Страница 139 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте определения электронной оболочки атома и энергетического уровня (электронного слоя).

Электронная оболочка атома — это совокупность всех электронов, которые движутся в электростатическом поле ядра атома. Электроны в оболочке не распределены случайным образом, а располагаются на определённых энергетических уровнях и подуровнях, образуя сложную структуру. Строение электронной оболочки, в особенности количество электронов на внешнем энергетическом уровне, определяет большинство химических свойств атома, таких как его валентность, способность вступать в химические реакции и образовывать химические связи.
Ответ: Электронная оболочка атома — это совокупность всех электронов, движущихся вокруг его ядра.

Энергетический уровень (электронный слой) — это совокупность электронов в атоме, обладающих близкими значениями энергии. Электроны, принадлежащие одному энергетическому уровню, находятся в среднем на одинаковом расстоянии от ядра. Энергетические уровни принято нумеровать целыми числами, начиная с ближайшего к ядру: $n=1, 2, 3, \ldots$. Это число $n$ называется главным квантовым числом. С увеличением главного квантового числа энергия электронов на уровне и их среднее расстояние от ядра возрастают. Каждый энергетический уровень, в свою очередь, состоит из одного или нескольких подуровней (s, p, d, f-подуровни). Максимальное количество электронов $N$, которое может занимать один энергетический уровень, рассчитывается по формуле $N = 2n^2$.
Ответ: Энергетический уровень (электронный слой) — это совокупность атомных состояний (орбиталей) с одинаковым значением главного квантового числа $n$.

2. Каков порядок заполнения электронных слоёв у атомов элементов № 1–20 в таблице Д.И. Менделеева?

Заполнение электронных слоёв (энергетических уровней) у атомов химических элементов подчиняется определённым правилам. Электроны последовательно занимают орбитали в порядке увеличения их энергии, от меньшей к большей (принцип наименьшей энергии, или правило Клечковского). Максимальное число электронов $N$, которое может находиться на одном электронном слое с главным квантовым числом $n$, вычисляется по формуле $N = 2n^2$.

1-й период (элементы № 1–2)
У атомов водорода (H) и гелия (He) заполняется первый электронный слой ($n=1$). Максимальная ёмкость этого слоя составляет $2 \cdot 1^2 = 2$ электрона. Он имеет только один подуровень — 1s. У гелия ($1s^2$) этот слой является полностью заполненным.

2-й период (элементы № 3–10)
У элементов от лития (Li) до неона (Ne) заполняется второй электронный слой ($n=2$). Его максимальная ёмкость — $2 \cdot 2^2 = 8$ электронов. Заполнение происходит последовательно: сначала 2s-подуровень (2 электрона), затем 2p-подуровень (6 электронов). У неона (электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^6$) второй слой становится завершённым.

3-й период (элементы № 11–18)
У элементов от натрия (Na) до аргона (Ar) начинается заполнение третьего электронного слоя ($n=3$). Теоретически он может вместить до $2 \cdot 3^2 = 18$ электронов. Однако у элементов до №20 включительно заполняются только 3s- и 3p-подуровни, что в сумме даёт 8 электронов на внешнем слое у аргона. Электронная конфигурация аргона: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$.

4-й период (элементы № 19–20)
У калия (K, №19) и кальция (Ca, №20) начинается заполнение четвёртого электронного слоя ($n=4$), несмотря на то, что третий слой ещё не завершён (3d-подуровень остаётся пустым). Это связано с тем, что энергия 4s-подуровня ниже, чем энергия 3d-подуровня. Поэтому электроны сначала занимают его.

• Электронная конфигурация калия (K): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$.
• Электронная конфигурация кальция (Ca): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$.

Ответ: Порядок заполнения электронных орбиталей для атомов элементов № 1–20 следующий: $1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p \rightarrow 3s \rightarrow 3p \rightarrow 4s$. Сначала последовательно и полностью заполняются первый (2 электрона) и второй (8 электронов) электронные слои. Затем заполняется третий слой до 8 электронов (заполняются 3s- и 3p-подуровни). После этого, из-за более низкой энергии 4s-подуровня по сравнению с 3d-подуровнем, начинается заполнение четвёртого электронного слоя, а не продолжается заполнение третьего.

