Czy elektrony w atomie mogą poruszać się w dowolnej przestrzeni wokół jądra? Czy natura dopuszcza możliwość zderzenia się elektronów w atomie?
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
skład atomu (jądro: protony i neutrony, elektrony);
rozmieszczenie elektronów w atomie.
Nauczysz się
oznaczać powłoki elektronowe w atomie;
określać maksymalną liczbę elektronów tworzących poszczególne powłoki elektronowe atomu;
opisywać rozmieszczenie elektronów w atomie;
wskazywać elektrony walencyjne.
iDP5Qw3ExP_d5e161
1. Czy elektrony w atomie poruszają się w dowolnym miejscu w przestrzeni wokół jądra?
Elektrony zajmują w atomie przestrzeń wokół jądra. Poruszają się w niej z dużą szybkością i w różnych kierunkach. Mówi się o nich, że tworzą chmurę elektronową.
Przestrzeń w atomie zajmowana przez elektrony jest ogromna w stosunku do objętości, jaką zajmuje jądro atomowe. Co nie oznacza jednak, że każdy z elektronów porusza się swobodnie w każdym punkcie tej przestrzeni. Okazuje się, że elektrony poruszają się tylko w ograniczonych obszarach, które zostały nazwane powłokami elektronowymi. W ich obrębie elektrony poruszają się z dużą szybkością i we wszystkich kierunkach. Liczba powłok elektronowych w atomach jest różna i uzależniona od liczby elektronów. Największe znane nam atomy mają siedem powłok, a najmniejsze – jedną.
Elektrony, które poruszają się na różnych powłokach, mają inną energię. Im bliżej jądra atomowego znajduje się elektron, tym jest ona niższa. I przeciwnie – im dalej od jądra atomowego znajduje się elektron, tym jego energia jest wyższa.
REN89HNcLTckp
Polecenie 1
RIFZtmgMHMWZm
Powłoki elektronowe nie mają fizycznego odzwierciedlenia w budowie atomu. To przede wszystkim energia danego elektronu oraz obecność pozostałych elektronów decydują, w jakim obszarze wokół jądra będzie się on poruszał. W przestrzeni wokół jądra nie ma żadnych fizycznych barier, które utrzymywałyby elektron na określonej powłoce.
iDP5Qw3ExP_d5e236
2. Ile elektronów może znajdować się na powłokach?
Powłokom elektronowym w atomie nadano symbole literowe, zgodnie z alfabetem, od K do Q. Powłoka najbliżej jądra (pierwsza) oznaczona jest literą K. Następne to: L, M, N, O, P, Q.
1
Powłoki elektronowe
Kolejność powłok (odległość od jądra)
pierwsza
druga
trzecia
czwarta
piąta
szósta
siódma
Symbol powłoki
K
L
M
N
O
P
Q
Na każdej z nich może znajdować się określona liczba elektronów. Na przykład na pierwszej powłoce mogą przebywać tylko dwa elektrony, a na trzeciej aż osiemnaście. Im dalej od jądra atomu znajduje się powłoka, tym więcej elektronów może pomieścić. Maksymalną liczbę elektronów, jaka może znajdować się na powłoce, opisuje wzór:
w którym n oznacza numer powłoki.
Przykład 1
dla n = 5, maksymalna liczba elektronów to
1
Liczby elektronów przypisane powłokom
Numer powłoki (n)
Symbol powłoki elektronowej
K
L
M
N
O
P
Q
Maksymalna liczba elektronów na powłoce ()
Polecenie 2
Przypisz symbole powłok oraz maksymalną liczbę elektronów w obrębie danej powłoki.
R15dWf08RAEBr
R1Dhh8cMMFJ6F
Polecenie 2
Zapisz maksymalną liczbę elektronów, jaka może znajdować się na podanych powłokach.
