§ 28. Електрон. Атомні орбіталі. Енергія електронів в атомі

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Чому планетарна модель атома потребувала коригування?

Ця модель потребувала коригування, тому що вона не враховувала особливу природу електрона, для якого неможливо визначити точну траєкторію руху та координати у просторі в будь-який момент часу.

Однакову чи різну енергію мають електрони в атомі?

Електрони в атомі мають різну енергію, оскільки вони розподіляються за енергетичними рівнями: чим ближче до ядра перебуває електрон, тим менша його енергія.

Який запис називають електронною формулою атома?

Електронною формулою називають запис розподілу електронів у атомі за допомогою цифр, що вказують на номер енергетичного рівня, літер, що позначають підрівень (тип орбіталі), та верхніх індексів, що вказують на кількість електронів на цьому підрівні (наприклад, $1s^2$).

Чим орбіталь відрізняється від орбіти?

Орбіталь — це частина простору в атомі, де перебування електрона є найбільш імовірним, тоді як орбіта передбачає рух електрона за чітко визначеною траєкторією (як планети навколо Сонця), що не відповідає сучасним уявленням про будову атома.

Атом якого хімічного елемента має електронну формулу, наведену на малюнку 77?

Електронну формулу $1s^1$ має атом Гідрогену.

1. Яка максимальна кількість електронів може перебувати на 3s-підрівні, 3p-підрівні, 3d-підрівні?

На $3s$-підрівні може перебувати максимум $2$ електрони, на $3p$-підрівні — $6$ електронів, а на $3d$-підрівні — $10$ електронів.

2. Скільки d-орбіталей належить третьому енергетичному рівню?

Третьому енергетичному рівню належить $5$ $d$-орбіталей.

Запишіть електронну формулу третього енергетичного рівня, цілком заповненого електронами, а також зобразіть її графічний варіант.

Електронна формула повністю заповненого третього енергетичного рівня має вигляд: $3s^2 3p^6 3d^{10}$.

Графічний варіант:
$3d \ \boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}$
$3p \ \boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}\boxed{\uparrow\downarrow}$
$3s \ \boxed{\uparrow\downarrow}$

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про електрон, енергію електронів та їх розміщення в атомах.

Електрон є особливою частинкою мікросвіту, для якої неможливо визначити точну траєкторію руху. Простір навколо ядра, де перебування електрона є найбільш імовірним, називають орбіталлю. Найважливішою характеристикою електрона є його енергія, яка залежить від відстані до ядра: чим ближче до нього розташована орбіталь, тим меншу енергію має електрон. В атомах електрони розміщуються на енергетичних рівнях та підрівнях ($s, p, d, f$) відповідно до принципу мінімальної енергії, заповнюючи спочатку ті рівні, що розташовані ближче до ядра.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Моє запитання: «Чому електрони на $3s$-підрівні мають трохи меншу енергію, ніж електрони на $3p$-підрівні того самого рівня?».

На мою думку, відповідь моїх однокласників про те, що це пов’язано з різною формою орбіталей, є цілком правильною. Я оцінюю їхню відповідь як високу, оскільки вони правильно використали терміни «сферична» та «гантелеподібна» форми, пояснивши, що компактніша $s$-орбіталь є енергетично вигіднішою за $p$-орбіталь. Моя відповідь була аналогічною, тому вважаю, що ми добре засвоїли матеріал про енергію підрівнів.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

298. Чим електрон відрізняється від фізичного тіла?

Електрон відрізняється від звичайного фізичного тіла тим, що для нього неможливо одночасно визначити точні координати у просторі та траєкторію руху.

299. Яку частину атома називають орбіталлю? Охарактеризуйте форми s- і p-орбіталей та їх розміщення в атомі.

Орбіталлю називають частину простору в атомі, де перебування електрона є найбільш імовірним. $s$-Орбіталі мають сферичну форму, у центрі якої розташоване ядро. $p$-Орбіталі мають гантелеподібну форму та розміщуються в атомі перпендикулярно одна до одної вздовж осей координат $x, y$ та $z$.