3. Какие энергетические уровни атома называют завершёнными? Как рассчитать максимальное число электронов, которые может вместить n-ный энергетический уровень?

Какие энергетические уровни атома называют завершёнными?

Энергетический уровень (или электронная оболочка) атома называется завершённым (или заполненным), если он содержит максимально возможное число электронов, которое он теоретически может вместить. Атомы с завершённым внешним энергетическим уровнем обладают повышенной устойчивостью и, как следствие, низкой химической активностью (химической инертностью). Ярким примером являются благородные газы (гелий, неон, аргон и др.), у которых внешние электронные оболочки полностью заполнены.

Каждый энергетический уровень, который характеризуется главным квантовым числом $n$, состоит из одного или нескольких энергетических подуровней (обозначаемых буквами s, p, d, f и т.д.). Подуровни, в свою очередь, состоят из атомных орбиталей. Уровень считается завершённым только тогда, когда все его подуровни и все их орбитали полностью заполнены электронами. Согласно принципу запрета Паули, на каждой атомной орбитали может находиться не более двух электронов, причём их спины должны быть противоположны.

Ответ: Завершёнными называют энергетические уровни, содержащие максимальное число электронов, которое на них может разместиться в соответствии с законами квантовой механики.

Как рассчитать максимальное число электронов, которое может вместить n-ный энергетический уровень?

Максимальное число электронов $N_{max}$, которое может содержать $n$-ный энергетический уровень, определяется его главным квантовым числом $n$ (где $n$ = 1, 2, 3, ...). Это число можно рассчитать с помощью простой формулы, которая является следствием квантово-механической модели атома.

Согласно этой модели, общее число атомных орбиталей на $n$-ном уровне равно $n^2$. Так как каждая орбиталь может вместить максимум два электрона (принцип Паули), то максимальная ёмкость энергетического уровня вдвое больше числа орбиталей на нём.

Таким образом, формула для расчёта максимального числа электронов на $n$-ном уровне выглядит следующим образом:
$N_{max} = 2n^2$
где $N_{max}$ — максимальное число электронов, а $n$ — номер энергетического уровня (главное квантовое число).

Примеры расчёта для первых нескольких уровней:
- Для первого уровня (K-оболочка, $n=1$): $N_{max} = 2 \cdot 1^2 = 2$ электрона.
- Для второго уровня (L-оболочка, $n=2$): $N_{max} = 2 \cdot 2^2 = 8$ электронов.
- Для третьего уровня (M-оболочка, $n=3$): $N_{max} = 2 \cdot 3^2 = 18$ электронов.
- Для четвертого уровня (N-оболочка, $n=4$): $N_{max} = 2 \cdot 4^2 = 32$ электрона.

Ответ: Максимальное число электронов $N_{max}$ на $n$-ном энергетическом уровне рассчитывается по формуле $N_{max} = 2n^2$, где $n$ — главное квантовое число (номер уровня).

4. Объясните причину сходства свойств элементов VA-группы. Запишите формулы высших оксидов и летучих водородных соединений элементов этой группы.

Объясните причину сходства свойств элементов VA-группы.

Элементы VA-группы (или 15-й группы) периодической системы — это азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb) и висмут (Bi). Их химические свойства во многом схожи, и основной причиной этого является одинаковое строение внешнего электронного уровня их атомов.

