Строение атома. Электронные оболочки
Тема кодификатора ОГЭ: Строение атома. Ядро и электронная оболочка. Строение электронных оболочек атомов первых 20 химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.
1. Из чего состоит атом?
Несмотря на то, что в переводе с древнегреческого "атом" означает "неделимый", в физике давно доказано, что атом имеет сложную структуру. Атом состоит из ядра и окружающей его электронной оболочки.
- Ядро находится в центре атома. Оно имеет положительный заряд и состоит из протонов (положительных частиц, $p^+$) и нейтронов (частиц без заряда, $n^0$).
- Электронная оболочка образована электронами (отрицательно заряженными частицами, $e^-$), которые движутся вокруг ядра.
Масса протона и масса нейтрона примерно равны 1 атомной единице массы (а.е.м.). Электрон же в тысячи раз легче, поэтому считается, что вся масса атома сосредоточена в его ядре.
2. Как определить количество протонов, нейтронов и электронов?
Все необходимые данные для описания строения любого атома скрыты в Периодической системе Д.И. Менделеева. Главное правило, которое нужно запомнить:
Порядковый номер элемента (Z) — это самая важная характеристика. Он равен заряду ядра, а значит, и количеству протонов. Так как атом электронейтрален (плюсы компенсируются минусами), число электронов также равно порядковому номеру.
| Характеристика | Обозначение | Как определить по таблице Менделеева |
|---|---|---|
| Заряд ядра | +Z | Равен порядковому номеру |
| Число протонов | $p^+$ | Равно порядковому номеру |
| Число электронов | $e^-$ | Равно порядковому номеру |
| Массовое число | $A$ | Округленная до целого атомная масса элемента (кроме Хлора — 35,5) |
| Число нейтронов | $n^0$ | Массовое число минус порядковый номер ($A - Z$) |
Пример: Найдем состав атома фосфора (P).
Его порядковый номер Z = 15. Значит, заряд ядра +15, в ядре 15 протонов, а вокруг него вращается 15 электронов.
Атомная масса фосфора равна 30,974. Округляем до целого — получаем массовое число A = 31.
Число нейтронов: N = 31 - 15 = 16 нейтронов.
3. Электронные оболочки (энергетические уровни)
Электроны не просто хаотично летают вокруг ядра, а располагаются на строго определенных орбитах — электронных слоях (или энергетических уровнях). Электроны, находящиеся ближе к ядру, притягиваются сильнее, а те, что дальше — слабее.
Чтобы понять, как электроны распределяются по слоям, нужно запомнить три правила из таблицы Менделеева:
- Число электронных слоёв равно номеру периода (горизонтального ряда), в котором находится элемент.
- Число электронов на внешнем (последнем) слое равно номеру группы (вертикального столбца) для элементов главных подгрупп (А-групп).
- Каждый слой имеет максимальную вместимость. Первый слой вмещает максимум 2 электрона, второй — 8 электронов, третий — 18 электронов (но у элементов первых 3-х периодов он заполняется только до 8, после чего начинается заполнение четвертого слоя).
4. Строение атомов первых 20 элементов
В ОГЭ по химии от вас требуют знания строения только первых 20 элементов (от водорода до кальция). Давайте посмотрим на распределение электронов по уровням (слоям) у ключевых из них.
| № | Элемент | Период | Группа | Заряд ядра | Распределение электронов по слоям ) ) ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Водород (H) | 1 | I | +1 | )1 |
| 2 | Гелий (He) | 1 | VIII | +2 | )2 — слой завершён |
| 3 | Литий (Li) | 2 | I | +3 | )2 )1 |
| 6 | Углерод (C) | 2 | IV | +6 | )2 )4 |
| 8 | Кислород (O) | 2 | VI | +8 | )2 )6 |
| 10 | Неон (Ne) | 2 | VIII | +10 | )2 )8 — слой завершён |
| 11 | Натрий (Na) | 3 | I | +11 | )2 )8 )1 |
| 13 | Алюминий (Al) | 3 | III | +13 | )2 )8 )3 |
| 17 | Хлор (Cl) | 3 | VII | +17 | )2 )8 )7 |
| 18 | Аргон (Ar) | 3 | VIII | +18 | )2 )8 )8 — слой завершён |
| 19 | Калий (K) | 4 | I | +19 | )2 )8 )8 )1 |
| 20 | Кальций (Ca) | 4 | II | +20 | )2 )8 )8 )2 |
Обратите внимание на Калий и Кальций! Хотя на третьем уровне может поместиться 18 электронов, заполнение приостанавливается на восьми, и новые электроны (19-й и 20-й) идут на четвертый уровень. Поэтому у Калия (K) конфигурация 2, 8, 8, 1 (4 слоя, на внешнем — 1 электрон), а у Кальция (Ca) — 2, 8, 8, 2.
5. Разбор типовых заданий
В Задании 2 вам чаще всего предложат текстовое описание или рисунок (модель) строения атома и попросят соотнести её с положением элемента в Периодической системе.
Пример 1: Определение по слоям
На рисунке изображена модель атома химического элемента (ядро с зарядом +14, вокруг которого расположены три электронные оболочки с распределением электронов: 2, 8, 4).
Запишите в ответ номер периода, в котором расположен этот химический элемент, и число валентных электронов (электронов на внешнем уровне).
Разбор:
1. Число электронных слоёв (оболочек) указывает на номер периода. В условии сказано, что у атома три оболочки (2, 8, 4). Значит, элемент находится в 3 периоде.
2. Число электронов на внешнем (последнем) слое указывает на номер группы для главных подгрупп. Распределение заканчивается цифрой 4. Это означает, что на внешнем уровне находится 4 электрона.
Проверка: Заряд ядра +14 принадлежит Кремнию (Si). Кремний находится в 3 периоде и IV группе. Все сходится!
Ответ: 34. (Сначала номер периода 3, затем число электронов 4, записываем без пробелов и запятых).
Пример 2: Неизвестный элемент
В атоме химического элемента электроны распределены по энергетическим уровням следующим образом: 2, 8, 6.
Определите номер группы, в которой находится этот элемент, и число протонов в ядре его атома.
Разбор:
1. Число электронов на внешнем слое равно номеру группы. Последняя цифра в распределении — 6. Значит, элемент находится в 6 группе.
2. Число протонов в ядре всегда равно общему числу электронов (так как атом в целом электронейтрален). Сложим все электроны на оболочках: 2 + 8 + 6 = 16. Значит, число электронов равно 16, а следовательно, число протонов тоже равно 16. (Это элемент Сера - S).
Ответ: 616. (Сначала номер группы 6, затем число протонов 16, пишем слитно).