§ 31. Строение электронных оболочек атомов

Область материального мира, охватывающая микрообъекты сверхмалых размеров (атомы, молекулы, ионы, атомные ядра и элементарные частицы), подчиняющиеся квантово-волновым законам:

• 1. Корпускулярно-волновой дуализм — фундаментальное свойство микрочастиц (включая электрон) проявлять одновременно свойства как частицы (масса, дискретный заряд), так и волны (дифракция, интерференция).
• 2. Электронное облако — физическая модель движения электрона в околоядерном пространстве атома, плотность которого отражает вероятность нахождения электрона в данной области объема.
• 3. Орбиталь — пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона максимальна (более 90%).

Совокупность движущихся вокруг ядра электронов, обладающих близкими значениями энергии и находящихся примерно на одинаковом удалении от атомного ядра:

• 1. Главное квантовое число ($n$) — нумерует энергетические уровни натуральными числами, начиная от ядра ($n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7$ или слои $K, L, M, N, O, P, Q$).
• 2. Связь с периодом — общее число энергетических уровней в атоме любого химического элемента строго равно номеру периода, в котором данный элемент расположен в Периодической системе Д. И. Менделеева.
• 3. Вместимость уровней — максимальное число электронов ($N$), способных разместиться на слое с номером $n$, подчиняется формуле $N = 2n^2$.

Закономерное распределение электронов по оболочкам атомов по мере увеличения заряда ядра от элемента № 1 к № 20:

• 1. Принцип наименьшей энергии — электроны заполняют энергетические уровни последовательно, начиная с самого низкого по энергии первого уровня ($n=1$), ближайшего к ядру.
• 2. Завершённый энергетический уровень — слой, содержащий максимально возможное для него теоретическое число электронов (первый уровень завершён при $2e^-$, а внешний уровень любого атома — не более чем при $8e^-$).
• 3. Незавершённый энергетический уровень — слой, содержащий меньше электронов, чем допускается его максимальной емкостью; такие атомы стремятся завершить оболочку в химических реакциях.
• 4. Внешний слой — число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов главных ($A$) подгрупп строго равно номеру группы.

Периодическое повторение сходного электронного строения внешнего энергетического уровня атомов по мере последовательного возрастания заряда их атомных ядер:

• 1. Элементы одной группы ($A$) — обладают строго одинаковым числом валентных электронов на внешнем слое (щелочные металлы — $1e^-$, щелочноземельные — $2e^-$, галогены — $7e^-$, благородные газы — $8e^-$), что обусловливает идентичный характер их химических свойств.
• 2. Завершение внешнего октета — атомы стремятся приобрести устойчивую 8-электронную конфигурацию благородного газа (октет), отдавая или принимая электроны, что определяет периодическое чередование металлических и неметаллических свойств в периодах.

1. Электронная оболочка атома:

Электронная оболочка атома — это совокупность всех электронов, непрерывно движущихся в электростатическом поле притяжения атомного ядра. Электронная оболочка определяет размеры атома, его химические свойства, способность вступать в химические связи и тип образуемых соединений. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов оболочки строго равен положительному заряду ядра.

2. Энергетический уровень (электронный слой):

Энергетический уровень (электронный слой) — это совокупность электронов электронной оболочки, обладающих близкими значениями энергии и находящихся примерно на одинаковом удалении от атомного ядра.

• Электронные слои нумеруются целыми числами $n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7$ по мере удаления от ядра (или обозначаются заглавными буквами $K, L, M, N, O, P, Q$);
• Чем ближе уровень к ядру ($n=1$), тем меньше запас энергии электронов и тем прочнее они связаны с ядром;
• Общее число энергетических уровней в атоме строго равно номеру периода, в котором данный элемент находится в таблице Д. И. Менделеева.

Заполнение электронных слоев у элементов с порядковыми номерами от 1 до 20 подчиняется принципу наименьшей энергии: каждый новый электрон занимает наиболее низкий из доступных энергетических уровней:

1. Элементы 1-го периода ($n=1$, максимальная емкость $2e^-$):

• Водород ($H$, № 1): $+1 ) 1e^-$ (слой не завершён);
• Гелий ($He$, № 2): $+2 ) 2e^-$ (1-й слой полностью завершён устойчивым электронным дублетом).

2. Элементы 2-го периода ($n=2$, максимальная емкость $8e^-$):

Первый уровень стабилен ($2e^-$), последовательно заполняется второй уровень от 1 до 8 электронов:

• Литий ($Li$, № 3): $+3 ) 2e^-, 1e^-$
• Бериллий ($Be$, № 4): $+4 ) 2e^-, 2e^-$
• Бор ($B$, № 5): $+5 ) 2e^-, 3e^-$
• Углерод ($C$, № 6): $+6 ) 2e^-, 4e^-$
• Азот ($N$, № 7): $+7 ) 2e^-, 5e^-$
• Кислород ($O$, № 8): $+8 ) 2e^-, 6e^-$
• Фтор ($F$, № 9): $+9 ) 2e^-, 7e^-$
• Неон ($Ne$, № 10): $+10 ) 2e^-, 8e^-$ (2-й уровень полностью завершён устойчивым октетом).

