Энергетические уровни. Химия Число энергетических уровней в химии

Что происходит с атомами элементов во время химических реакций? От чего зависят свойства элементов? На оба эти вопроса можно дать один ответ: причина лежит в строении внешнего В нашей статье мы рассмотрим электронное металлов и неметаллов и выясним зависимость между структурой внешнего уровня и свойствами элементов.

Особые свойства электронов

При прохождении химической реакции между молекулами двух или более реагентов происходят изменения в строении электронных оболочек атомов, тогда как их ядра остаются неизменными. Сначала ознакомимся с характеристиками электронов, находящихся на наиболее удаленных от ядра уровнях атома. Отрицательно заряженные частицы располагаются слоями на определенном расстоянии от ядра и друг от друга. Пространство вокруг ядра, где нахождение электронов наиболее возможно, называется электронной орбиталью. В ней сконденсировано около 90 % отрицательно заряженного электронного облака. Сам электрон в атоме проявляет свойство дуальности, он одновременно может вести себя и как частица, и как волна.

Правила заполнения электронной оболочки атома

Количество энергетических уровней, на которых находятся частицы, равно номеру периода, где располагается элемент. На что же указывает электронный состав? Оказалось, что на внешнем энергетическом уровне для s- и p-элементов главных подгрупп малых и больших периодов соответствует номеру группы. Например, у атомов лития первой группы, имеющих два слоя, на внешней оболочке находится один электрон. Атомы серы содержат на последнем энергетическом уровне шесть электронов, так как элемент расположен в главной подгруппе шестой группы и т. д. Если же речь идет о d-элементах, то для них существует следующее правило: количество внешних отрицательных частиц равно 1 (у хрома и меди) или 2. Объясняется это тем, что по мере увеличения заряда ядра атомов вначале происходит заполнение внутреннего d- подуровня и внешние энергетические уровни остаются без изменений.

Почему изменяются свойства элементов малых периодов?

В малыми считаются 1, 2, 3 и 7 периоды. Плавное изменение свойств элементов по мере возрастания ядерных зарядов, начиная от активных металлов и заканчивая инертными газами, объясняется постепенным увеличением количества электронов на внешнем уровне. Первыми элементами в таких периодах являются те, чьи атомы имеют всего один или два электрона, способные легко отрываться от ядра. В этом случае образуется положительно заряженный ион металла.

Амфотерные элементы, например, алюминий или цинк, свои внешние энергетические уровни заполняют небольшим количеством электронов (1- у цинка, 3 - у алюминия). В зависимости от условий протекания химической реакции они могут проявлять как свойства металлов, так и неметаллов. Неметаллические элементы малых периодов содержат от 4 до 7 отрицательных частиц на внешних оболочках своих атомов и завершают ее до октета, притягивая электроны других атомов. Например, неметалл с наибольшим показателем электроотрицательности - фтор, имеет на последнем слое 7 электронов и всегда забирает один электрон не только у металлов, но и у активных неметаллических элементов: кислорода, хлора, азота. Заканчиваются малые периоды, как и большие, инертными газами, чьи одноатомные молекулы имеют полностью завершенные до 8 электронов внешние энергетические уровни.

Особенности строения атомов больших периодов

Четные ряды 4, 5, и 6 периодов состоят из элементов, внешние оболочки которых вмещают всего один или два электрона. Как мы говорили ранее, у них происходит заполнение электронами d- или f- подуровней предпоследнего слоя. Обычно это - типичные металлы. Физические и химические свойства у них изменяются очень медленно. Нечетные ряды вмещают такие элементы, у которых заполняются электронами внешние энергетические уровни по следующей схеме: металлы - амфотерный элемент - неметаллы - инертный газ. Мы уже наблюдали ее проявление во всех малых периодах. Например, в нечетном ряду 4 периода медь является металлом, цинк - амфотерен, затем от галлия и до брома происходит усиление неметаллических свойств. Заканчивается период криптоном, атомы которого имеют полностью завершенную электронную оболочку.

Как объяснить деление элементов на группы?

