Химия · 8 класс3 четвертьТема 6Лабораторная работаГОСО РК 2026Базовый

Периодический закон и электронное строение атомов (s- и p-элементы)

Периодический закон и электронное строение атомов (s- и p-элементы)

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ3 четвертьдескрипторы ГОСО

Современная теория строения атома базируется на квантовой механике. Электрон обладает корпускулярно-волновым дуализмом (де Бройль) и не движется по фиксированным траекториям, а образует «электронное облако».

Орбиталь — это область пространства вокруг ядра, в которой вероятность нахождения электрона максимальна (более 90%).

• s-орбиталь имеет строгую сферическую форму (шар). На каждом энергетическом уровне имеется ровно одна s-орбиталь, вмещающая до 2 электронов с противоположными спинами (s²).

• p-орбитали имеют форму объемной гантели (восьмерки). Начиная со второго уровня (n=2), появляются три взаимно перпендикулярные p-орбитали (px, py, pz), вмещающие суммарно до 6 электронов (p⁶).

Схема: Электронные орбитали s и p, энергетические уровни

Анимированная модель
ЯдроZ p⁺, N n⁰K (2e⁻)L (8e⁻)M (18e⁻)Квантовые подуровниss-орбиталь (сфера, 1 орб)p-орбиталь (гантель, 3 орб)Электронная формула: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
Формы орбиталей: s-сфера, p-гантель; принцип наименьшей энергии и правило Хунда.
Квантовая форма

s- и p-орбитали

Сферические (s) и гантелеобразные (p) квантовые состояния электрона в атоме.
Квантовый спин

Спин электрона

Собственный момент импульса электрона (значения +1/2 и -1/2, изображаются стрелками ↑ и ↓).

Принцип Паули

В одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех 4 квантовых чисел (на одной орбитали — не более 2 электронов с антипараллельными спинами).

Шаг 1
Определение уровня n
Номер периода равен главному квантовому числу n внешнего уровня.
Шаг 2
Порядок заполнения
Заполнять по принципу минимума энергии: 1s -> 2s -> 2p -> 3s -> 3p.
Шаг 3
Правило Хунда
В пределах p-подуровня электроны сначала занимают свободные ячейки по одному (↑ ↑ ↑), затем спариваются.
Емкость подуровней
Ns=2;Np=6;Nd=10;Nf=14N_s = 2;\quad N_p = 6;\quad N_d = 10;\quad N_f = 14
Максимальное число электронов на подуровне с орбитальным числом l равно 2(2l + 1).

В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами последним, элементы делятся на электронные семейства:

1. s-элементы — элементы главных подгрупп I-А и II-А групп, а также H и He. Валентные электроны находятся на внешней s-орбитали: водород 1s¹, гелий 1s², натрий ₁₁Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ (или [Ne]3s¹).

2. p-элементы — элементы главных подгрупп III-А — VIII-А групп. У них заполняется внешний p-подуровень:

• Углерод ₆C: 1s² 2s² 2p²;

• Азот ₇N: 1s² 2s² 2p³ (три неспаренных электрона обусловливают валентность III);

• Кислород ₈O: 1s² 2s² 2p⁴;

• Неон ₁₀Ne: 1s² 2s² 2p⁶ (завершенный устойчивый октет).

Семейство элементов

s- и p-элементы

Элементы главных подгрупп, формирующие основу органической и неорганической химии.
Благородный остов

Электронный октет

Устойчивая 8-электронная внешняя конфигурация s²p⁶, завершающая периоды.

Сокращенная запись

Запись [Ne]3s²3p³ заменяет конфигурацию внутренних заполненных оболочек символом благородного газа неона.

Шаг 1
Нахождение Z
Определить суммарное число электронов по порядковому номеру элемента Z.
Шаг 2
Запись формулы
Последовательно заполнить подуровни: 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶...
Шаг 3
Графическая схема
Изобразить квантовые ячейки со стрелками спинов для валентного слоя.
Конфигурация валентного слоя p-элементов
ns2npk(k=1,…,6)ns^2 np^k \quad (k = 1, \dots, 6)
Сумма электронов (2 + k) в точности равна номеру группы элемента.

Валентность атома в ковалентных соединениях определяется числом его неспаренных электронов, способных образовывать общие электронные пары (по обменному механизму), а также наличием неподеленных пар и свободных орбиталей (по донорно-акцепторному механизму).

