ЕГЭ • Задание 1

Задание 1 ЕГЭ по химии: Строение атома, изотопы и секреты проскока электрона

Задание №1 в ЕГЭ по химии открывает экзамен. Оно кажется простым: в нём нужно поработать с таблицей Менделеева и определить строение электронной оболочки атома. Однако статистика ФИПИ неумолима: каждый третий выпускник теряет баллы на этом задании из-за путаницы в терминах (внешние и валентные электроны) или забытых исключениях (проскок электрона).

В этой статье мы, как настоящие стобалльники, разложим по полочкам всё: от протонов в ядре до орбиталей, квантовых чисел и хитрых ловушек от составителей экзамена. После прочтения вы будете щелкать это задание за 30 секунд!

1. Ядро атома и изотопы: Фундамент

Любой атом похож на крошечную солнечную систему. В самом центре находится тяжелое, плотное ядро, а вокруг него по орбитам (орбиталям) летают легчайшие электроны.

Ядро состоит из двух типов частиц:

Протоны (\(\mathrm{p}^+\)) — заряжены положительно (+1). Их количество всегда равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
Нейтроны (\(\mathrm{n}^0\)) — не имеют заряда (нейтральны). Они нужны, чтобы протоны не разлетелись в стороны от взаимного отталкивания.

Массовое число (A) = Протоны (Z) + Нейтроны (N)

Масса электрона настолько ничтожна, что в химии её принимают за ноль. Поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре.

Определение

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов (одинаковый заряд ядра), но разное число нейтронов (разную массу).

Частый вопрос: «Почему атомная масса в таблице Менделеева дробная?»
Дело в том, что в природе элементы существуют в виде смеси изотопов. Например, у хлора есть два стабильных изотопа: Хлор-35 (его около 75% в природе) и Хлор-37 (его около 25%). Если посчитать среднее арифметическое с учетом их распространенности, мы получим ту самую дробную массу из таблицы: 35,5. Атома с массой ровно 35,5 не существует!

2. Электронные слои: Уровни и подуровни

Электроны в атоме не летают как попало. Они живут в строгом многоэтажном "электронном отеле".

Энергетический уровень (этаж) — обозначается цифрами 1, 2, 3 и т.д. Номер этажа, на котором живут самые дальние электроны, всегда равен номеру периода в таблице Менделеева. У натрия (3 период) — 3 этажа (уровня).
Подуровень (тип номера) — обозначается буквами s, p, d, f.
- s-орбиталь: форма шара (сферы). Вмещает 2 электрона.
- p-орбиталь: форма объемной восьмерки (гантели). Вмещает 6 электронов.
- d-орбиталь: сложная форма клевера. Вмещает 10 электронов.
- f-орбиталь: сложная пространственная форма. Вмещает 14 электронов.

Как электроны заселяются в отель? Здесь действуют жесткие законы микромира:

Принцип Паули: На одной орбитали ("в одной кровати") может находиться максимум два электрона, причем с противоположными спинами (один крутится по часовой, другой против).
Правило Хунда: Электроны не любят соседей. В пределах одного подуровня они сначала расселяются по одному в каждую орбиталь, и только когда свободных комнат не останется, начинают подселяться парами.
Правило Клечковского (Принцип минимума энергии): Электроны ленивы. Они всегда занимают орбиталь с наименьшей энергией. Из-за этого возникает странность: 4s-подуровень заполняется раньше, чем 3d-подуровень. На 4 этаже в s-комнате "дешевле" жить, чем в роскошной d-комнате на 3 этаже.

Порядок заполнения: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s ...

Пример: Электронная конфигурация Азота (N, №7)

У атома азота 7 электронов. Давайте заселим их в наш "отель" по правилам:

↑

Правило Хунда: Последние 3 электрона расселяются в три разные p-орбитали по одному, чтобы не толкаться.

↑↓

Принцип Паули: Эту орбиталь занимают два электрона с противоположными спинами (стрелочки вверх и вниз).

↑↓

Правило Клечковского: 1s-уровень заполняется самым первым, так как у него минимальная энергия.

Электронная формула: 1s² 2s² 2p³

3. Главная ловушка Задания 1: Проскок электрона

Этот пункт гуглят миллионы школьников каждый год. И именно на нём валятся на экзамене.

Казалось бы, заполняем хром (Cr, №24) по правилам: \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6\) \(4s^2 3d^4\). Логично? Да. Правильно? НЕТ!

Проскок (провал) электрона

У атомов Хрома (Cr) и Меди (Cu) (а также у серебра, золота и молибдена) один электрон с внешнего 4s-подуровня самовольно "проваливается" (перепрыгивает) на предвнешний 3d-подуровень.

Почему так происходит? Природа стремится к гармонии. Наполовину заполненный (\(d^5\)) или полностью заполненный (\(d^{10}\)) подуровень энергетически невероятно выгоден и стабилен. Поэтому атому выгодно забрать один электрон с s-подуровня, чтобы достроить d-подуровень.

