Периодическая система и строение атома
Положение химического элемента в периодической системе однозначно связано со строением его атома. По порядковому номеру находят заряд ядра и число электронов, по периоду — число электронных слоёв, а по группе и строению внешнего слоя — число валентных электронов и типичные свойства элемента.
Порядковый номер и состав атома
Перед решением задач полезно вспомнить [[periodic-table:периодическую систему]] и [[element-position:положение элемента в периодической системе]]. Каждый элемент имеет порядковый номер \(Z\). Он равен числу протонов в ядре атома. В нейтральном атоме число электронов также равно \(Z\), потому что положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов.
Порядковый номер \(Z\) — это заряд ядра, выраженный в элементарных зарядах; он равен числу протонов в ядре и числу электронов в нейтральном атоме.
Число нейтронов определяют по массовому числу \(A\). Массовое число — сумма протонов и нейтронов. В таблице обычно указана относительная атомная масса, часто нецелая, поэтому для школьных задач массовое число изотопа должно быть дано отдельно или округляется, если это предусмотрено условием.
Для иона число электронов не совпадает с \(Z\). Катион образуется при отдаче электронов, а анион — при их присоединении.
| Частица | Протоны | Электроны | Нейтроны при массовом числе \(A\) |
|---|---|---|---|
| нейтральный атом X | \(Z\) | \(Z\) | \(A-Z\) |
| катион \(\mathrm{X}^{q+}\) | \(Z\) | \(Z-q\) | \(A-Z\) |
| анион \(\mathrm{X}^{q-}\) | \(Z\) | \(Z+q\) | \(A-Z\) |
Период и электронные слои
[[periodic-table-reading:Чтение периодической таблицы]] помогает быстро определить период элемента. Номер периода равен числу занятых электронных слоёв в основном состоянии атома. Например, атом серы находится в третьем периоде, поэтому его электроны распределены по трём слоям.
Номер периода элемента равен главному квантовому числу наиболее удалённого от ядра занятого электронного слоя. В школьной записи это число электронных слоёв.
Максимальное число электронов на слое с номером \(n\) задаётся формулой \(2n^2\). Однако для определения конфигурации недостаточно только этой формулы: подуровни заполняются в порядке увеличения энергии.
- первый слой: не более 2 электронов; электронная оболочка — \(1s^2\);
- второй слой: не более 8 электронов; появляются \(2s\) и \(2p\);
- третий слой: в простейшем случае до 8 внешних электронов, но при заполнении переходных элементов участвует также \(3d\)-подуровень;
- четвёртый слой и последующие заполняются с участием \(s\)-, \(p\)-, \(d\)- и \(f\)-подуровней.
Порядок заполнения подуровней в начале ряда имеет вид: \(1s\), \(2s\), \(2p\), \(3s\), \(3p\), \(4s\), \(3d\), \(4p\), \(5s\), \(4d\), \(5p\), \(6s\), \(4f\), \(5d\), \(6p\), \(7s\). Вместимость подуровней: \(s\) — 2 электрона, \(p\) — 6, \(d\) — 10, \(f\) — 14.
Период показывает число электронных слоёв, а порядковый номер — число протонов и электронов в нейтральном атоме. Группа помогает определить строение внешнего слоя, но для переходных элементов требует осторожности.
Сколько электронов содержит нейтральный атом фосфора с порядковым номером 15?
Группа, внешние электроны и блоки
Группа — вертикальный столбец периодической системы. Элементы одной группы имеют сходное строение внешнего электронного слоя, поэтому проявляют похожие химические свойства. Для элементов главных подгрупп номер группы обычно связан с числом электронов на внешнем слое: у элементов групп 1 и 2 это 1 и 2 электрона, у элементов групп 13–18 — соответственно 3–8 электронов.
