Как найти электроны в атоме формула

Была ли эта статья полезной?

Электронная формула химического элемента показывает то, как происходит распределение электронов на орбиталях в атоме по энергетическим уровням и подуровням.

Вот что нужно обязательно знать, чтобы правильно составить электронную формулу элемента:

I.

Все орбитали и находящееся на ней электроны характеризуют несколько квантовых чисел.

Среди них в первую очередь стоит выделить числа n и l.

• n – главное квантовое число, определяет общую энергию электрона на орбитали. Это число характеризует энергетический уровень и может принимать значение от 1 до 7.
• l – орбитальное квантовое число. Это число характеризует форму орбитали и энергетический подуровень.

Существует 4 вида орбиталей, различающихся своей формой и направленностью в пространстве.

• s-орбитали (l = 0),
• p-орбитали (l = 1),
• d-орбитали (l = 2),
• f-орбитали (l = 3).

Самое простое строение у s-орбитали, самое сложное – у f-орбитали.

II.

Каждый энергетический уровень содержит n подуровней (то есть чем больше главное квантовое число, тем больше подуровней).

Количество орбиталей, которое может быть на том или ином подуровне, определяется по формуле 2l + 1.

Согласно принципу Паули на одной орбитали может быть максимум 2 электрона (если находится 1 электрон, то он называется неспаренным, если 2 электрона – то это электронная пара).

Таким образом, будет нетрудно посчитать, сколько орбиталей и электронов может включать в себя каждый подуровень.

• s-подуровень включает 2 * 0 + 1 = 1 орбиталь и 1 * 2 = 2 электрона.

• p-подуровень включает 2 * 1 + 1 = 3 орбитали и 3 * 2 = 6 электронов.

• d-подуровень включает 2 * 2 + 1 = 5 орбиталей и 5 * 2 = 10 электронов.

• f-подуровень включает 2 * 3 + 1 = 7 орбиталей и 7 * 2 = 14 электронов.

III.

Заполнение орбиталей электронами осуществляется по правилу Клечковского (в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l), а при равных значениях этой суммы – в порядке возрастания n).

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d и т.д.

Здесь действует принцип минимума энергии, при котором электроны заполняют орбитали начиная с подуровня с наименьшей энергией.

IV.

Максимальное количество электронов на энергетическом уровне определяется по формуле N = 2n².

Эта формула вытекает из принципа из принципа Паули.

Исходя из формулы на первом уровне может быть максимум 2 электрона (s2), на втором уровне – максимум 8 электронов (2s2 2p6), на третьем уровне – максимум 18 электронов (3s2 3p6 3d10).

V.

Заполнение орбиталей внутри одного подуровня происходит по правилу Хунда.

Согласно этому правилу каждая орбиталь подуровня заполняется сначала одним электроном, а после исчерпания свободных орбиталей к имеющемуся электрону на орбитали добавляется парный электрон.

**

При составлении электронных формул элементов также понадобится периодическая система Д.И. Менделеева.

С её помощью можно определить:

• Количество электронов в атоме – оно равно порядковому номеру элемента в периодической таблице.

• Число энергетических уровней – оно равно номеру периода данного элемента.

• Число электронов на последнем уровне – оно равно номеру группы.

**

Пример.

Сера (S).

Это 16 элемент по счёту: количество электронов в атоме будет равно 16.

Находится в 3 периоде: всего будет 3 уровня.

Сначала заполняем 1 уровень: 1s2, на нём будет только 2 электрона.

Далее заполняем 2 уровень: 2s2 2p6, на нём будет 8 электронов.

Оставшиеся 6 электронов будет на 3 уровне (а это как раз номер группы): 3s2 3p4.

В результате получаем следующее:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Обучение школьников составлению электронных формул химических элементов в большинстве случае производится в соответствии со следующим алгоритмом: (https://www.calc.ru/Elektronnaya-Formula-Elementa.html).

1. Определите число электронов в атоме, используя Периодическую таблицу химических элементов Д.И. Менделеева.

2. По номеру периода, в котором расположен элемент, определите число энергетических уровней; число электронов на последнем электронном уровне соответствует номеру группы.

3. Уровни разбить на подуровни и орбитали и заполнить их электронами в соответствии с правилами заполнения орбиталей:

Необходимо помнить, что на первом уровне находится максимум 2 электрона 1s2, на втором – максимум 8 (два s и шесть р: 2s22p6), на третьем – максимум 18 ( два s, шесть p, и десять d: 3s2 3p6 3d10).

• Главное квантовое число n должно быть минимально.
• Первым заполняется s-подуровень, затем р-, d- b f-подуровни.
• Электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей (правило Клечковского).
• В пределах подуровня электроны сначала по одному занимают свободные орбитали, и только после этого образуют пары (правило Хунда).
• На одной орбитали не может быть больше двух электронов (принцип Паули).

Как правило, использование этого алгоритма подразумевает распределение электронов по уровням и подуровням с помощью расчетов, т. е на основе постоянного сравнения количества уже учтенных в электронной формуле электронов с общим количеством электронов в атомов. Использование же таблицы Менделеева при этом минимально.