Атомы всех элементов VA-группы содержат на внешнем энергетическом уровне 5 валентных электронов. Общая электронная формула их валентного слоя — $ns^2np^3$, где $n$ — номер периода.
Электронные конфигурации внешних уровней:
- Азот (N): $2s^22p^3$
- Фосфор (P): $3s^23p^3$
- Мышьяк (As): $4s^24p^3$
- Сурьма (Sb): $5s^25p^3$
- Висмут (Bi): $6s^26p^3$

Именно одинаковое количество валентных электронов и сходная структура внешнего электронного слоя определяют их общие черты в химическом поведении:
1. Способность проявлять характерные степени окисления. Наиболее типичными являются высшая степень окисления +5 (равная номеру группы) и низшая -3 (равная номеру группы минус восемь).
2. Образование соединений с одинаковым стехиометрическим составом, например, высших оксидов типа $Э_2O_5$ и летучих водородных соединений типа $ЭH_3$.
3. Сходство в кислотно-основных свойствах их соединений. Например, высшие оксиды этих элементов имеют кислотный характер, который, однако, закономерно ослабевает с ростом порядкового номера и усилением металлических свойств (от кислотного $N_2O_5$ до основного $Bi_2O_5$).

Ответ: Причиной сходства свойств элементов VA-группы является одинаковое строение их внешнего электронного уровня. Атомы всех этих элементов имеют по 5 валентных электронов (общая конфигурация $ns^2np^3$), что обуславливает их способность образовывать однотипные соединения и проявлять сходные степени окисления.

Запишите формулы высших оксидов и летучих водородных соединений элементов этой группы.

Высшие оксиды
В высших оксидах элементы VA-группы проявляют свою максимальную степень окисления, равную +5. Общая формула для этих оксидов — $Э_2O_5$, где Э — элемент группы.
- Оксид азота(V): $N_2O_5$
- Оксид фосфора(V): $P_2O_5$ (часто существует в виде димера $P_4O_{10}$)
- Оксид мышьяка(V): $As_2O_5$
- Оксид сурьмы(V): $Sb_2O_5$
- Оксид висмута(V): $Bi_2O_5$

Летучие водородные соединения
В летучих водородных соединениях элементы VA-группы, как правило, проявляют свою низшую степень окисления, равную -3. Общая формула этих соединений — $ЭH_3$.
- Аммиак: $NH_3$
- Фосфин: $PH_3$
- Арсин: $AsH_3$
- Стибин: $SbH_3$
- Висмутин: $BiH_3$

Ответ: Общая формула высших оксидов: $Э_2O_5$ (например, $N_2O_5$, $P_2O_5$). Общая формула летучих водородных соединений: $ЭH_3$ (например, $NH_3$, $PH_3$).

5. Укажите общее число электронов и число энергетических уровней в атомах элементов следующих групп:

а) щелочных металлов;

б) щелочноземельных металлов;

в) галогенов;

г) благородных газов.

Общее число электронов в нейтральном атоме химического элемента численно равно его порядковому (атомному) номеру в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Обозначим его как $Z$.
Число энергетических уровней, на которых располагаются электроны в атоме, равно номеру периода, в котором находится элемент. Обозначим его как $n$.
Поскольку каждый из указанных в задании типов элементов представляет собой группу элементов, расположенных в разных периодах, то и общее число электронов, и число энергетических уровней для них будут разными. Поэтому для каждой группы мы укажем общий принцип их определения.

а) щелочных металлов;

Щелочные металлы — это элементы 1-й группы (главной подгруппы), начиная со второго периода: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr).
Общее число электронов в их атомах равно их порядковым номерам: у лития ($Z=3$) — 3 электрона, у натрия ($Z=11$) — 11 электронов, у калия ($Z=19$) — 19 электронов и так далее.
Число энергетических уровней равно номеру периода: литий находится во 2-м периоде ($n=2$), поэтому у него 2 энергетических уровня. Натрий — в 3-м периоде ($n=3$), у него 3 уровня. Калий — в 4-м периоде ($n=4$), у него 4 уровня, и так далее до франция, который находится в 7-м периоде ($n=7$) и имеет 7 энергетических уровней.
Ответ: Общее число электронов в атоме щелочного металла равно его порядковому номеру $Z$, а число энергетических уровней равно номеру периода $n$, в котором он находится.