R1Oj6mKSdpt6D
iDP5Qw3ExP_d5e278
3. Jak rozmieszczone są elektrony w atomie?
Rozmieszczenie elektronów na poszczególnych powłokach nazywa się konfiguracją elektronowąkonfiguracja elektronowakonfiguracją elektronową. Jej zapis poznamy na przykładach. Przedstawienie konfiguracji elektronowej atomu rozpoczniemy od atomu helu, który ma dwa elektrony. Mogą one przebywać na pierwszej powłoce K. Tę informację możemy zaprezentować na kilka sposobów, więc przedstawiono je w tabeli.
Sposoby prezentacji konfiguracji elektronowej
Sposób zapisu konfiguracji elektronowej
Ogólne zasady zapisu konfiguracji elektronowej wybranym sposobem
Konfiguracja elektronowa atomu helu
Zapis z użyciem nawiasów kwadratowych
W nawiasie kwadratowym wymieniamy kolejno liczby elektronów, które znajdują się na powłokach: pierwszej, drugiej i kolejnych. Liczby te oddzielamy przecinkami.
Zapis z użyciem symboli powłok
Podajemy symbole zajętych przez elektrony powłok. Z prawej strony każdego symbolu, w indeksie górnym, zapisujemy liczbę elektronów, które znajdują się na powłoce.
KIndeks górny 22
Zapis w postaci schematu
Na schemacie modelu atomu zaznaczamy ładunek jądra równy liczbie protonów. Rysujemy powłoki elektronowe jako półokręgi, podpisujemy je ich symbolami. Następnie zaznaczamy ilość elektronów na poszczególnych powłokach.
R15MKLinHvfxD
Polecenie 3
Dokończ poniższe zdanie, wybierając słowo spośród podanych.
RWT2myUeIMxZz
R1cRdnklls0cI
Konfiguracja elektronowa atomu krzemu
Zapis z użyciem nawiasów kwadratowych:
Zapis z użyciem symboli powłok: KIndeks górny 22LIndeks górny 88MIndeks górny 44
Zapis w postaci schematu:
R1H7lmY3vwMvp
Ważne!
Zapełnienie powłok (L) i (M) następuje, gdy niższa powłoka zostanie zapełniona maksymalną liczbą elektronów. W przypadku atomów o liczbie atomowej większej niż reguła ta zazwyczaj nie obowiązuje. Choć na powłoce trzeciej może znaleźć się maksymalnie elektronów, to obsadzenie czwartej powłoki następuje często zanim powłoka trzecia całkowicie się wypełni. Zjawisko to obrazują prawidłowo zapisane konfiguracje elektronowe, m.in. następujących atomów pierwiastków chemicznych:
Polecenie 4
Dopasuj symbol pierwiastka do jego konfiguracji elektronowej, zapisanej w postaci schematu.
RAz8s5kYRsFEq
Polecenie 4
Dopasuj symbol pierwiastka do jego konfiguracji elektronowej, zapisanej z użyciem symboli powłok.
R1OQkOqduxPTS
Dla zainteresowanych
Bardziej szczegółowym sposobem opisu elektronów w atomie jest zapis konfiguracji elektronowej w systemie podpowłokowym.
RwEZxgZuQ9UBd
Przynależność elektronu do określonej powłoki określa jego poziom energetyczny. W obrębie jednego poziomu energetycznego istnieją podpoziomy, czyli podpowłoki.
Dla przykładu: w obrębie pierwszej powłoki istnieje jedna podpowłoka, w obrębie drugiej dwie podpowłoki, a w obrębie trzeciej są trzy. W zapisie konfiguracji elektronowej w systemie podpowłokowym symbol powłoki zastąpiono jej numerem, dla powłoki K to , dla L – , itd.
W obrębie podpowłoki s mogą znajdować się maksymalnie 2 elektrony. Natomiast w obrębie podpowłoki typu p maksymalnie 6 elektronów, a w obrębie podpowłoki typu d – elektronów.
Numer powłoki
Symbol powłoki
Maksymalna liczba elektronów w obrębie powłoki
Liczba podpowłok
Symbole podpowłok
Maksymalna liczba elektronów w obrębie danej podpowłoki
K
s
L
s, p
M
s, p, d
Dla atomu wodoru, leżącego w pierwszym okresie układu okresowego, zapis konfiguracji w systemie podpowłokowym wygląda następująco:
RXlYHtCNrKjCj
Analogicznie sytuacja wygląda dla atomu helu. Jednak atom ten ma dwa elektrony walencyjneelektrony walencyjneelektrony walencyjne.