Каждая группа - а их в короткой форме таблицы восемь, делится еще и на подгруппы, называемые главными и побочными. Такая классификация отражает различное положение электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов. Оказалось, что у элементов главных подгрупп, например, лития, натрия, калия, рубидия и цезия последний электрон расположен на s-подуровне. Элементы 7 группы главной подгруппы (галогены) заполняют отрицательными частицами свой p-подуровень.

Для представителей побочных подгрупп, таких, как хром, типичным будет наполнение электронами d-подуровня. А у элементов, входящих в семейства накопление отрицательных зарядов происходит на f-подуровне предпоследнего энергетического уровня. Более того, номер группы, как правило, совпадает с количеством электронов, способных к образованию химических связей.

В нашей статье мы выяснили, какое строение имеют внешние энергетические уровни атомов химических элементов, и определили их роль в межатомных взаимодействиях.

2. Строение ядер и электронных оболочек атомов

2.6. Энергетические уровни и подуровни

Наиболее важной характеристикой состояния электрона в атоме является энергия электрона, которая согласно законам квантовой механики изменяется не непрерывно, а скачкообразно, т.е. может принимать только вполне определенные значения. Таким образом, можно говорить о наличии в атоме набора энергетических уровней.

Энергетический уровень - совокупность АО с близкими значениями энергии.

Энергетические уровни нумеруют с помощью главного квантового числа n , которое может принимать только целочисленные положительные значения (n = 1, 2, 3, ...). Чем больше значение n , тем выше энергия электрона и данного энергетического уровня. Каждый атом содержит бесконечное число энергетических уровней, часть из которых в основном состоянии атома заселена электронами, а часть - нет (эти энергетические уровни заселяются в возбужденном состоянии атома).

Электронный слой - совокупность электронов, находящихся на данном энергетическом уровне.

Иными словами, электронный слой - это энергетический уровень, содержащий электроны.

Совокупность электронных слоев образует электронную оболочку атома.

В пределах одного и того же электронного слоя электроны могут несколько различаться по энергии, в связи с чем говорят, что энергетические уровни расщепляются на энергетические подуровни (подслои ). Число подуровней, на которые расщепляется данный энергетический уровень, равно номеру главного квантового числа энергетического уровня:

N (подур) = n (уровн) . (2.4)

Подуровни изображаются с помощью цифр и букв: цифра отвечает номеру энергетического уровня (электронного слоя), буква - природе АО, формирующей подуровни (s -, p -, d -, f -), например: 2p -подуровень (2p -АО, 2p -электрон).

Таким образом, первый энергетический уровень (рис. 2.5) состоит из одного подуровня (1s ), второй - из двух (2s и 2p ), третий - из трех (3s , 3p и 3d ), четвертый из четырех (4s , 4p , 4d и 4f ) и т.д. Каждый подуровень содержит определенное число АО:

N (AO) = n 2 . (2.5)

Рис. 2.5. Схема энергетических уровней и подуровней для первых трех электронных слоев

1. АО s -типа имеются на всех энергетических уровнях, p -типа появляются начиная со второго энергетического уровня, d -типа - с третьего, f -типа - с четвертого и т.д.

2. На данном энергетическом уровне может быть одна s -, три p -, пять d -, семь f -орбиталей.

3. Чем больше главное квантовое число, тем больше размеры АО.

Поскольку на одной АО не может находиться более двух электронов, общее (максимальное) число электронов на данном энергетическом уровне в 2 раза больше числа АО и равно:

N (e) = 2n 2 . (2.6)

Таким образом, на данном энергетическом уровне максимально может быть 2 электрона s -типа, 6 электронов р -типа и 10 электронов d -типа. Всего же на первом энергетическом уровне максимальное число электронов равно 2, на втором - 8 (2 s -типа и 6 р -типа), на третьем - 18 (2 s -типа, 6 р -типа и 10 d -типа). Эти выводы удобно обобщить в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Связь между главным квантовым числом, числом э

1 (2 балла). Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме калия:

А. 2е, 8е, 8е, 1е В. . 2е, 8е,

18е, 8е, 1е
Б. 2е, 1е Г. 2е, 8е, 1е

2 (2 балла). Число электронов на внешнем электронном слое у атома алюминия:

А. 1 Б. 2 В. 3 Г.4

3 (2 балла). Простое вещество с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами:

А. Кальций Б. Барий В. Стронций Г. Радий

4 (2 балла). Вид химической связи в простом веществе - алюминий:

А. Ионная Б. Ковалентная полярная

В. Металлическая Г. Ковалентная неполярная

5 (2 балла). Число энергетических уровней у элементов одной подгруппы сверху вниз:

А. Изменяется периодически. Б. Не изменяется.

