Тема 1. Строение атома и периодический закон

Энергетические уровни и подуровни, электронные конфигурации, квантовые ячейки, периодический закон в свете теории строения атома. 100 заданий на отработку.

Простыми словами

Атом похож на многоэтажный дом: в центре — крошечное тяжёлое ядро, вокруг — электроны, расселённые по «этажам» (энергетическим уровням). На каждом этаже ограниченное число мест, и заселяют их снизу вверх. От того, сколько электронов живёт на верхнем этаже, зависят химические свойства элемента — поэтому они и повторяются периодически.

Заряд ядра $Z$ = порядковый номер элемента = число протонов = число электронов в нейтральном атоме. Массовое число $A = Z + N$ , где $N$ — число нейтронов.

Энергетические уровни

Число уровней = номер периода. Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне = номер группы.

N_{m a x} = 2 n^{2}

наибольшее число электронов на уровне с номером

n

Уровень $n$	1	2	3	4
максимум электронов $2 n^{2}$	2	8	18	32

Слева — распределение электронов натрия по уровням; справа — квантовые ячейки углерода (выше — больше энергия)

Схема «2, 1»: всего $2 + 1 = 3$ электрона → $Z = 3$ , это Li.
У бериллия ( $Z = 4$ ) на 1-м уровне 2 электрона (больше там не помещается), на 2-м — 2.

Подуровни и правила заполнения

Подуровень	s	p	d	f
число орбиталей (ячеек)	1	3	5	7
максимум электронов	2	6	10	14

Принцип Паули: в одной ячейке не больше двух электронов, и спины у них противоположны (↑↓).
Правило Хунда: в пределах подуровня электроны сначала занимают ячейки по одному, и лишь потом образуют пары.
Правило Клечковского — порядок заполнения: $1 s \to 2 s \to 2 p \to 3 s \to 3 p \to 4 s \to 3 d \to 4 p \to 5 s \dots$ Из-за того, что 4s заполняется раньше 3d, в 4-м периоде появляются d-элементы.

Углерод, $Z = 6$ : $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{2}$ . Конфигурация $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{4}$ — это 8 электронов, кислород O.
Бор, $Z = 5$ : $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{1}$ — один электрон на p-подуровне → 1 неспаренный.
Натрий, $Z = 11$ : $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{1}$ → 1 неспаренный.
Азот: $2 p^{3}$ — по Хунду три электрона в трёх ячейках → 3 неспаренных.

Сумма верхних индексов в конфигурации должна равняться $Z$ . Проверка для натрия: $2 + 2 + 6 + 1 = 11$ ✓

Электронные семейства

Элемент относят к семейству по подуровню, который заполняется последним.

Семейство	Что заполняется	Примеры
s-элементы	внешний s-подуровень	H, He, Li, Na, K, Mg, Ca
p-элементы	внешний p-подуровень	B, C, N, O, F, Al, S, Cl
d-элементы	d-подуровень предвнешнего уровня	Ti, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn
f-элементы	f-подуровень третьего снаружи уровня	лантаноиды, актиноиды

Железо: $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{2} 3 d^{6}$ — d-элемент 4-го периода. У хрома и меди «проскок» электрона с 4s на 3d: Cr — $\dots 4 s^{1} 3 d^{5}$ , Cu — $\dots 4 s^{1} 3 d^{10}$ .

Периодический закон

Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Причина — периодически повторяется строение внешнего электронного уровня.

Свойство	В периоде слева направо	В главной подгруппе сверху вниз
радиус атома	уменьшается	увеличивается
электроотрицательность	растёт	уменьшается
металлические (восстановительные) свойства	ослабевают	усиливаются
неметаллические (окислительные) свойства	усиливаются	ослабевают

В периоде заряд ядра растёт, а число уровней то же — ядро сильнее «стягивает» электроны, радиус уменьшается. В группе добавляются новые уровни — радиус растёт, внешние электроны держатся слабее, металличность усиливается.

Посмотреть и посчитать

Модели

Атом и спектральные линии

Примеры заданий

Это несколько заданий из тренажёра, остальные — в тренажёре в начале страницы.

Какая электронная конфигурация соответствует атому углерода (C)?

1s²2s²2p³
1s²2s²2p²
1s²2s²2p¹
1s²2s²2p⁴

Показать ответ

Ответ: 1s²2s²2p²
Решение. У атома C 6 электронов. Порядок заполнения даёт 1s²2s²2p².

Атом какого элемента имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁴?

Показать ответ

Ответ: O
Решение. Сумма электронов в записи 1s²2s²2p⁴ равна 8 — это O (кислород).

Чему равно максимальное число электронов на 2-м энергетическом уровне?

Уровень n	Максимум электронов 2n²
1	2
2	?
3	18
4	32

Показать ответ

Ответ: 8
Решение. 2·2² = 8 электронов.

Атом какого элемента имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s¹?

Показать ответ

Ответ: Na
Решение. Сумма электронов в записи 1s²2s²2p⁶3s¹ равна 11 — это Na (натрий).

Сколько орбиталей (квантовых ячеек) содержит p-подуровень?

Подуровень	s	p	d	f
Число орбиталей	1	3	5	7
Максимум электронов	2	6	10	14

Показать ответ

Ответ: 3
Решение. p-подуровень — 3 орбитали.

Сколько орбиталей содержит d-подуровень?

Подуровень	s	p	d	f
Число орбиталей	1	3	5	7
Максимум электронов	2	6	10	14

Показать ответ

Ответ: 5
Решение. d-подуровень — 5 орбиталей.

Определите электронное семейство элемента с символом Zn.

f-элемент
p-элемент
s-элемент
d-элемент

Показать ответ

Ответ: d-элемент
Решение. Zn: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰ — последним заполняется подуровень 3d, значит это d-элемент.

Определите элемент по его электронной конфигурации: 1s²2s¹.

Показать ответ

Ответ: Li
Решение. Сумма электронов в записи 1s²2s¹ равна 3 — это Li (литий).