Периодический закон и электронная оболочка

Режим

Параметры

Нажатие на клетку выбирает

На графике

Стрелки трендов

ЭлементZ = 8 · кислород

Нажмите на ячейку: первый электрон встаёт стрелкой вверх, второй — вниз. Ошибки модель не пропустит и объяснит, какое правило нарушено.

Подписи n + l и mₗ

Нажмите на стрелку в ячейке — модель назовёт четыре квантовых числа этого электрона.

Движение электронов

Опыты

0/6

Опыт засчитывается по вашим записям: выберите опыт, сделайте то, что сказано в подсказке, и нажмите «Записать».

Тренды таблицы

A: натрий

нажмите на клетку элемента

Радиус атома—

Электроотрицательность—

Высший оксид—

Соединение с водородом—

Радиус атома и порядковый номер

периодичность

Что происходит

Записи

№	Элемент	Что записано
Пока нет записей. Выберите элемент и нажмите «Записать».

Журнал

Периодический закон Менделеева (1869)

Урок 6переключайте порядок

В XIX веке знали около 60 элементов, но порядка между ними не было. Д. И. Менделеев расположил элементы по возрастанию атомной массы и увидел, что их свойства повторяются через определённые промежутки — периодически.

Периодический закон (1869): свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их атомных масс. Позднее формулировку уточнили — от атомных номеров, то есть от зарядов ядер.

Менделеев оставил в таблице пустые клетки и предсказал свойства ещё не открытых элементов. Когда их нашли, предсказания подтвердились. Поэтому таблицу называют картой химии: по месту элемента можно заранее сказать, как он себя поведёт.

ИграРасположите элементы в порядке возрастания атомной массы: калий, марганец, сера, хлор, цинк.

Ловушка ЕНТ

Иногда говорят, что элементы в таблице стоят строго по массе. Это неверно: порядок задаёт заряд ядра. Аргон (40) стоит перед калием (39), теллур — перед иодом, кобальт — перед никелем.

Периоды, группы, подгруппы и блоки

Урок 6нажмите на клетку

s-блокp-блокd-блокf-блок — лантаноиды и актиноиды под таблицей

Нажмите на любой элемент: модель назовёт период, группу, подгруппу и блок.

Период — горизонтальный ряд элементов, их семь. Периоды 1–3 — малые, 4–7 — большие (по два ряда в короткой таблице). Каждый период начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом; первый — водородом и гелием. Номер периода равен числу электронных слоёв.

Группа — вертикальный столбец. По старой системе групп 8 (римские цифры), по новой — 18. Номер главной подгруппы равен числу электронов на внешнем уровне.

Блок	Где стоит	Подгруппа
s	I и II группы	главная A
p	III–VIII группы	главная A
d	переходные металлы	побочная B
f	лантаноиды и актиноиды	побочная B

ИграРазложите элементы по блокам. Подсказка: смотрите, в какой части таблицы стоит элемент.

Ловушка ЕНТ

Калий и медь стоят в одной группе I, но в разных подгруппах: калий — в главной (A), медь — в побочной (B). Калий бурно реагирует с водой, медь с водой не реагирует. Номер группы сам по себе ничего не решает — смотрите подгруппу.

Семейства элементов

Урок 6переворачивайте карточки

Семейство элементов — группа элементов таблицы со схожими свойствами. Обычно это одна главная подгруппа: число внешних электронов одинаковое, значит, и поведение похожее.

Слева в таблице — самые активные металлы (щелочные), справа — самые активные неметаллы (галогены), а в последнем столбце — инертные газы: их внешний уровень уже заполнен.

Наведите на столбец, чтобы прочитать о семействе.

Ловушка ЕНТ

Иногда галогены называют «очень активными металлами». Это неверно: галогены — очень активные неметаллы. Слово «галоген» значит «рождающий соль»: галоген принимает электрон у металла: 2Na + Cl₂ → 2NaCl.

Радиус атома, электроотрицательность, окислители и восстановители

Урок 6переключайте свойство

Атомный радиус — расстояние от ядра до самой удалённой электронной оболочки. В периоде слева направо он убывает (слоёв столько же, заряд ядра растёт и сильнее их притягивает), в группе сверху вниз растёт (добавляется слой).

Электроотрицательность (ЭО) — способность атома притягивать к себе электроны. Самая большая — у фтора (4,0), самая маленькая — у франция (0,7). Растёт вправо и вверх.

Восстановительные свойства — способность отдавать электроны (металлы). Окислительные — способность принимать электроны (неметаллы). Окислительные растут вправо и вверх (фтор), восстановительные — влево и вниз (франций).

ИграКто сильнее? Нажмите на элемент, у которого свойство выражено сильнее.

Ловушка ЕНТ

Направления у окислительных и восстановительных свойств противоположны. На экзамене дистрактор — тот же ряд в обратном порядке. Сначала решите, о каком свойстве речь, потом смотрите на ряд.