Правильная конфигурация Хрома (Cr): ... 4s¹ 3d⁵ (а не 4s² 3d⁴)
Правильная конфигурация Меди (Cu): ... 4s¹ 3d¹⁰ (а не 4s² 3d⁹)

Запомните: если вас в ЕГЭ просят найти атом, у которого на внешнем уровне 1 электрон, помимо щелочных металлов (Li, Na, K) правильным ответом будут Хром и Медь!

4. Внешние vs Валентные электроны

Это вторая по популярности ошибка. В чем разница?

Внешние электроны — это электроны на самом последнем (высшем) энергетическом уровне. Точка. Ничего больше.
Валентные электроны — это электроны, которые могут образовывать химические связи. Они могут находиться не только на внешнем уровне!

Как не запутаться на ЕГЭ

Для элементов главных подгрупп (А-групп): Внешние электроны = Валентные электроны = Номер группы.
Для элементов побочных подгрупп (Б-групп): Валентные электроны находятся на внешнем s-подуровне И на предвнешнем d-подуровне! Внешних электронов у них обычно 2 (или 1 при проскоке), а валентных может быть от 3 до 8 (сумма s и d электронов).

Например, у Железа (Fe, VIIIБ группа): внешних электронов 2 (\(4s^2\)), а валентных электронов 8 (\(4s^2 + 3d^6\)). Внимательно читайте условие задания: что именно вас просят найти!

5. Разбор реального Задания 1

Давайте решим типичную задачу формата ЕГЭ с использованием нашего пошагового алгоритма. Кликните по карточке, чтобы увидеть подробное решение!

Практическая задача из банка ФИПИ

Разбор решения

Дан ряд химических элементов: 1) Na 2) K 3) Si 4) Mg 5) C

Определите атомы каких из указанных в ряду элементов имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня.

Решение (Шаг за шагом):

В задании просят найти одинаковую электронную конфигурацию (а не просто "сходную"). Это значит, что должно совпадать и главное квантовое число (номер периода), и подуровни (s, p), и количество электронов. То есть внешний слой должен выглядеть абсолютно идентично, буква в букву.

Давайте распишем внешние уровни (по номеру периода и номеру группы):

1) Натрий (Na): 3 период, IA группа. Внешний уровень: \(3s^1\)
2) Калий (K): 4 период, IA группа. Внешний уровень: \(4s^1\)
3) Кремний (Si): 3 период, IVA группа. Внешний уровень: \(3s^2 3p^2\)
4) Магний (Mg): 3 период, IIA группа. Внешний уровень: \(3s^2\)
5) Углерод (C): 2 период, IVA группа. Внешний уровень: \(2s^2 2p^2\)

Посмотрим на наши результаты. Углерод (\(2s^2 2p^2\)) и Кремний (\(3s^2 3p^2\)) имеют сходную конфигурацию (они элементы-аналоги, стоят в одной группе), но не одинаковую!

Натрий (\(3s^1\)) и Калий (\(4s^1\)) тоже имеют сходную конфигурацию.

Но подождите, где же одинаковые?

Здесь кроется классический подвох ЕГЭ. Мы забыли прочитать задание до конца: часто в таких заданиях речь идет об ионах. Но если в задании написано "атомы", значит составители проверяют внимательность. Одинаковой конфигурации внешнего слоя у атомов разных элементов быть не может, если они в основном состоянии. Но если речь идет про сходную конфигурацию (как часто бывает в реальных КИМах, если в тексте пропущено слово), то ответом будут элементы одной подгруппы.

В строгих формулировках ЕГЭ правильный вопрос звучал бы так: "имеют одинаковое число электронов на внешнем уровне". Тогда ответ: Углерод и Кремний (по 4 электрона), либо Натрий и Калий (по 1 электрону).

Ответ: Если просят одинаковое число внешних электронов: 3, 5 (C и Si) или 1, 2 (Na и K).

Интерактивный тест для закрепления

Мини-тренажер: Строение атома

Проверьте, не попадетесь ли вы в ловушки ЕГЭ.

1. У какого из перечисленных элементов наблюдается «проскок» (провал) электрона?

Правильно! У меди (Cu, №29) электрон проскакивает с 4s на 3d подуровень, чтобы полностью завершить его. Конфигурация: \(...4s^1 3d^{10}\).

2. Сколько валентных электронов у атома Марганца (Mn, VIIБ группа)?

Верно! Марганец — элемент побочной подгруппы (d-элемент). Его валентные электроны — это сумма электронов на внешнем (4s) и предвнешнем (3d) уровнях. У него \(4s^2 3d^5\), итого 2+5 = 7 валентных электронов (совпадает с номером группы).

3. Электронная конфигурация \(1s^2 2s^2 2p^6\) может принадлежать:

Абсолютно точно! Это конфигурация благородного газа неона (10 электронов). Натрий, отдавая 1 электрон, и фтор, принимая 1 электрон, также приобретают эту устойчивую десятиэлектронную конфигурацию (они изоэлектронны).

0 / 3

Поздравляем! Вы прошли тест.

Теперь Задание 1 на ЕГЭ не составит для вас труда. Переходите в наш банк заданий для отработки навыков!