В. Увеличивается. Г. Уменьшается.

6 (2 балла). Атом лития отличается от иона лития:

А. 3арядом ядра. Б. Числом электронов на внешнем энергетическом уровне.

В. Числом протонов. Г. Числом нейтронов.

7 (2 балла.). Наименее энергично реагирует с водой:

А. Барий. В. Магний.

Б. Кальций. Г. Стронций

8 (2 балла). С раствором серной кислоты не взаимодействует:

А. Алюминий. В. Натрий

Б. Магний. Г. Медь

9 (2 балла). Гидроксид калия не взаимодействует с веществом, формула которого:

А. Na2O В. АlСl3

Б. Р2O5 Г. Zn(NO3)2

10 (2 балла). Ряд, в котором все вещества реагируют с железом:

А. НСl, СО2, СО

Б. CO2, HCl, S

В. Н2, O2, СаO

Г. O2, СuSO4, Н2SO4

11 (9 баллов). Предложите три способа получения гидроксида натрия. Ответ подтвердите уравнениями реакций.

12 (6 баллов). Осуществите цепочку химических превращений, составив уравнения реакций в молекулярном и ионном видах, назовите продукты реакций:

FeCl2 → Fe(OH)2 → FeSO4 → Fe(OH)2

13 (6 баллов). Как, используя любые реактивы (вещества) и цинк, получить его оксид, основание, соль? Составьте уравнения реакций в молекулярном виде.

14 (4 балла). Составьте уравнение химической реакции взаимодействия лития с азотом. Определите восстановитель и окислитель в этой реакции

1 Периодическое повторение числа электронов на внешнем уровне атома объясняет_______________ 2. Количество энергетических уровней атома можно

определить по:
A. номером группы;
Б. номеру периода;
B. порядковым номером.

4. Какая из характеристик химических элементов не меняется в главных подгруппах:
А радиус атома;
Б число электронов на внешнем уровне;
В. число энергетических уровней.

5. Общее у строении атомов элементов с порядковыми номерами 7 и 15:

A. число электронов на внешнем уровне, Б. заряд ядра;

B. число энергетических уровней.

Установите соответствие между символом химичесого элемента (в заданном порядке) и числом электронов на внешнем энергетическом уровне его атома.Из букв

Соответствующих правильным ответам, вы составите название установки, которая позволит человечеству еще глубже познать строение атома(9 букв).

Число е на Символ элемента

Энергетическом

уровне Mg Si I F C Ba Sn Ca Br

2 к а п о л й с е м

4 а о в к а т д ч я

7 в й л л н г о л р

1 (3 балла). Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме натрия-

А. 2 ē, 1 ē Б. 2 ē, 4 ē В. 2 ē, 8 ē, 1ē. Г. 2 ē, 8 ē, 3ē.

2 (4 балла) Номер периода в Периодической системе Д. И. Менделеева, в котором нет химических элементов-металлов: А. 1. Б. 2. В. 3. Г. 4.

3 (3 балла). Вид химической связи в простом веществе кальции:

A. Ионная. Б. Ковалентная полярная. B. Ковалентная неполярная. Г. Металлическая.

4 (3 балла). Простое вещество с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами:

А. Алюминий. Б. Кремний. В. Магний. Г. Натрий.

5 (3 балла). Радиус атомов элементов 2-го периода с увеличением заряда ядра от щелочного металла к галогену: A.Изменяется периодически. Б. Не изменяется. B. Увеличивается. Г. Уменьшается.