3. Элементы 3-го периода ($n=3$, емкость внешнего слоя $8e^-$):

Первые два уровня заполнены ($2e^-, 8e^-$), заполняется третий уровень:

• Натрий ($Na$, № 11): $+11 ) 2e^-, 8e^-, 1e^-$
• Магний ($Mg$, № 12): $+12 ) 2e^-, 8e^-, 2e^-$
• Алюминий ($Al$, № 13): $+13 ) 2e^-, 8e^-, 3e^-$
• Кремний ($Si$, № 14): $+14 ) 2e^-, 8e^-, 4e^-$
• Фосфор ($P$, № 15): $+15 ) 2e^-, 8e^-, 5e^-$
• Сера ($S$, № 16): $+16 ) 2e^-, 8e^-, 6e^-$
• Хлор ($Cl$, № 17): $+17 ) 2e^-, 8e^-, 7e^-$
• Аргон ($Ar$, № 18): $+18 ) 2e^-, 8e^-, 8e^-$ (внешний 3-й слой завершён октетом из $8e^-$).

4. Элементы 4-го периода ($K$ и $Ca$):

По квантово-механическим законам подуровень $4s$ энергетически выгоднее, чем $3d$, поэтому 19-й и 20-й электроны начинают заполнять 4-й энергетический уровень:

• Калий ($K$, № 19): $+19 ) 2e^-, 8e^-, 8e^-, 1e^-$
• Кальций ($Ca$, № 20): $+20 ) 2e^-, 8e^-, 8e^-, 2e^-$

1. Определение завершённого энергетического уровня:

Завершённым называют энергетический уровень, который содержит максимально возможное для него число электронов:

• Для первого энергетического уровня ($n=1$) завершённым является состояние с $2$ электронами (электронный дублет, как у атома гелия $He$);
• Для любого внешнего энергетического уровня завершённым и максимально устойчивым является состояние с $8$ электронами — завершённый электронный октет ($ns^2np^6$), характерный для атомов благородных газов ($Ne, Ar, Kr, Xe, Rn$);
• Атомы с завершёнными электронными слоями обладают предельной химической стабильностью и практически не вступают в химические реакции. Слои, содержащие меньше предельного числа электронов, называют незавершёнными.

2. Расчёт максимальной вместимости $n$-го уровня:

Максимальное число электронов ($N$), способных разместиться на энергетическом уровне с главным квантовым числом $n$, рассчитывается по фундаментальной квантовой формуле:

$$N = 2n^2$$

• Для 1-го уровня ($n = 1$): $N = 2 \cdot 1^2 = 2$ электрона;
• Для 2-го уровня ($n = 2$): $N = 2 \cdot 2^2 = 8$ электронов;
• Для 3-го уровня ($n = 3$): $N = 2 \cdot 3^2 = 18$ электронов;
• Для 4-го уровня ($n = 4$): $N = 2 \cdot 4^2 = 32$ электрона.

(Примечание: хотя 3-й уровень вмещает до 18 электронов, пока он является внешним, на нём не может быть более 8 электронов).

1. Причина сходства свойств элементов VA-группы:

К главной подгруппе V группы (VA-группе) относятся азот ($N$), фосфор ($P$), мышьяк ($As$), сурьма ($Sb$) и висмут ($Bi$).

Главная причина глубокого химического сходства этих элементов заключается в одинаковом электронном строении их внешнего энергетического уровня:

• Атомы всех элементов VA-группы содержат на внешнем слое ровно 5 электронов (электронная конфигурация $ns^2np^3$):
• Азот ($N$, № 7): $+7 ) 2e^-, 5e^-$
• Фосфор ($P$, № 15): $+15 ) 2e^-, 8e^-, 5e^-$
• Мышьяк ($As$, № 33): $+33 ) 2e^-, 8e^-, 18e^-, 5e^-$
• До завершения внешнего уровня устойчивым 8-электронным октетом атомам не хватает $8 - 5 = 3$ электрона. Поэтому в соединениях с водородом и металлами они присоединяют 3 электрона, проявляя степень окисления $-3$ (валентность III).
• При отдаче или обобществлении всех 5 внешних электронов более электроотрицательным атомам (кислороду, фтору) они проявляют высшую степень окисления $+5$ (высшая валентность V).

2. Формулы высших оксидов (общая формула $R_2O_5$):

• Оксид азота(V): $N_2O_5$
• Оксид фосфора(V): $P_2O_5$ (в реальной молекулярной форме — димер $P_4O_10$)
• Оксид мышьяка(V): $As_2O_5$
• Оксид сурьмы(V): $Sb_2O_5$
• Оксид висмута(V): $Bi_2O_5$

Все высшие оксиды элементов VA-группы проявляют выраженный кислотный характер (у $Bi_2O_5$ с сильным ослаблением кислотных свойств).

3. Формулы летучих водородных соединений (общая формула $RH_3$):

• Аммиак: $NH_3$
• Фосфин: $PH_3$
• Арсин: $AsH_3$
• Стибин: $SbH_3$

(Висмут летучего гидрида практически не образует из-за выраженного металлического характера и термической нестабильности $BiH_3$).