300. Узгодьте кожне позначення з його змістом: 1) [порожній квадрат]; 2) [стрілка вгору]; 3) [дві протилежно спрямовані стрілки]; а) заповнена орбіталь; б) спарені електрони; в) неспарений електрон; г) порожня (вакантна) орбіталь; д) електрони з протилежними спінами.

1. Порожній квадрат відповідає порожній (вакантній) орбіталі (г).
2. Стрілка вгору відповідає неспареному електрону (в).
3. Дві протилежно спрямовані стрілки відповідають заповненій орбіталі (а), спареним електронам (б) та електронам з протилежними спінами (д).

301. Енергія якого електрона менша — розміщеного в p-орбіталі 2-го енергетичного рівня чи в s-орбіталі 3-го енергетичного рівня?

Меншу енергію має електрон, розміщений у $p$-орбіталі 2-го енергетичного рівня ($2p$), оскільки він належить до рівня, що розташований ближче до ядра, ніж 3-й рівень.

ПОРІВНЯЙМО

302. Назвіть характеристики, за якими один електрон може відрізнятися від іншого.

Електрони в атомі можуть відрізнятися за рівнем енергії, формою орбіталі, на якій вони перебувають ($s, p, d, f$), орієнтацією цієї орбіталі у просторі та напрямком власного спіну.

АНАЛІЗУЙМО

303. Чому в позначенні s-орбіталі немає індексу (наприклад, sx)?

У позначенні $s$-орбіталі немає індексу, тому що вона має сферичну форму. Куля симетрична відносно центру (ядра), тому $s$-орбіталь не має певної орієнтації у просторі відносно осей координат, на відміну від $p$-орбіталей.

304. Проаналізуйте твердження. Чи є з-поміж них правильні? І. Електрони атома, які перебувають в орбіталях однакової форми та об’єму, мають однакову енергію. ІІ. Максимальна кількість електронів на кожному енергетичному рівні та підрівні є парною. А. Правильне лише І. Б. Правильне лише ІІ. В. Обидва правильні. Г. Немає правильних.

Правильним варіантом відповіді є В, оскільки обидва твердження істинні:

1. Електрони на однакових орбіталях одного рівня (наприклад, $2p_x, 2p_y, 2p_z$) мають однакову енергію.
2. Максимальна кількість електронів на рівні визначається формулою $2n^2$, а на підрівні — кількістю орбіталей, помноженою на 2 (оскільки на одній орбіталі може бути максимум 2 електрони). Обидва числа завжди парні.

ПОМІРКУЙМО

305. Який запис, на вашу думку, надає більше інформації про електрони, що містяться в атомі — електронна формула чи її графічний варіант? Чому?

На мою думку, графічний варіант надає більше інформації, оскільки він наочно демонструє розподіл електронів по окремих орбіталях (квантових комірках). Це дозволяє бачити кількість спарених і неспарених електронів, а також напрямок їхніх спінів, що важливо для розуміння хімічних властивостей елемента.

306. Серед указаних підрівнів назвіть ті, які в атомі неможливі: 6p, 2d, 1p, 5s.

Серед указаних підрівнів неможливими в атомі є 1p та 2d.

• На першому енергетичному рівні ($n=1$) існує лише $s$-підрівень.
• На другому енергетичному рівні ($n=2$) існують лише $s$- та $p$-підрівні. $d$-Підрівень з’являється лише з третього рівня.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

307. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

Для укладання словничка виписано такі ключові терміни:

• Електрон (electron)
• Атомна орбіталь (atomic orbital)
• Електронна хмара (electron cloud)
• Енергетичний рівень (energy level)
• Підрівень (sublevel)
• Спін (spin)
• Електронна формула (electron configuration)
• Графічна електронна формула (orbital diagram)
• Принцип мінімальної енергії (aufbau principle)
• Неспарений електрон (unpaired electron)

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

308. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

Таблиця оцінювання результатів вивчення теми «Електрон. Атомні орбіталі. Енергія електронів в атомі»:

Ця таблиця допомагає виявити теми, які потребують додаткового опрацювання, зокрема практичні навички заповнення підрівнів електронами.