Строение атома: из чего он состоит и как заполняются электронные уровни
Строение атома — это ядро из протонов и нейтронов и электроны, которые движутся вокруг ядра по энергетическим уровням. Число протонов равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, а распределение электронов по уровням определяет все химические свойства. Ниже — каждая часть атома, порядок заполнения орбиталей и электронные конфигурации: эта база нужна почти в половине заданий ЕГЭ по химии.
Из чего состоит атом
Атом — это ядро и электронная оболочка вокруг него.
Ядро занимает ничтожную долю объёма атома, но в нём сосредоточена почти вся масса. Оно состоит из двух видов частиц:
- протоны (p⁺) — заряд +1, масса 1 а.е.м.;
- нейтроны (n⁰) — заряда нет, масса 1 а.е.м.
Электроны (e⁻) имеют заряд −1 и массу примерно в 1836 раз меньше протона. Они и образуют электронную оболочку.
Три равенства, на которых держится большинство заданий по этой теме:
- число протонов = порядковый номер элемента (Z) = заряд ядра;
- число электронов = числу протонов, потому что атом электронейтрален;
- число нейтронов = массовое число − порядковый номер: N = A − Z.
Пример: хлор-35, порядковый номер 17. Значит, в атоме 17 протонов, 17 электронов и 35 − 17 = 18 нейтронов.
Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов. У хлора есть изотопы ³⁵Cl и ³⁷Cl: протонов у обоих по 17, поэтому химически они ведут себя одинаково, отличается только масса. Кстати, поэтому в таблице у хлора стоит 35,5 — это средняя атомная масса с учётом доли каждого изотопа в природе.
🖼️ КАРТИНКА: схема атома хлора: в центре ядро с подписью «17 p⁺ + 18 n⁰», вокруг три концентрические окружности-уровня с точками-электронами 2, 8 и 7; сбоку выносная подпись «электронная оболочка» — подпись: Строение атома хлора: ядро и три энергетических уровня
Энергетические уровни: как электроны располагаются вокруг ядра
Электроны не летают вокруг ядра как попало. Они распределены по энергетическим уровням (электронным слоям). Чем дальше уровень от ядра, тем выше энергия электронов на нём и тем слабее они связаны с ядром.
Рабочие правила:
- число заполняемых уровней равно номеру периода, в котором стоит элемент;
- максимальная вместимость уровня — 2n², где n — номер уровня: 2, 8, 18, 32;
- на внешнем уровне не бывает больше 8 электронов.
У натрия (3-й период, Z = 11) электроны распределены так: 2, 8, 1. У серы (Z = 16) — 2, 8, 6. Число электронов на внешнем уровне у элементов главных подгрупп совпадает с номером группы (единственное исключение — гелий: группа VIII, а электрона на внешнем уровне два) — это самый быстрый способ проверить себя. Как вытаскивать эти подсказки из таблицы, разобрано в статье как пользоваться таблицей Менделеева.
Что такое орбитали s, p, d и f
Уровень — это не «дорожка», а набор орбиталей. Орбиталь — область пространства, где электрон находится с наибольшей вероятностью. Орбитали отличаются формой и энергией:
- s-орбиталь — сфера; на каждом уровне одна, вмещает максимум 2 электрона;
- p-орбитали — объёмные «восьмёрки»; появляются со 2-го уровня, их три, вместе вмещают 6 электронов;
- d-орбитали — появляются с 3-го уровня, их пять, вмещают 10 электронов;
- f-орбитали — с 4-го уровня, их семь, вмещают 14 электронов.
На одной орбитали помещается не больше двух электронов, и их спины противоположны. Отсюда вместимость подуровней: s — 2, p — 6, d — 10, f — 14.
Как записать электронную конфигурацию: порядок заполнения
Электроны заполняют орбитали в порядке роста энергии:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s …
Главная ловушка здесь: 4s заполняется раньше, чем 3d, потому что энергия 4s-подуровня ниже. Цифра «3» в 3d обманывает — смотри на порядок, а не на номер уровня.
Примеры конфигураций:
- водород H (Z = 1): 1s¹
- натрий Na (Z = 11): 1s²2s²2p⁶3s¹
- хлор Cl (Z = 17): 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵
- кальций Ca (Z = 20): 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²
- железо Fe (Z = 26): 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶
Проверка всегда одна: сумма верхних индексов должна равняться порядковому номеру. У железа: 2+2+6+2+6+2+6 = 26. Сошлось — конфигурация записана без потерь.
