Атомдағы электрондар

Оқулық: Оспанова М.Қ., Аухадиева Қ.С., Белоусова Т.Г. Химия: 8-сынып. — Алматы: Мектеп, 2018. Төмендегі мәтін — оқулық тақырыптары бойынша өз сөзімізбен жазылған қысқаша конспект. Жақшадағы бет — параграфтың оқулықта басталатын беті.

§1. Атомда электрондардың таралуы (8-сынып, 4-б.)

Атом ядро мен электрондардан тұрады. Ядрода протондар (заряды +1, массасы ≈ 1 м.а.б.) және нейтрондар (заряды 0, массасы ≈ 1 м.а.б.) болады. Электронның заряды −1, массасы протоннан шамамен 1840 есе аз. Атом бейтарап, сондықтан протондар саны электрондар санына тең және элементтің реттік нөміріне (Z) сәйкес келеді.

Нейтрондар санын массалық саннан табамыз: N = A − Z. Мысалы, фтор ¹⁹F: 9 протон, 9 электрон, 19 − 9 = 10 нейтрон.

Заттардың физикалық және химиялық қасиеттерін негізінен электрондар анықтайды. Нильс Бор моделі бойынша электрондар ядроның айналасында белгілі бір энергиясы бар қабаттарда — энергетикалық деңгейлерде (электрондық қабаттарда) орналасады. Деңгейлер ядродан бастап 1, 2, 3, 4 (K, L, M, N) деп нөмірленеді.

Бор диаграммасында ядро ортасында, деңгейлер шеңбер түрінде, электрондар нүкте түрінде салынады. Сутек пен гелийде бір деңгей, литийде екі деңгей, натрийде үш деңгей бар (2, 8, 1).

Маңызды қорытынды: период нөмірі атомдағы энергетикалық деңгейлер санына тең. Мысалы, Na — 3-период элементі, демек оның электрондары үш деңгейге таралған.

§2. Энергетикалық деңгейлер (8-сынып, 7-б.)

Бір деңгейде болатын электрондардың ең көп саны N = 2n² формуласымен анықталады (n — деңгей нөмірі): 1-деңгейде 2, 2-деңгейде 8, 3-деңгейде 18, 4-деңгейде 32 электрон болуы мүмкін.

Алғашқы 20 элементтің электрондары деңгейлерге былай толады: алдымен 1-деңгей (2 электрон), содан кейін 2-деңгей (8-ге дейін), содан кейін 3-деңгей. Калий мен кальцийде 3-деңгейде 8 электрон болғанда келесі электрондар 4-деңгейге орналасады: K — 2, 8, 8, 1; Ca — 2, 8, 8, 2.

Мысалдар: C (Z = 6) — 2, 4; O (Z = 8) — 2, 6; Mg (Z = 12) — 2, 8, 2; S (Z = 16) — 2, 8, 6; Cl (Z = 17) — 2, 8, 7; Ar (Z = 18) — 2, 8, 8.

Сыртқы деңгейдегі электрондар валенттік электрондар деп аталады. Негізгі топша (A топ) элементтері үшін топ нөмірі сыртқы деңгейдегі электрондар санына тең. Мысалы, Cl — 17(VIIA) топ, сыртқы деңгейінде 7 электрон бар.

Сыртқы деңгейі толық (2 немесе 8 электрон) атомдар өте тұрақты — бұлар асыл газдар (He, Ne, Ar). Басқа атомдар осындай тұрақты күйге электрон беру, қосып алу немесе ортақтастыру арқылы жетуге ұмтылады.

§3. Атомдағы электрондардың қозғалысы (8-сынып, 10-б.)

Электрон өте жылдам қозғалады, сондықтан оның нақты орны мен траекториясын көрсету мүмкін емес. Тек электронның кеңістіктің белгілі бір бөлігінде болу ықтималдығын айтуға болады. Ядро маңындағы электрон жиі болатын аймақ электрондық бұлт деп аталады.

Атомдық орбиталь — электронның болу ықтималдығы ең жоғары (шамамен 90%) кеңістік аймағы. Орбитальдардың пішіні әртүрлі: s-орбиталь — шар тәрізді; p-орбиталь — гантель (көлемді сегіз) тәрізді, кеңістікте үш бағытта (pₓ, p_y, p_z) орналасады; d-орбитальдардың пішіні күрделірек, олардың саны бесеу.

Әр энергетикалық деңгей деңгейшелерден тұрады. 1-деңгейде тек 1s; 2-деңгейде 2s және 2p; 3-деңгейде 3s, 3p, 3d. Бір орбитальда ең көбі 2 электрон болады, олардың спиндері қарама-қарсы (Паули принципі). Сондықтан s-деңгейшеде 2, p-деңгейшеде 6, d-деңгейшеде 10 электрон сыяды.

Электрондық формула (конфигурация) деңгейшелердің толу ретімен жазылады: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d. Мысалдар: H 1s¹; C 1s²2s²2p²; Na 1s²2s²2p⁶3s¹; Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹; Ca …4s².