Ловушка ЕНТ

Радиус больше у элемента ниже и левее: Li < Na < K, но Cl < S < P. ЭО — наоборот: больше у элемента выше и правее.

Валентность и составление формул

Урок 6собирайте формулу крест-накрест

Валентность — способность атома соединяться с определённым числом других атомов, то есть число химических связей. Пишется римскими цифрами.

Водород всегда одновалентен (I), кислород — двухвалентен (II). По ним находят валентность второго элемента: HCl — хлор I, H₂O — кислород II, NH₃ — азот III, CH₄ — углерод IV.

Главная подгруппа	Валентности	Высший оксид
IA	I	R₂O
IIA	II	RO
IIIA	III	R₂O₃
IVA	II, IV	RO₂
VA	III, V	R₂O₅
VIA	II, IV, VI	RO₃
VIIA	I, III, V, VII	R₂O₇
VIIIA	валентности нет	—

Максимальная валентность равна номеру группы. Чётность валентностей совпадает с чётностью номера группы.

Первый элемент

Второй элемент

Ловушка ЕНТ

После переноса крест-накрест индексы обязательно сокращают: кальций (II) и сера (II) дают Ca₂S₂ → CaS. Формула вещества всегда простейшая.

Степень окисления

Урок 6доведите сумму до нуля

Σ(x · k) = 0x — степень окисления, k — индекс; в молекуле сумма равна нулю

Степень окисления — условный заряд атома, который он имел бы, если бы все связи в веществе были ионными. Пишется со знаком впереди: +1, +5, −2.

У простых веществ (H₂, O₂, N₂, Cl₂, любой металл) — 0.
Фтор — всегда −1; кислород обычно −2 (в пероксидах −1).
Водород обычно +1, в гидридах металлов (NaH) — −1.
Щелочные металлы +1, щелочноземельные +2.

Порядок: расставляем известные степени, умножаем на индексы, недостающую подбираем так, чтобы сумма стала нулём, и делим на индекс.

	Валентность	Степень окисления
Что показывает	число связей	условный заряд
Знак	нет	+, − или 0
Запись	I, II, III	+1, −2
Азот в N₂	III	0

Степень окисления

Выберите степень окисления неизвестного элемента.

Ловушка ЕНТ

Степень окисления умножают на индекс. В P₂O₅ кислород даёт 5 · (−2) = −10, два фосфора дают +10, значит каждый фосфор +5, а не +10.

Ловушка ЕНТ

Водород не всегда +1: в гидридах металлов (NaH, CaH₂) он −1. Кислород не всегда −2: в пероксидах (H₂O₂, Na₂O₂) он −1.

Электронная оболочка и энергетические уровни

Урок 7меняйте номер уровня

N = 2n²n — номер уровня, N — сколько электронов он вмещает: 2, 8, 18, 32

Электронная оболочка — совокупность всех электронов атома. Электроны собраны в энергетические уровни (слои) — группы электронов с близкой энергией. Между уровнями электрон находиться не может.

n	Обозначение	Вмещает
1	K	2 · 1² = 2
2	L	2 · 2² = 8
3	M	2 · 3² = 18
4	N	2 · 4² = 32
5	O	2 · 5² = 50

Завершённый уровень содержит максимальное число электронов — он устойчив. Внешний уровень инертного газа содержит 8 электронов: это правило октета. Металлы I–III групп отдают внешние электроны, неметаллы V–VII групп принимают недостающие до восьми.

Номер уровня nn = 3

Ловушка ЕНТ

Восемь электронов — признак завершённого внешнего уровня, а не вместимость. Третий уровень вмещает 18 электронов, но у аргона на нём 8: дальше заполнение уходит на 4s.

Подуровни s, p, d, f и формы облаков

Урок 7переключайте подуровень

Каждый уровень делится на подуровни s, p, d, f. Подуровень состоит из орбиталей — областей, где нахождение электрона наиболее вероятно. На схеме орбиталь — квадратная ячейка, в ней не больше двух электронов.

Подуровень	Форма облака	Ячеек	Электронов
s	сфера (шар)	1	2
p	гантель, объёмная восьмёрка	3	6
d	«клевер»	5	10
f	сложная, многолепестковая	7	14

Число подуровней на уровне равно его номеру: на 1-м — только s, на 2-м — s и p, на 3-м — s, p, d, на 4-м — s, p, d, f. Облака 1s, 2s, 3s — шары, растёт только размер.

Ловушка ЕНТ

p_x, p_y, p_z — это три орбитали (три ячейки), направленные по трём осям, а не три электрона. Электронов на p-подуровне помещается шесть.

Электронно-графическая формула. Правило Хунда

Урок 7выберите атом

Электронная конфигурация показывает, сколько электронов на каждом подуровне: O — 1s² 2s² 2p⁴. Электронно-графическая формула показывает, как они разместились по ячейкам — от этого зависит число неспаренных электронов.

