов в атоме подчиняется строгим закономерностям, что позволяет объяснить химические свойства элементов.

Электронная оболочка атома – это совокупность всех электронов, которые вращаются вокруг ядра атома, образуя электронное облако. Электронная оболочка состоит из энергетических уровней, или электронных слоёв, на которых электроны распределяются в соответствии с квантовыми законами.

Энергетический уровень (электронный слой) – это область вокруг ядра атома, в которой наиболее вероятно находится определённое число электронов. Число таких уровней у атома определяется его порядковым номером и увеличивается в зависимости от периода, в котором расположен элемент в Периодической системе Менделеева.

Заполнение электронных слоёв у атомов элементов происходит по правилу 2n², где n – номер энергетического уровня. Согласно этому правилу:

• Первый уровень (n = 1) может содержать максимум 2 электрона,

• Второй уровень (n = 2) – до 8 электронов,

• Третий уровень (n = 3) – до 18 электронов, но для элементов до 20-го номера заполняется максимум 8,

• Четвёртый уровень (n = 4) – до 32 электронов, но у элементов первой двадцатки в нём пока только 2 электрона.

Пример распределения электронов:

• У атома водорода (Z = 1) – 1 электрон (1s¹),

• У атома неона (Z = 10) – 2 электрона на первом уровне, 8 на втором (1s² 2s² 2p⁶),

• У атома кальция (Z = 20) – 2 электрона на первом, 8 на втором, 8 на третьем и 2 на четвёртом (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²).

Завершённые энергетические уровни – это те уровни, которые содержат максимальное возможное число электронов в соответствии с правилом 2n². У элементов главных подгрупп завершёнными уровнями являются те, которые содержат 2 (у гелия), 8 (у неона, аргона) или 18 электронов.

Максимальное число электронов на n-м энергетическом уровне вычисляется по формуле 2n²:

• 1-й уровень: (2 × 1²) = 2 электрона,

• 2-й уровень: (2 × 2²) = 8 электронов,

• 3-й уровень: (2 × 3²) = 18 электронов,

• 4-й уровень: (2 × 4²) = 32 электрона и так далее.

Сходство химических свойств элементов VA-группы объясняется одинаковым числом валентных электронов (5) на внешнем энергетическом уровне. Эти элементы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) могут проявлять степени окисления от -3 до +5, что позволяет им образовывать схожие соединения.

Формулы высших оксидов:

(N₂O₅), (P₂O₅), (As₂O₅), (Sb₂O₅), (Bi₂O₅).

Формулы летучих водородных соединений:

(NH₃), (PH₃), (AsH₃), (SbH₃), (BiH₃).

Эти соединения обладают аналогичными химическими свойствами, но с возрастанием атомного номера элементы становятся менее неметаллическими, а их соединения менее устойчивыми.

Щелочные металлы находятся в первой группе периодической таблицы. У них один валентный электрон и количество уровней равно номеру периода. Например:

• Литий (Li) – 3 электрона, 2 уровня

• Натрий (Na) – 11 электронов, 3 уровня

• Калий (K) – 19 электронов, 4 уровня

Щелочноземельные металлы относятся ко второй группе периодической системы. У них два валентных электрона, а число уровней соответствует номеру периода. Например:

• Бериллий (Be) – 4 электрона, 2 уровня

• Магний (Mg) – 12 электронов, 3 уровня

• Кальций (Ca) – 20 электронов, 4 уровня

Галогены принадлежат к 17-й группе (VIIA) и имеют 7 валентных электронов. Их число уровней равно номеру периода. Например:

• Фтор (F) – 9 электронов, 2 уровня

• Хлор (Cl) – 17 электронов, 3 уровня

• Бром (Br) – 35 электронов, 4 уровня

Благородные газы находятся в 18-й группе (VIIIA). Их внешний уровень завершён, что делает их химически инертными. Число уровней соответствует номеру периода. Например:

• Неон (Ne) – 10 электронов, 2 уровня

• Аргон (Ar) – 18 электронов, 3 уровня

• Криптон (Kr) – 36 электронов, 4 уровня

а) магния

Атомный номер: 12

Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 2e⁻)

б) кальция

Атомный номер: 20

Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 8e⁻, 2e⁻)

в) алюминия

Атомный номер: 13

Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 3e⁻)

г) фосфора

Атомный номер: 15

Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 5e⁻)

д) хлора

Атомный номер: 17

Электронная конфигурация: (2e⁻, 8e⁻, 7e⁻)

а) 2, 1;

Этот набор электронов соответствует атому лития (Li), так как у лития три электрона: два находятся на первом уровне, один — на втором.