Электрондық-графиктік формулада әр орбиталь ұяшықпен, электрон бағыттама арқылы көрсетіледі. Бір деңгейшенің орбитальдарына электрондар алдымен бір-бірден, бірдей спинмен орналасады, содан кейін ғана жұптасады (Хунд ережесі). Мысалы, азоттың 2p-деңгейшесінде үш жұптаспаған электрон бар, ал оттекте екі жұптаспаған электрон бар.

Соңғы электрон қай деңгейшеге түсетініне қарай элементтер s-, p-, d-элементтер болып бөлінеді: Na, Mg — s-элементтер; Al–Ar — p-элементтер; Fe, Cu, Zn — d-элементтер.

§4. Иондардың түзілуі (8-сынып, 15-б.)

Ядро бөлшектері бір-бірімен өте күшті ядролық күштермен байланысқан, ал электрондар ядроға салыстырмалы әлсіз тартылады. Сондықтан химиялық реакцияларда ядро өзгермейді, тек электрондар бір атомнан екіншісіне ауыса алады.

Ион — атомның электрон беруі немесе қосып алуы нәтижесінде түзілген зарядталған бөлшек. Электрон берген атом оң зарядты ионға — катионға айналады; электрон қосып алған атом теріс зарядты ионға — анионға айналады.

Металдардың сыртқы деңгейінде электрон аз (1–3), оларды беріп жіберіп, алдыңғы толық деңгейді сыртқы деңгей етеді. Мысалы: Na (2, 8, 1) − 1e⁻ → Na⁺ (2, 8); Mg (2, 8, 2) − 2e⁻ → Mg²⁺ (2, 8); Al − 3e⁻ → Al³⁺.

Бейметалдардың сыртқы деңгейінде электрон көп (5–7), олар сегізге дейін толықтыру үшін электрон қосып алады: Cl (2, 8, 7) + 1e⁻ → Cl⁻ (2, 8, 8); S (2, 8, 6) + 2e⁻ → S²⁻ (2, 8, 8); O + 2e⁻ → O²⁻.

Ионның заряды берілген немесе қосылған электрондар санына тең. Na⁺, Mg²⁺, F⁻, O²⁻ иондарының электрондық құрылысы неонның құрылысындай (2, 8) — олар изоэлектронды бөлшектер. Иондағы электрондар санын былай табамыз: катион үшін Z − заряд, анион үшін Z + |заряд|.

Иондардың қасиеттері атомдардан өзгеше: металл натрий сумен қатты әрекеттеседі, ал ас тұзындағы Na⁺ ионы — тұрақты, қауіпсіз бөлшек; хлор газы улы, ал Cl⁻ ионы ағзаға қажет.

§5. Қосылыстар формулаларын құрастыру (8-сынып, 18-б.)

7-сыныпта формулаларды валенттілік бойынша құрастырдық. Иондардан тұратын қосылыстар үшін «нөлдік қосынды» әдісі қолданылады: кез келген қосылыс бейтарап, демек ондағы барлық оң және теріс зарядтардың қосындысы нөлге тең.

Құрастыру реті: 1) катион мен анионның зарядтарын жазамыз; 2) зарядтардың ең кіші ортақ еселігін табамыз; 3) әр ион санын ортақ еселікті сол ионның зарядына бөліп табамыз.

Мысалдар: Al³⁺ және O²⁻ → ортақ еселік 6 → 2 Al³⁺ (+6) және 3 O²⁻ (−6) → Al₂O₃. Ca²⁺ және Cl⁻ → CaCl₂. Na⁺ және SO₄²⁻ → Na₂SO₄. Ca²⁺ және PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂. Fe³⁺ және OH⁻ → Fe(OH)₃.

Күрделі иондар (SO₄²⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, CO₃²⁻, OH⁻, NH₄⁺) формулада біртұтас топ ретінде жазылады; олардың саны бірден көп болса, жақшаға алынады: Mg(NO₃)₂, (NH₄)₂SO₄.

Тексеру: Ca₃(PO₄)₂ → 3·(+2) + 2·(−3) = 0. Қосынды нөл болса, формула дұрыс.

1-зертханалық тәжірибе. Атомдар модельдерін жасау (8-сынып, 22-б.)

Жұмыстың мақсаты — атом құрылысын қағаздан жасалған Бор диаграммасы түрінде көрсету. Ақ параққа циркульмен бір центрлі бірнеше шеңбер сызылады: ең кішісі — ядро, қалғандары — энергетикалық деңгейлер.

Түсті қағаздан кішкентай дөңгелектер қиылады: көк — протондар, қызыл — нейтрондар, жасыл — электрондар. Бір топ оқушы көміртек атомының, екінші топ оттек атомының моделін жасайды.

Құрастыру реті: реттік нөмір бойынша протон мен электрон санын, массалық сан бойынша нейтрон санын анықтаймыз (C: 6p, 6n, 6e; O: 8p, 8n, 8e); протондар мен нейтрондарды ядроға жапсырамыз; электрондарды деңгейлерге 2 және 4 (көміртек), 2 және 6 (оттек) етіп орналастырамыз.

Қорытындыда екі атомның құрылысы салыстырылады: екеуі де 2-период элементі (екі деңгей), айырмашылығы — сыртқы деңгейдегі электрондар саны (4 және 6), ол топ нөміріне сәйкес келеді.