Задание 1. Электронная конфигурация атома
Обычно в ЕГЭ 1 задание одно из самых простых, но в химии это не так :) Чтобы решить задание №1, нужно изучить достаточно большой объем информации. Но не пугайся, разберем все шаг за шагом.
Как устроен атом
Все окружающее нас вещество состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Например, вода состоит из молекул H₂O, которые состоят из двух атомов H и одного атома O.
Сам атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро состоит из протонов и нейтронов, а электронная оболочка из электронов. Протоны, нейтроны и электроны называются элементарными частицами.
Приятного изучения статьи! Если хочешь подготовиться на 90+, то обязательно посмотри вот этот способ подготовки (жми, чтобы перейти на сайт и почитать подробнее) 💙
Протоны определяют общие свойства атома.
Атом водорода потому и атом водорода, что в нем 1 протон, а атом гелия потому и атом гелия, что в нем 2 протона.
Нейтроны не определяют свойства атома.
У обычного атома водорода 1 протон и 0 нейтронов. Если добавить к нему 1 нейтрон, то такой атом водорода будет называться дейтерием, а если еще один нейтрон, то тритием. И дейтерий, и тритий все еще являются водородами. Например, образуют молекулы «воды» — D₂O и T₂O. Внешне такая «вода» будет выглядеть как и обычная вода.
Электроны определяют количество связей, которое может образовать атом.
Если у атома есть 2 свободных электрона, то он может образовать 2 связи с другими атомами.
Для всех элементарных частиц надо знать массу и заряд, они пригодятся нам дальше.
- Протон. Масса: 1. Заряд: +1
- Нейтрон. Масса: 1. Заряд: 0
- Электрон. Масса: 0. Заряд: -1
Как посчитать число протонов, нейтронов, электронов
Для этого понадобится таблица Менделеева. Если ты только начал изучать химию, то мы советуем использовать цветную таблицу, так будет намного проще. На ЕГЭ же тебе выдадут черно-белый вариант.
Посмотри на клетку любого элемента, тебе важны 2 цифры — его порядковый номер (целое число) и масса (обычно дробное число). В разных таблицах эти цифры находятся в разных местах.
Для кислорода порядковый номер 8, а масса 15.999.
Число протонов = число электронов = порядковый номер.
Тогда у кислорода будет 8 протонов и 8 электронов.
Число нейтронов = масса элемента — число протонов.
При этом массу нужно округлить по стандартным правилам округления. Для кислорода масса будет не 15.999, а 16. Но масса хлора не округляется — 35.5.
Масса кислорода 16, число протонов 8. Тогда число нейтронов будет 16-8=8.
Изотопы — атомы одного элемента с разной массой. Если добавлять к атому нейтроны, то масса атома изменится, а химические свойства нет.
Если в задании нужно найти число протонов и нейтронов в изотопе, то для него обязательно дается масса.
В изотопе ³H масса водорода — 3. Тогда число протонов — 1 (порядковый номер), а число нейтронов 3-1=2.
Электронная конфигурация атома
Теперь самый сложный раздел — как написать электронную конфигурацию атома.
У электронной оболочки атома есть слои (уровни): 1, 2, 3, 4 и т.д.
Каждый слой делится на орбитали (подуровни). При этом в каждом слое разное число орбиталей.
- 1й слой — s орбиталь
- 2й слой — s, p орбитали
- 3й слой — s, p, d орбитали
Вне зависимости от слоя s орбиталь вмещает 2 электрона, p орбиталь 6 электронов, а d орбиталь — 10.
Теперь посмотри на цветной вариант таблицы Менделеева. Если элемент выделен розовым, то у него в данный момент заполняется s орбиталь. Если желтым, то в данный момент заполняется p орбиталь. Если синим — d орбиталь. А электронные слои, про которые речь шла выше, это периоды таблицы Менделеева (горизонтальные строчки). Не перепутай периоды с рядами!
Глядя на таблицу Менделеева, можно легко вывести порядок заполнения уровней. Для этого пойдем по всем элементам подряд: H, He, Li, Be, B.
H и He выделены розовым и находятся в 1 периоде, значит сначала заполняется 1s орбиталь. Потом идут розовые Li и Be из 2 периода — 2s. Потом идут желтые B, C, N, O, F, Ne из 2 периода — 2p. Потом снова розовые Na и Mg, но уже из 3 периода — 3s. Потом желтые Al-Ar из 3 периода — 3p. Затем розовые K и Ca из 4 периода — 4s, а потом 10 синих элементов Sc-Zn — несмотря на то, что они находятся в 4 периоде, это уровень 3d, потому что d уровень запаздывает и всегда появляется на период позже. Потом желтые Ga-Kr в 4 периоде — 4p и так далее.
Получается такой порядок заполнения: 1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p и т.д.
Теперь напишем электронную конфигурацию для углерода. Он находится во 2 периоде и выделен желтым. Значит, его внешний уровень — 2p. Уровни выше (3s, 3p, 4s) рисовать сейчас не имеет смысла, они пустые. Если заполняется уровень 2p, то это значит, что все уровни до него заполнены автоматически.
Получаем → 1s² 2s² 2p?
Осталось определиться, сколько электронов расположено на орбитали 2p. Еще раз посмотрим в таблицу и найдем, какой по счету углерод среди p-элементов (среди желтых) — углерод это второй желтый элемент в ряду, значит на 2p орбитали у него 2 электрона.
Получаем → 1s² 2s² 2p².
Можно считать кучей других способов, но на наш взгляд, этот способ — самый простой и быстрый.