б) щелочноземельных металлов;

Щелочноземельные металлы — это элементы 2-й группы (главной подгруппы), начиная со второго периода: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra).
Общее число электронов в их атомах равно их порядковым номерам: у бериллия ($Z=4$) — 4 электрона, у магния ($Z=12$) — 12 электронов, у кальция ($Z=20$) — 20 электронов и так далее.
Число энергетических уровней равно номеру периода: бериллий находится во 2-м периоде ($n=2$) и имеет 2 уровня, магний — в 3-м периоде ($n=3$) и имеет 3 уровня, и так далее до радия, который находится в 7-м периоде ($n=7$) и имеет 7 энергетических уровней.
Ответ: Общее число электронов в атоме щелочноземельного металла равно его порядковому номеру $Z$, а число энергетических уровней равно номеру периода $n$, в котором он находится.

в) галогенов;

Галогены — это элементы 17-й группы (или VII группы главной подгруппы), начиная со второго периода: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), иод (I), астат (At).
Общее число электронов в их атомах равно их порядковым номерам: у фтора ($Z=9$) — 9 электронов, у хлора ($Z=17$) — 17 электронов, у брома ($Z=35$) — 35 электронов и так далее.
Число энергетических уровней равно номеру периода: фтор находится во 2-м периоде ($n=2$) и имеет 2 уровня, хлор — в 3-м периоде ($n=3$) и имеет 3 уровня, и так далее до астата, который находится в 6-м периоде ($n=6$) и имеет 6 энергетических уровней.
Ответ: Общее число электронов в атоме галогена равно его порядковому номеру $Z$, а число энергетических уровней равно номеру периода $n$, в котором он находится.

г) благородных газов.

Благородные (или инертные) газы — это элементы 18-й группы (или VIII группы главной подгруппы): гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn).
Общее число электронов в их атомах равно их порядковым номерам: у гелия ($Z=2$) — 2 электрона, у неона ($Z=10$) — 10 электронов, у аргона ($Z=18$) — 18 электронов и так далее.
Число энергетических уровней равно номеру периода: гелий находится в 1-м периоде ($n=1$) и имеет 1 энергетический уровень. Неон — во 2-м периоде ($n=2$) и имеет 2 уровня, аргон — в 3-м периоде ($n=3$) и имеет 3 уровня, и так далее до радона, который находится в 6-м периоде ($n=6$) и имеет 6 энергетических уровней.
Ответ: Общее число электронов в атоме благородного газа равно его порядковому номеру $Z$, а число энергетических уровней равно номеру периода $n$, в котором он находится.

6. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням в атомах следующих элементов:

а) магний;

б) кальций;

в) алюминий;

г) фосфор;

д) хлор.

а) магний

Магний (Mg) — это химический элемент 3-го периода, IIA группы, с порядковым номером 12. В ядре атома магния содержится 12 протонов, а вокруг ядра движутся 12 электронов. Эти электроны распределены по трем энергетическим уровням.

Распределение электронов по уровням следующее: на первом уровне — 2 электрона, на втором — 8 электронов, и на третьем (внешнем) уровне — 2 электрона. Полная электронная конфигурация атома магния записывается как $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$.

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме магния: 2, 8, 2. Электронная формула: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$.

б) кальций

Кальций (Ca) — это химический элемент 4-го периода, IIA группы, с порядковым номером 20. Атом кальция содержит 20 протонов в ядре и 20 электронов, которые располагаются на четырех энергетических уровнях.

Распределение электронов по уровням следующее: на первом уровне — 2 электрона, на втором — 8 электронов, на третьем — 8 электронов, и на четвертом (внешнем) уровне — 2 электрона. Полная электронная конфигурация атома кальция записывается как $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$.

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме кальция: 2, 8, 8, 2. Электронная формула: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$.

в) алюминий

Алюминий (Al) — это химический элемент 3-го периода, IIIA группы, с порядковым номером 13. Атом алюминия имеет 13 протонов в ядре и 13 электронов, которые распределены по трем энергетическим уровням.