[[main-subgroup:Главная подгруппа]] включает элементы, у которых заполняются \(s\)- или \(p\)-подуровни внешнего слоя. Для них особенно удобно правило: номер группы 13–18 минус 10 равен числу внешних электронов. Например, у хлора из группы 17 семь внешних электронов, его внешняя часть конфигурации — \(3s^2 3p^5\).
[[secondary-subgroup:Побочная подгруппа]] включает переходные элементы, у которых заполняется внутренний \(d\)-подуровень. Поэтому номер группы нельзя всегда приравнивать к числу электронов на внешнем слое. У железа конфигурация заканчивается как \(4s^2 3d^6\), хотя на самом внешнем слое находятся только два электрона.
Последний заполняемый подуровень определяет блок элемента: \(s\)-блок, \(p\)-блок, \(d\)-блок или \(f\)-блок. Это связывает расположение элемента в таблице с его электронной конфигурацией.
| Блок | Заполняемый подуровень | Типичное положение |
|---|---|---|
| s-блок | \(ns\) | 1–2 группы |
| p-блок | \(np\) | 13–18 группы |
| d-блок | \((n-1)d\) | 3–12 группы |
| f-блок | \((n-2)f\) | вынесенные ряды лантаноидов и актиноидов |
Как записывать электронную конфигурацию
[[electron-configuration:Электронная конфигурация]] — распределение электронов по уровням и подуровням. Для её записи используют номер слоя, букву подуровня и верхний индекс — число электронов на нём. Сумма верхних индексов должна равняться числу электронов атома или иона.
Для элементов главных подгрупп конфигурацию можно восстановить от начала заполнения. В сокращённой записи предыдущий завершённый благородный газ заменяют символом в квадратных скобках. Например, натрий имеет конфигурацию \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^1\), или \([\mathrm{Ne}]3s^1\).
Сначала найдите \(Z\) и определите число электронов. Затем установите период и последовательно заполните подуровни. В конце проверьте: сумма показателей равна числу электронов, последний подуровень соответствует блоку, а внешний слой соответствует положению элемента.
Разобранный пример: атом и ион серы
Определите число протонов, нейтронов и электронов в атоме серы \(^{32}\mathrm{S}\), запишите его электронную конфигурацию и определите число электронов в ионе \(\mathrm{S}^{2-}\).
Сера расположена в третьем периоде, потому что в конфигурации заняты три слоя. Она находится в 16-й группе, поэтому имеет шесть внешних электронов: \(3s^2 3p^4\). До устойчивой конфигурации аргона ей не хватает двух электронов.
Частые ошибки и проверка ответа
1. Путают порядковый номер с массовым числом: \(Z\) — это протоны, а \(A\) — протоны и нейтроны. 2. Не учитывают заряд иона: у катиона электронов меньше, у аниона больше. 3. Считают номер группы числом всех электронов на внешнем слое для переходных элементов. 4. Забывают, что показатель степени в конфигурации означает число электронов, а не номер слоя. 5. Неправильно определяют период по последней записанной букве: период задаёт наибольшее главное квантовое число, а не обязательно последний заполняемый подуровень.
Перед окончательным ответом выполните три проверки: число электронов согласуется с зарядом частицы; сумма показателей конфигурации верна; положение в таблице согласуется с периодом и блоком. Дополнительные приёмы определения конфигурации разобраны на странице [[electron-configuration-by-periodic-table:Определение конфигурации по периоду и группе]].
Быстрый тест
Главное
- Порядковый номер \(Z\) равен числу протонов и числу электронов в нейтральном атоме.
- Массовое число \(A\) равно сумме протонов и нейтронов; \(N_n=A-Z\).
- Номер периода показывает число занятых электронных слоёв.
- Для главных подгрупп номер группы связан с числом внешних электронов; у переходных элементов это правило применяют осторожно.
- Конфигурация записывается по подуровням, а сумма её показателей должна равняться числу электронов частицы.
- Заряд иона изменяет только число электронов: катионы их отдают, анионы присоединяют.