б) 2, 8, 1;

Такое распределение характерно для атома натрия (Na), поскольку у него 11 электронов: два на первом уровне, восемь на втором и один на третьем.

в) 2, 8, 7;

Такой порядок характерен для атома хлора (Cl), так как у него 17 электронов: два на первом уровне, восемь на втором и семь на третьем.

г) 2, 8, 8, 2;

Данное распределение соответствует атому кальция (Ca), так как у него 20 электронов: два на первом уровне, восемь на втором, восемь на третьем и два на четвертом.

а) 2, 7, 1;

Этот набор невозможен, так как на втором уровне не может быть 7 электронов, если на третьем уровне находится 1 электрон. Энергетические уровни заполняются последовательно, и третий уровень заполняется только после второго.

б) 2, 3;

Такое распределение невозможно, так как второй уровень может содержать до 8 электронов, а 3 электрона на втором уровне без завершения первого противоречит правилу заполнения уровней.

в) 1, 8, 1;

Неверный набор, потому что первый энергетический уровень может содержать максимум 2 электрона, а не 1.

г) 2, 9;

Данный вариант невозможен, так как второй энергетический уровень может содержать максимум 8 электронов.

д) 2, 7;

Этот набор возможен, так как он соответствует атому фтора (F), у которого 9 электронов.

е) 2, 7;

Набор 2, 7 возможен, он соответствует атому фтора (F).

ж) 2, 8, 8;

Набор 2, 8, 8 невозможен, так как третий уровень может содержать максимум 8 электронов, но при этом следующий уровень (четвертый) должен быть заполнен, если элемент находится во втором периоде.

а) ¹⁰X 2, 8;

Элемент с массовым числом 10 и электронным распределением 2, 8 — это неон (Ne).

б) X P 2, X, 5;

Фосфор (P) имеет 15 электронов, его распределение: 2, 8, 5. Следовательно, X = 15.

в) ⁴He X;

Гелий (He) имеет 2 электрона, следовательно, X = 2.

г) X X, X, 2;

Этот элемент должен иметь два электрона на последнем уровне, значит, это элемент 2-й группы (щелочноземельный металл). Например, кальций (Ca) с распределением 2, 8, 8, 2.

Гелий (He) действительно имеет два электрона на внешнем уровне, что могло бы казаться основанием для его включения в IIA-группу, где находятся щелочноземельные металлы (например, бериллий и магний). Однако гелий принципиально отличается от этих элементов по химическим свойствам. Он является инертным газом и химически практически неактивен, в то время как бериллий и магний активно вступают в химические реакции.

Причина такой разницы в том, что у гелия завершённый энергетический уровень (1s²), что делает его стабильным и неспособным к образованию химических соединений при нормальных условиях. Именно эта инертность является ключевым критерием для его размещения в VIIIА-группе (группе благородных газов), а не в группе щелочноземельных металлов, которые легко образуют соединения.

Атом железа (Fe) имеет порядковый номер 26, что означает, что у него 26 электронов. Согласно принципу заполнения энергетических уровней, его электронное распределение будет следующим:

(1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²) или в сокращённом виде:

(2, 8, 14, 2).

Железо относится к переходным металлам, и его третий уровень (3d-подуровень) не является полностью заполненным, что влияет на его химические свойства, включая способность образовывать соединения с разными степенями окисления.

Атом кислорода (O) имеет порядковый номер 8, что означает, что у него 8 электронов. Его нормальное распределение по энергетическим уровням:

(1s² 2s² 2p⁴) → (2, 6).

При присоединении двух электронов кислород превращается в анион (O²⁻). Теперь у него 10 электронов, и распределение становится:

(1s² 2s² 2p⁶) → (2, 8).

Этот завершённый внешний уровень соответствует электронной конфигурации неона (Ne), что делает ион O²⁻ устойчивым.

Атом кальция (Ca) имеет порядковый номер 20, то есть 20 электронов. Его нормальное распределение по энергетическим уровням:

(1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²) → (2, 8, 8, 2).

При потере двух электронов (из 4s²) кальций превращается в катион Ca²⁺. Теперь у него 18 электронов, и новое распределение становится:

(1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶) → (2, 8, 8).

Такой ион устойчив, так как его электронная конфигурация совпадает с конфигурацией атома аргона (Ar).

Вот графическое представление порядка заполнения электронных слоёв у атомов элементов №1–20 в таблице Д. И. Менделеева. Оно показывает количество энергетических уровней и распределение электронов в атомах от водорода до кальция.