Теперь изобразим полученную электронную конфигурацию углерода на рисунке в виде квантовых ячеек.
Правило троллейбуса — при заполнении квантовых ячеек электрон всегда идет в свободную ячейку, если она есть. Как пассажир садится на свободное сидение, если оно есть. А если нет, то электрон подсаживается в ячейку к другому электрону.
Из рисунка видно, что у углерода 2 неподеленные электронные пары и 2 неспаренных электрона.
Именно неспаренные электроны на внешнем уровне определяют валентность атома — количество связей, которое он может образовать.
Внешний уровень — слой с наибольшей цифрой. У углерода полная электронная конфигурация 1s² 2s² 2p², а электронная конфигурация внешнего уровня — 2s² 2p².
Кроме основного состояния, у атома бывает возбужденное состояние, при котором некоторые или все неподеленные электронные пары на внешнем уровне распариваются и освободившиеся электроны переходят на свободные ячейки, если они есть. Атом в возбужденном состоянии обозначается звездочкой.
Вся сложность этой темы в том, что очень часто вместо того, чтобы разобраться в том, как рисуются электронные конфигурации атомов, ученики запоминают несколько быстрых правил, которые, конечно, работают в ряде случаев, но не всегда.
Например, говорят, что число электронов на внешнем уровне равно номеру группы. Но это справедливо только для элементов главной подгруппы. Вертикальные ряды в таблице Менделеева называются группами. Если элемент находится в ячейке слева, то он в главной подгруппе. Если справа, то в побочной. Когда говорят «элементы 1й группы», обычно подразумевается главная подгруппа (H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) а не побочная (Cu, Ag, Au).
В главной подгруппе номер группы равен числу электронов на внешнем уровне. Например, углерод находится в 4й группе, его конфигурация 1s² 2s² 2p² – действительно на внешнем уровне 4 электрона (2s² 2p²).
Но в побочной подгруппе другая ситуация. Например, электронная конфигурация хрома 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵. Хром находится в 6 группе, в побочной подгруппе. Но что считать у него внешним уровнем: только 4s¹ или 4s¹ 3d⁵? В разных источниках можно встретить разное, но в заданиях ФИПИ внешним уровнем для d-элементов считается уровень с максимальной цифрой, то есть в случае хрома 4s¹. Поэтому у хрома в 6 группе 1 электрон на внешнем уровне.
Валентные электроны это электроны, которые теоретически могли бы образовать связи. Не путай их с валентностью. Например, электронная конфигурация углерода в основном состоянии 1s² 2s² 2p². В данный момент валентность углерода 2, так как он содержит 2 неспаренных электрона. Но в теории этот атом мог бы возбудиться, распарить пару на 2s орбитали, приобрести конфигурацию 1s² 2s¹ 2p³ и валентность 4. Таким образом, у углерода в любом случае 4 электрона, которые могли бы образовать связи, т.е. 4 валентных электрона. Для элементов основной подгруппы число валентных электронов равно числу электронов на внешнем уровне.
Но у d-элементов ситуация другая. Как мы установили ранее, у хрома 1 электрон на внешнем уровне, но связей он может образовать намного больше. У d-элементов валентные электроны находятся на внешней s-орбитали и на предвнешней d-орбитали. Таким образом, число валентных электронов у хрома равно 6 (4s¹ 3d⁵) и равно номеру группы.
На самом деле, у d-элементов валентные электроны расположены не просто на d-орбитали, а на незаполненной d-орбитали. Но число валентных электронов у Cu, Zn и подобных элементов в ЕГЭ не спрашивается.
Если элементы находятся в одной группе (либо оба в главной подгруппе, либо оба в побочной), то их атомы имеют сходные электронные конфигурации внешнего уровня. Например для лития это 2s¹, а для натрия 3s¹. Поэтому можно сказать, что электронная конфигурация атомов главной подгруппы 1 группы это ns¹ (где n = 1, 2, 3 и т.д.). Только не перепутай, нельзя сказать, что у лития и натрия одинаковая электронная конфигурация. Она сходная, но не одинаковая.
Для тренировки запишем электронные конфигурации для первых элементов.
И так далее до Ca.
Остался последний рывок — d элементы. Запишем электронную конфигурацию внешнего уровня для d-элементов 4 периода.
Вся сложность тут — Cr, Mn, Cu, Zn. Энергетически выгодно, чтобы d-орбиталь была заполнена либо наполовину (5 электронов), либо целиком (10 электронов). Поэтому ожидаемая электронная конфигурация хрома 4s² 3d⁴ оказывается неустойчивой и электрон с s-орбитали переходит на d-орбиталь, чтобы та оказалась заполненной наполовину. Потом у Mn следующий электрон появляется не на d-орбитали, а закрывает долг перед s-орбиталью, идя на нее. Ровно такая же ситуация с Cu и Zn, только там d-уровень хочет быть заполненным целиком.
Электронная конфигурация иона
Ион — атом или молекула с определенным зарядом. Катион — положительно заряженный ион. Анион — отрицательно заряженный ион.
Заряд определяется избытком или недостатком электронов. Так как заряд электрона -1, то в катионe C⁺² не хватает двух электронов, а в анионе C⁻² есть 2 лишних электрона.
Электронная конфигурация углерода 1s² 2s² 2p².
Электронная конфигурация катиона С⁺² 1s² 2s² (2p⁰) (убрали 2 электрона).
Электронная конфигурация аниона С⁻² 1s² 2s² 2p⁴ (добавили 2 электрона).