Есть два школьных исключения — «проскок» электрона. У хрома Cr конфигурация заканчивается на 4s¹3d⁵, а у меди Cu — на 4s¹3d¹⁰: один электрон с 4s переходит на 3d, потому что наполовину и полностью заполненный d-подуровень устойчивее. На ЕГЭ эти два элемента любят.
Такие цепочки быстро доводятся до автоматизма только практикой: на тренажёрах платформы есть задания на конфигурации с мгновенной проверкой — посмотреть тарифы.
🖼️ КАРТИНКА: лесенка-диаграмма порядка заполнения подуровней 1s–4p: клетки-квадратики со стрелками-электронами, подуровни подписаны, красной стрелкой выделен переход «4s раньше 3d» — подпись: Порядок заполнения подуровней: энергия 4s ниже, чем 3d
s-, p- и d-элементы: как определить семейство
Семейство элемента определяется тем, какой подуровень заполняется последним:
- s-элементы — заполняется s-подуровень внешнего уровня: элементы I и II групп главных подгрупп, плюс водород и гелий. Пример: Na, Ca.
- p-элементы — заполняется p-подуровень внешнего уровня: главные подгруппы III–VIII групп. Пример: Al, Cl, Ar.
- d-элементы — заполняется d-подуровень предвнешнего уровня: все побочные подгруппы. Пример: Fe, Cu, Zn.
- f-элементы — лантаноиды и актиноиды, две выносные строки внизу таблицы.
Для s- и p-элементов валентные электроны сидят на внешнем уровне, и их число равно номеру группы. У d-элементов валентными считаются электроны внешнего s-подуровня и предвнешнего d-подуровня — поэтому у железа переменные степени окисления.
Частые ошибки
Что чаще всего путают на контрольных и ЕГЭ:
- Заполняют 3d раньше 4s. Правильно: сначала 4s, потом 3d. У кальция 4s², и только у скандия начинается 3d.
- Путают массовое число с атомной массой из таблицы. Массовое число A — целое, у конкретного изотопа. 35,5 у хлора — среднее по изотопам, для расчёта нейтронов его брать нельзя (округляй до ближайшего целого только если изотоп не указан).
- Забывают исключения Cr и Cu. Если в задании «элемент с конфигурацией …4s¹3d⁵» — это хром, а не ванадий с ошибкой.
- Считают, что нейтронов столько же, сколько протонов. Это верно лишь для лёгких элементов вроде ¹²C; уже у хлора-35 нейтронов больше.
- Смешивают уровень, подуровень и орбиталь. Уровень 3 содержит подуровни 3s, 3p, 3d; подуровень 3p состоит из трёх орбиталей.
- У d-элементов ищут 8 электронов снаружи. У железа на внешнем уровне всего 2 электрона (4s²) — валентность добирается за счёт 3d.
Частые вопросы
Сколько электронов помещается на внешнем уровне?
Не больше восьми. Уровень с восемью электронами (у гелия — с двумя) называется завершённым: такая оболочка у благородных газов, поэтому они почти не вступают в реакции.
Чем энергетический уровень отличается от орбитали?
Уровень — это «этаж» с определённой энергией, на котором размещается несколько орбиталей. Орбиталь — конкретная область пространства внутри уровня, где может находиться максимум два электрона.
Почему 4s заполняется раньше 3d?
Потому что энергия 4s-подуровня ниже энергии 3d. Электроны всегда занимают состояния с минимальной энергией, а номер уровня сам по себе энергию не задаёт.
Как по таблице Менделеева определить число уровней?
По номеру периода: элемент 3-го периода имеет три энергетических уровня, 4-го — четыре. Работает для всех элементов школьного курса.
Что показывает порядковый номер элемента?
Сразу три вещи: заряд ядра, число протонов и число электронов в нейтральном атоме. Это главная константа элемента — она не меняется даже у изотопов.
Что дальше
Строение атома объясняет, почему атомы вообще соединяются друг с другом: всем нужен завершённый внешний уровень. Следующий шаг по программе — виды химической связи: там конфигурации начинают работать на практике.
Полный маршрут по темам года — в гиде химия 11 класса. А если чувствуешь пробелы в самой базе, освежи понятия из статьи что такое атом и молекула — это быстрее, чем кажется.
Теория без практики выветривается за пару недель. Конфигурации, изотопы и семейства элементов удобно закреплять на интерактивных тренажёрах с мгновенной проверкой — выбрать тариф на платформе.
🎁 ЛИД-МАГНИТ: PDF-шпаргалка «Электронные конфигурации элементов 1–4 периодов + исключения Cr и Cu» — подпишись на @ximi4kapublic и забери.