При поглощении энергии атом может переходить в возбужденное состояние (обозначается звездочкой *), если на его внешнем уровне есть спаренные электроны и свободные орбитали того же уровня.

Например, атом углерода ₆C:

• Основное состояние: 2s² 2p² (два неспаренных электрона, валентность II, например в CO);

• При возбуждении C*: электрон со 2s-подуровня распаривается и переходит на свободную 2pz-орбиталь -> 2s¹ 2p³ (четыре неспаренных электрона, валентность IV, например в CH₄, CO₂).

У элементов 2-го периода (N, O, F) нет d-подуровня, поэтому распаривание внешних электронов невозможно (кислород не бывает шестивалентным, а азот — пятивалентным).

Квантовый скачок

Возбужденное состояние C*

Распаривание 2s-электронов с переходом на свободную 2p-орбиталь с образованием 4 неспаренных электронов.
Ограничение 2-го периода

Отсутствие d-подуровня

На 2-м уровне n=2 возможны только s- и p-подуровни, поэтому емкость ограничена 8 электронами.

Почему азот не пятивалентен?

У атома азота всего 4 орбитали на 2-м уровне (одна 2s и три 2p), поэтому максимальная ковалентность азота равна IV (NH₄⁺, HNO₃).

Шаг 1
Анализ внешнего слоя
Построить квантовые ячейки основного состояния.
Шаг 2
Поиск свободных ячеек
Проверить наличие пустых орбиталей того же уровня (2p или 3d).
Шаг 3
Распаривание
Перенести спаренный электрон в пустую ячейку и сосчитать новые неспаренные электроны.
Схема возбуждения атома фосфора
P […3s23p33d0]→hνP∗[…3s13p33d1]\text{P } [\dots 3s^2 3p^3 3d^0] \xrightarrow{h\nu} \text{P}^* [\dots 3s^1 3p^3 3d^1]
Фосфор переходит из трехвалентного состояния в пятивалентное (PCl₅, P₂O₅) благодаря наличию свободных 3d-орбиталей.

Правила заполнения квантовых ячеек:

Шаг 1
Принцип наименьшей энергии (принцип Клечковского)
Электроны заполняют подуровни в порядке возрастания суммы (n + l): 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d.
Шаг 2
Принцип запрета Паули
В одной квантовой ячейке (орбитали) не может находиться более двух электронов, причем их спины должны быть противоположными (антипараллельными: ↑↓).
Шаг 3
Правило Хунда (Гунда)
В пределах одного подуровня электроны сначала распределяются по одному в каждую орбиталь с параллельными спинами (↑ ↑ ↑), и лишь затем спариваются (↑↓ ↑↓ ↑↓).

Типовое задание ЕНТ:

«Сколько неспаренных электронов имеет атом углерода в основном и возбужденном состояниях?»

Разбор:

• Основное состояние C (Z = 6): 1s² 2s² 2p².

На 2s-подуровне пара электронов (2s²: ↑↓), на 2p-подуровне 2 неспаренных электрона (2p²: ↑ ↑ _). Валентность равна II (как в молекуле CO).

• При возбуждении (C*): за счет энергии электрон с 2s-орбитали распаривается и переходит на свободную 2p-орбиталь:

Электронная конфигурация: 1s² 2s¹ 2p³.

Теперь у атома 4 неспаренных электрона (2s¹: ↑, 2p³: ↑ ↑ ↑), валентность равна IV (как в CH₄, CO₂).

Запомните элементы, не имеющие возбужденного состояния: N, O, F (у них во втором периоде нет вакантных d-орбиталей для распаривания электронов)!

Почему азот не бывает пятивалентным

Атом азота N имеет максимальную валентность IV (а не V!), так как на втором энергетическом уровне всего 4 орбитали (одна 2s и три 2p) и нет d-подуровня. Степень окисления при этом может быть +5 (в HNO₃)!

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул8 класс
Количество вещества через массу:
n=m/Mn = m / M[моль]
Число структурных частиц:
N=n⋅NAN = n \cdot N_A[частиц]
Молярный объем газов при н.у.:
V=n⋅VmV = n \cdot V_m[л]
Относительная плотность газов:
DB(A)=M(A)/M(B)D_B(A) = M(A) / M(B)
Следующая тема

Химическая связь: ковалентная (полярная и неполярная) и ионная связь

Перейти к теме →