6 (3 балла). Атом магния отличается от иона магния:

A. Зарядом ядра. Б. Зарядом частицы. B. Числом протонов. Г. Числом нейтронов.

7 (3 балла). Наиболее энергично реагирует с водой:

А. Калий. Б. Литий. В. Натрий. Г. Рубидий.

8 (3 балла). С разбавленной серной кислотой не взаимодействует:

А. Алюминий. Б. Барий. В. Железо. Г. Ртуть.

9 (3 балла). Гидроксид бериллия не взаимодействует с веществом, формула которого:

A. NaOH(p р). Б. NaCl(p_p). В. НС1(р_р). Г. H2SО4.

10 (3 балла). Ряд, в котором все вещества реагируют с кальцием:

А. СО2, Н2, НС1. В. NaOH, Н2О, НС1. Б. С12, Н2О, H2SО4. Г. S, H2SО4, SО3.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

11 (9 баллов). Предложите три способа получения сульфата железа (II). Ответ подтвердите уравнениями реакций.

12 (6 баллов). Определите вещества X, Y, Z, запишите их химические формулы.

Fe(OH)3(t)= X(+HCl)= Y(+NaOH)=Z(t) Fe2О3

13 (6 баллов). Как, используя любые реактивы (вещества) и алюминий, получить оксид, амфотерный гидроксид? Составьте уравнения реакций в молекулярном виде.

14 (4 балла). Расположите металлы: медь, золото, алюминий, свинец в порядке увеличения плотности.

15 (5 баллов). Рассчитайте массу металла, полученного из 160 г оксида меди (II).

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ
Рубрика (тематическая категория)	Образование

СТРОЕНИЕ АТОМА

1. Развитие теории строения атома. С

2. Ядро и электронная оболочка атома. С

3. Строение ядра атома. С

4. Нуклиды, изотопы, массовое число. С

5. Энергетические уровни.

6. Квантово-механическое объяснение строения.

6.1. Орбитальная модель атома.

6.2. Правила заполнения орбиталей.

6.3. Орбитали с s-электронами (атомные s-орбитали).

6.4. Орбитали с p-электронами (атомные p-орбитали).

6.5. Орбитали с d- f-электронами

7. Энергетические подуровни многоэлектронного атома. Квантовые числа.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ

Строение электронной оболочки атома определяется различным запасом энергииотдельных электронов в атоме. В соответствии с моделью атома Бора электроны могут занимать в атоме положения, которым отвечают точно определœенные (квантованные) энергетические состояния. Эти состояния называются энергетическими уровнями.

Число электронов, которые могут находиться на отдельном энергетическом уровне, определяется формулой 2n 2 , где n –номер уровня, который обозначается арабскими цифрами 1 – 7. Максимальное заполнение первых четырех энергетических уровней в. соответствии с формулой 2n 2 составляет: для первого уровня – 2 электрона, для второго – 8, для третьего –18 и для четвертого уровня – 32 электрона. Максимальное заполнение электронами более высоких энергетических уровней в атомах известных элементов не достигнуто.

Рис. 1показывает заполнение электронами энергетических уровней первых двадцати элементов (от водорода Н до кальция Са, черные кружки). Заполняя в указанном порядке энергетические уровни, получают простейшие модели атомов элементов, при этом соблюдают порядок заполнения (снизу вверх и слева направо по рисунку) таким образом, пока последний электрон не укажет на символ соответствующего элементаНа третьем энергетическом уровне М (максимальная емкость равна 18 е - )для элементов Nа – Аr содержится только 8 электронов, затем начинает застраиваться четвертый энергетический уровень N –на нем появляются два электрона для элементов К и Са. Следующие 10 электронов снова занимают уровень М (элементы Sc – Zn (не показаны), а потом продолжается заполнение уровня N еще шестью электронами (элементы Cа-Кr, белые кружки).