RFwZMI6CM49LY
W obrębie drugiej powłoki istnieją dwie podpowłoki – typu s oraz typu p. Poniżej przedstawiono zapis konfiguracji elektronowej w systemie podpowłokowym dla atomów litu oraz berylu, które leżą w drugim okresie układu okresowego. Zauważ, że zapis elektronów w obrębie pierwszej powłoki jest identyczny, jak dla pierwiastków pierwszego okresu.
R1as660EHIAL6
Atom berylu ma elektrony walencyjne, co uwzględnia się w indeksie górnym symbolu podpowłoki, w obrębie której znajdują się elektrony.
R1O4zkQbrP1YN
Ponieważ już wiesz, że w obrębie podpowłoki typu s mogą znajdować się maksymalnie 2 elektrony, to kolejne będą znajdowały się w obrębie podpowłoki typu p, ale wciąż na tej samej powłoce. Zatem zapis konfiguracji elektronowej w systemie podpowłokowym dla atomu boru będzie wyglądał więc następująco:
RuyXqEsPT2KZE
Atom boru ma trzy elektrony walencyjne. Wobec tego dwa z nich znajdują się w obrębie podpowłoki typu s, a jeden w obrębie podpowłoki typu p.
Analogicznie sytuacja wygląda dla pozostałych pierwiastków drugiego okresu.
RGEfKO19kxxoJ
Zapis konfiguracji elektronowej w systemie podpowłokowym pierwiastków kolejnych okresów poznasz w dalszym etapie nauki.
iDP5Qw3ExP_d5e463
4. Czy elektrony ostatniej powłoki są ważne?
Elektrony, które znajdują się najdalej od jądra atomowego, są najsłabiej przez to jądro przyciągane i często oddziałują na elektrony innych atomów. Można o nich w przenośni powiedzieć, że reprezentują atom na zewnątrz. Decydują o właściwościach atomu i nazywane są elektronami walencyjnymi, a powłoka, na której się znajdują, to powłoka walencyjna. Pozostałe elektrony nazywane są elektronami rdzenia atomowego.
Atomy mogą mieć różną liczbę elektronów walencyjnych (od 1 do 12). Dla pierwiastków chemicznych z grup od 1. do 12. liczba elektronów walencyjnych jest równa numerowi grupy. Ale dla pierwiastków chemicznych grup od do , liczbę elektronów walencyjnych oblicza się, odejmując od numeru grupy liczbę (wyjątek stanowi hel, który ma 2 elektrony walencyjne).
Na przykład sód znajduje się w 1. grupie układu okresowego, więc liczba jego elektronów wynosi . Natomiast selen znajduje się w . grupie układu okresowego, więc liczba jego elektronów wynosi . Czasami, w przypadku większych atomów, rolę elektronów walencyjnych – oprócz elektronów ostatniej powłoki – pełnią równocześnie niektóre elektrony przedostatniej powłoki.
RH3mytlYxajbe
Polecenie 5
Uzupełnij poniższą tabelę, przeciągając liczby elektronów walencyjnych dla poszczególnych pierwiastków.
R1UjLjsZtWbZ4
iDP5Qw3ExP_d5e500
Podsumowanie
Elektrony w atomie poruszają się w ściśle określonej przestrzeni wokół jądra (w obszarach zwanych powłokami elektronowymi).
Każda powłoka może pomieścić ograniczoną liczbę elektronów (, n – numer powłoki).
Liczba powłok elektronowych jest równa numerowi okresu, w którym znajduje się dany pierwiastek.
Rozmieszczenie elektronów w atomie nazywa się konfiguracją elektronową.
Elektrony najdalej oddalone od jądra nazywamy elektronami walencyjnymi – zazwyczaj zajmują one ostatnią powłokę (zwaną wtedy powłoką walencyjną), ale czasami mogą zajmować częściowo również przedostatnią powłokę.