Это можно проследить на множестве обучающих видеоматериалов, в которых авторы обращаются к ТМ практически только за порядковым номером элемента:

или используют ее раскраску:

Проанализировав более 20 видеоматериалов на данную тему, я смогла найти только один, в котором в качестве основы составления формул использовались не расчеты и не искусственные подсказки в виде разной раскраски знаков элементов, а сама структура таблицы Менделеева (10-12 минуты видео):

Преподавание – творческий процесс, каждый преподаватель выбирает те приемы и алгоритмы, которые близки его психологическим характеристикам. Сказывается также и первоначальное знакомство с данным материалом на уроках химии, когда сам преподаватель был школьником.

Ни в коей мере не претендуя на навязывание алгоритмов, по которым работаю, хочу познакомить (или напомнить), как составлять полные и сокращенные электронные формулы с помощью таблицы Менделеева. С данным приемом я познакомилась на уроках моей мамы в далекие советские годы, а затем – на лекциях и семинарах по неорганике в МИТХТ. Об эффективности этого приема может свидетельствовать то, что электронные формулы элементов четырех периодов легко составляли даже те мои одноклассники, которые с трудом могли посчитать молярную массу.

На приведенном ниже видео я попыталась показать, как, используя 2 источника – алгоритм заполнения электронами орбиталей и таблицу Менделеева, можно легко составлять полные и сокращенные электронные формулы любого химического элемента. Заранее прошу прощения за технические и терминологические ляпы (например, “элемент” вместо “атом”), а также за “жаргонные” словечки (вроде “прощелкать по клеткам”). Дело в том, что это видео -мой первый опыт в создании видеоматериалов.

Всего доброго!

Атомно-молекулярное учение

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.

Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней:

• Первый уровень

Состоит из s-подуровня: одной “1s” ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами – 1s²)

• Второй уровень

Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (2s²) и p-подуровня: трех “p” ячеек (2p⁶), на которых
помещается 6 электронов

• Третий уровень

Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (3s²), p-подуровня: трех “p” ячеек (3p⁶) и d-подуровня:
пяти “d” ячеек (3d¹⁰), в которых помещается 10 электронов

• Четвертый уровень

Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (4s²), p-подуровня: трех “p” ячеек (4p⁶), d-подуровня:
пяти “d” ячеек (4d¹⁰) и f-подуровня: семи “f” ячеек (4f¹⁴), 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

Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов:

• 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.

Таким образом, электронные конфигурации наших элементов:

• Углерод – 1s²2s²2p²
• Серы – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

Внешний уровень и валентные электроны

Количество электронов на внешнем (валентном) уровне – это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда
для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно:

• Углерод – 2s²2p² (4 валентных электрона)
• Сера -3s²3p⁴ (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 – 2s²2p² (2 неспаренных валентных электрона)
• Сера -3s²3p⁴ (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.

Запишем получившиеся электронные конфигурации магния и скандия:

• Магний – 1s²2s²2p⁶3s²
• Скандий – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹
  

В целом несложная и интересная тема электронных конфигураций отягощена небольшим исключением – провалом электрона, которое только подтверждает общее
правило: любая система стремится занять наименее энергозатратное состояние.

Провал электрона

Провалом электрона называют переход электрона с внешнего, более высокого энергетического уровня, на предвнешний, энергетически более
низкий. Это связано с большей энергетической устойчивостью получающихся при этом электронных конфигураций.

Подобное явление характерно лишь для некоторых элементов: медь, хром, серебро, золото, молибден. Для примера выберем хром, и рассмотрим
две электронных конфигурации: первую “неправильную” (сделаем вид, будто мы не знаем про провал электрона) и вторую правильную, написанную
с учетом провала электрона.

Теперь вы понимаете, что кроется под явлением провала электрона. Запишите электронные конфигурации хрома и меди самостоятельно еще раз и
сверьте с представленными ниже.

Основное и возбужденное состояние атома

Основное и возбужденное состояние атома отражаются на электронных конфигурациях. Возбужденное состояние связано с движением электронов
относительно атомных ядер. Говоря проще: при возбуждении пары электронов распариваются и занимают новые ячейки.

Возбужденное состояние является для атома нестабильным, поэтому долгое время в нем он пребывать не может. У некоторых атомов: азота,
кислорода , фтора – возбужденное состояние невозможно, так как отсутствуют свободные орбитали (“ячейки”) – электронам некуда перескакивать, к тому
же d-орбиталь у них отсутствует (они во втором периоде).

У серы возможно возбужденное состояние, так как она имеет свободную d-орбиталь, куда могут перескочить электроны. Четвертый энергетический
уровень отсутствует, поэтому, минуя 4s-подуровень, заполняем распаренными электронами 3d-подуровень.

По мере изучения основ общей химии мы еще не раз вернемся к этой теме, однако хорошо, если вы уже сейчас запомните, что возбужденное состояние
связано с распаривание электронных пар.