Стрелка — электрон, её направление — спин. Два электрона в одной ячейке — спаренные (↑↓), одиночная стрелка — неспаренный электрон.

Правило Хунда: в пределах подуровня электроны сначала занимают все свободные ячейки по одному, и только потом образуют пары.

ИграКакая схема 2p-подуровня кислорода верная? Нажмите на неё.

Ловушка ЕНТ

Неспаренные электроны считают по ячейкам, а не по числу внешних электронов: у углерода (2p²) и у кислорода (2p⁴) их поровну — по два. Один неспаренный электрон на внешнем уровне у алюминия (3p¹) и фтора (2p⁵).

Порядок заполнения: 4s раньше 3d

Урок 7сравните кальций и скандий

Подуровни заполняются не по номеру уровня, а по возрастанию энергии. Энергия 4s ниже, чем 3d, поэтому четвёртый уровень начинается раньше, чем достроится третий.

У кальция (Z = 20) уровни 2, 8, 8, 2. У скандия (Z = 21) на один электрон больше, но внешний уровень уже начат — электрон уходит на недостроенный третий уровень, на 3d: 2, 8, 9, 2.

Конфигурацию записывают по уровням: Sc — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s². Проверка: сумма верхних индексов равна порядковому номеру.

Иногда спрашиваютУ хрома и меди один электрон 4s переходит на 3d: Cr — 3d⁵ 4s¹, Cu — 3d¹⁰ 4s¹. Наполовину или полностью заполненный d-подуровень устойчивее. Это называют «провалом» электрона.

ИграРасставьте подуровни в порядке заполнения.

Ловушка ЕНТ

Запись 3d у элемента третьего периода — грубая ошибка: 3d «опаздывает на период» и заполняется только после 4s. Конфигурация аргона заканчивается на 3p⁶.

Квантовые числа: адрес электрона

Урок 8соберите адрес

Квантовые числа — параметры, которые определяют состояние электрона в атоме и тип орбитали, на которой он находится.

Число	Что определяет	Значения
n — главное	энергию и удалённость от ядра (уровень)	1, 2, 3, …
l — орбитальное	форму облака (подуровень)	0 … n − 1
mₗ — магнитное	ориентацию орбитали в пространстве	−l … +l
mₛ — спиновое	направление спина	+½ или −½

Как адрес: n — этаж, l — квартира, mₗ — комната, mₛ — одно из двух мест в комнате. Для электронов внешнего уровня n равно номеру периода.

n — главное

l — орбитальное

mₗ — магнитное

mₛ — спиновое

n	l	Подуровни	mₗ	Орбиталей	Электронов
1	0	1s	0	1	2
2	0, 1	2s, 2p	0; −1…+1	1 + 3 = 4	8
3	0, 1, 2	3s, 3p, 3d	до ±2	1 + 3 + 5 = 9	18
4	0, 1, 2, 3	4s, 4p, 4d, 4f	до ±3	16	32

Ловушка ЕНТ

Иногда говорят: «3d заполняется в 4-м периоде, значит у 3d-электрона n = 4». Это неверно: n = 3 — первая цифра в записи подуровня и есть главное квантовое число.

Ловушка ЕНТ

mₗ принимает значения от −l до +l — всего 2l + 1 значений, а не «от 0 до +l». У d-подуровня mₗ = −2, −1, 0, +1, +2: пять орбиталей.

Принцип Паули, правило Хунда и правило Клечковского

Урок 8сравните два подуровня

Нажмите на два подуровня — модель скажет, какой заполняется раньше.

Выберите первый подуровень.

Принцип Паули: на одной орбитали — не более двух электронов, и спины у них разные. В атоме нет двух электронов с одинаковым набором четырёх квантовых чисел.

Правило Хунда: суммарный спин подуровня максимален — сначала по одному электрону в каждую ячейку.

Правило Клечковского (принцип наименьшей энергии): подуровни заполняются по возрастанию суммы n + l; при равной сумме раньше тот, у которого меньше n.

4s: 4 + 0 = 4, 3d: 3 + 2 = 5 — поэтому 4s раньше. 3d и 4p: обе суммы 5, у 3d меньше n — он раньше. 4f заполняется в 6-м периоде: f-подуровень «опаздывает» на два периода.

Ловушка ЕНТ

При равной сумме n + l первым заполняется подуровень с меньшим n: 3p (3 + 1) раньше 4s (4 + 0), 3d (3 + 2) раньше 4p (4 + 1).

Разбор задач

открывайте по шагам

Схемы упрощены для обучения: формы облаков нарисованы условно, энергии подуровней — не в масштабе. Радиусы атомов — расчётные значения в пикометрах, электроотрицательность — по шкале Полинга; значения учебные, округлены.