Dla pierwiastków chemicznych znajdujących się w grupach od . do ., liczba elektronów walencyjnych jest równa numerowi grupy. Dla pierwiastków chemicznych grup od . do ., liczbę elektronów walencyjnych oblicza się, odejmując od numeru grupy liczbę (wyjątek stanowi hel, który ma 2 elektrony walencyjne).
Praca domowa
Polecenie 6.1
W poniższej tabeli przedstawiono opisy różnych atomów.
Tabela do zadania
Numer atomu
Opis atomu
atom sodu zawierający w jądrze atomowym protonów
liczba masowa atomu = liczba atomowa =
RkNvsp54oh1mv
iDP5Qw3ExP_d5e561
Słownik
elektrony walencyjne
elektrony walencyjne
elektrony poruszające się na zewnętrznej (często położonej najdalej od jądra atomowego; ostatniej) powłoce elektronowej w atomie
konfiguracja elektronowa
konfiguracja elektronowa
rozmieszczenie elektronów w atomie
powłoka walencyjna
powłoka walencyjna
powłoka, na której znajdują się elektrony walencyjne, często ostatnia (najbardziej zewnętrzna) powłoka elektronowa w atomie
iDP5Qw3ExP_d5e634
Ćwiczenia
Pokaż ćwiczenia:
1
Ćwiczenie 1
Jak zmienia się energia elektronów ze wzrostem odległości od jądra? Wstaw właściwe wyrażenie.
R1ZZBzP0xeBUp
RMUSLyDgLEGva
R1IyKu8jvnMnc1
Ćwiczenie 1
1
Ćwiczenie 2
R12K4G8ig4Hnk
1
Ćwiczenie 3
R6VwwXIzHhrUQ
2
Ćwiczenie 4
Dopasuj oznaczenie literowe powłok elektronowych w atomie oraz podaj maksymalną liczbę elektronów, które mogą się na nich znajdować. Uzupełnij tabelę, wybierając elementy z listy.
RlRTBozl3MrCs
RD4UxeE5t0dNg
2
Ćwiczenie 4
Połącz w pary symbole powłok elektronowych z maksymalną liczbą elektronów, jaka może się na nich znajdować.
RkJTMreiSlGAx
2
Ćwiczenie 5
Uzupełnij konfigurację elektronową sodu .
RHJyioIO7zKW5
R1gxbuVCnFMYK
21
Ćwiczenie 5
Zapisz konfigurację elektronową sodu .
R1MGtTJjkEIUI
Atom sodu zawiera jeden elektron walencyjny.
2
Ćwiczenie 6
Uzupełnij konfigurację elektronową siarki .
RMqITQ8yd6dMB
RnmCYcN1biX5x
21
Ćwiczenie 6
Zapisz konfigurację elektronową siarki .
R1AxIwJWphRgO
Atom siarki zawiera sześć elektronów walencyjnych.
Atom chloru zawiera siedem elektronów walencyjnych.
2
Ćwiczenie 8
R2jLeJr9xah8Y
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Określ prawdziwość zdań.
Prawda
Fałsz
Im bliżej jądra znajduje się dana powłoka elektronowa w atomie, tym więcej elektronów może ją tworzyć.
□
□
Zapis [2, 8, 2] przedstawia konfigurację elektronową atomu, który zawiera dwanaście elektronów.
□
□
Tylko w przypadku pierwszych dwóch powłok elektronowych obowiązuje reguła, według której elektrony mogą tworzyć kolejną powłokę dopiero po wypełnieniu powłoki niższej maksymalną liczbą elektronów.
□
□
Elektrony walencyjne znajdują się zawsze na pierwszej od jądra atomowego powłoce elektronowej.
□
□
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 9
RZmQC7ypvYX47
3
Ćwiczenie 10
Atom of which chemical element has the following electron configuration?
R9ueb1bWbMduv
3
Ćwiczenie 11
Which element has the most valence electrons?
RqyYQzdWa2Ef2
Bibliografia
Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.
Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce 2020.