Рис. 1

Рис. 2

В случае если атом находится в основном состоянии, то его электроны занимают уровни с минимальной энергией, т. е. каждый последующий электрон занимает энергетически самое выгодное положение, такое, как на рис. 1. При внешнем воздействии на атом, связанном с передачей ему энергии, к примеру путем нагревания, электроны переводятся на более высокие энергетические уровни (рис. 2). Такое состояние атома принято называть возбужденным. Освободившееся на нижнем энергетическом уровне место заполняется (как выгодное положение) электроном с более высокого энергетического уровня. При переходе электрон отдает неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ количество энергии, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ соответствует энергетической разности между уровнями. В результате электронных переходов возникает характерное излучение. по спектральным линиям поглощаемого (излучаемого) света можно сделать количественное заключение об энергетических уровнях атома.

В соответствии с квантовой моделью атома Бора электрон, имеющий определœенное энергетическое состояние, движется в атоме по круговой орбите. Электроны с одинаковым запасом энергии находятся на равных расстояниях от ядра, каждому энергетическому уровню отвечает свой набор электронов, названный Бором электронным слоем. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, по Бору электроны одного слоя двигаются по шаровой поверхности, электроны следующего слоя по другой шаровой поверхности. всœе сферы вписаны одна в другую с центром, отвечающим атомному ядру.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ" 2017, 2018.

– частицы, образующие молекулы .

Попытайся представить, насколько малы атомы по сравнению с величиной самих молекул на таком примере.

Наполним резиновый шарик газом. Если предположить, что через тонкий прокол из шарика будет выходить миллион молекул в секунду, то для вылета всех молекул из шарика понадобится 30 млрд лет. А ведь в состав одной молекулы может входить два, три, а может, и несколько десятков или даже несколько тысяч атомов!

Современная техника позволила сфотографировать и молекулу, и атом с помощью специального микроскопа. Молекулу удалось сфотографировать при увеличении в 70 млн раз, а атом – в 260 млн раз.

Долгое время ученые считали, что атом неделим. Даже слово атом в переводе с греческого языка означает «неделимый». Однако многолетние исследования показали, что, несмотря на маленькие размеры, атомы состоят из еще более мелких частей (элементарных частиц ).

Не правда ли, строение атома напоминает Солнечную систему ?

В центре атома – ядро , вокруг которого на некотором расстоянии движутся электроны

Ядро – самая тяжелая часть атома, в нем сосредоточена масса атома.

У ядра и электронов существуют электрические заряды, противоположные по знаку, но равные по величине.

Ядро имеет положительный заряд, электроны – отрицательный, поэтому в целом атом не заряжен.

Запомни

Все атомы имеют ядро и электроны. Атомы отличаются друг от друга: массой и зарядом ядра; количеством электронов.

Задание

Подсчитай количество электронов в атомах алюминия, углерода, водорода. Заполни таблицу.

· Название атома	Количество электронов в атоме
Атом алюминия
Атом углерода
Атом водорода

Ты хочешь узнать больше о строении атома? Тогда читай дальше.

Заряд ядра атома определяется порядковым номером элемента .

Например, порядковый номер водорода равен 1 (определяем по Периодической таблице Менделеева), значит, заряд ядра атома равен +1.

Порядковый номер кремния равен 14 (определяем по Периодической таблице Менделеева), значит, заряд ядра атома кремния равен +14.

Чтобы атом был электронейтрален, число положительных и отрицательных зарядов в атоме должно быть одинаково

(в сумме получится ноль).

Число электронов (отрицательно заряженных частиц) равно заряду ядра (положительно заряженных частиц) и равно порядковому номеру элемента .

В атоме водорода 1 электрон, кремния- 14 электронов.

Электроны в атоме движуться по энергетическим уровням.

Число энергетических уровне в атоме определяется номером периода, в котором находится элемент (тоже определяем по Периодической таблице Менделеева)

Например, водород - элемент первого периода, значит у него

1 энергетический уровень, а кремний - элемент третьего периода, следовательно 14 электронов распределены по трем энергетическим уровным. Кислород и углерод- элементы третьего периода, поэтому электроны движуться по трем энергетическим уровням.

Задание

1.Какой заряд ядра в атомах химических элементов, изображенных на рисунке?

2. Сколько энергетических уровней в атоме алюминия?