Распределение электронов по уровням следующее: на первом уровне — 2 электрона, на втором — 8 электронов, и на третьем (внешнем) уровне — 3 электрона. Полная электронная конфигурация атома алюминия записывается как $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$.

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме алюминия: 2, 8, 3. Электронная формула: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$.

г) фосфор

Фосфор (P) — это химический элемент 3-го периода, VA группы, с порядковым номером 15. Атом фосфора содержит 15 протонов в ядре и 15 электронов на трех энергетических уровнях.

Распределение электронов по уровням следующее: на первом уровне — 2 электрона, на втором — 8 электронов, и на третьем (внешнем) уровне — 5 электронов. Полная электронная конфигурация атома фосфора записывается как $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$.

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме фосфора: 2, 8, 5. Электронная формула: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$.

д) хлор

Хлор (Cl) — это химический элемент 3-го периода, VIIA группы, с порядковым номером 17. Атом хлора имеет 17 протонов в ядре и 17 электронов, расположенных на трех энергетических уровнях.

Распределение электронов по уровням следующее: на первом уровне — 2 электрона, на втором — 8 электронов, и на третьем (внешнем) уровне — 7 электронов. Полная электронная конфигурация атома хлора записывается как $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$.

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме хлора: 2, 8, 7. Электронная формула: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$.

7. Назовите химические элементы, расположение электронов по энергетическим уровням которых соответствует ряду чисел:

а) $2, 1$;

б) $2, 8, 1$;

в) $2, 8, 7$;

г) $2, 8, 8, 2$.

Решение

Чтобы определить химический элемент по его электронному строению (расположению электронов по энергетическим уровням), необходимо найти общее число электронов в атоме. Для этого нужно сложить числа в предложенном ряду. Общее число электронов в нейтральном атоме равно его порядковому (атомному) номеру в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. По порядковому номеру мы можем однозначно определить элемент.

а) Электронная конфигурация 2, 1.
Суммарное число электронов в атоме: $2 + 1 = 3$.
Порядковый номер элемента равен 3.
Химический элемент с порядковым номером 3 – это Литий (Li). Он расположен во 2-м периоде (2 энергетических уровня) и I группе (1 электрон на внешнем уровне).
Ответ: Литий (Li).

б) Электронная конфигурация 2, 8, 1.
Суммарное число электронов в атоме: $2 + 8 + 1 = 11$.
Порядковый номер элемента равен 11.
Химический элемент с порядковым номером 11 – это Натрий (Na). Он расположен в 3-м периоде (3 энергетических уровня) и I группе (1 электрон на внешнем уровне).
Ответ: Натрий (Na).

в) Электронная конфигурация 2, 8, 7.
Суммарное число электронов в атоме: $2 + 8 + 7 = 17$.
Порядковый номер элемента равен 17.
Химический элемент с порядковым номером 17 – это Хлор (Cl). Он расположен в 3-м периоде (3 энергетических уровня) и VII группе (7 электронов на внешнем уровне).
Ответ: Хлор (Cl).

г) Электронная конфигурация 2, 8, 8, 2.
Суммарное число электронов в атоме: $2 + 8 + 8 + 2 = 20$.
Порядковый номер элемента равен 20.
Химический элемент с порядковым номером 20 – это Кальций (Ca). Он расположен в 4-м периоде (4 энергетических уровня) и II группе (2 электрона на внешнем уровне).
Ответ: Кальций (Ca).

8. Какие из наборов чисел и почему не могут соответствовать распределению электронов по энергетическим уровням атома химического элемента:

а) 2, 7, 1;

б) 2, 3;

в) 1, 8, 1;

г) 3, 2;

д) 2, 9;

е) 2, 7;

ж) 2, 8, 8?

Для определения возможности существования указанных электронных конфигураций атомов необходимо руководствоваться следующими правилами:

1. Максимальное число электронов $N$ на энергетическом уровне с номером $n$ определяется формулой $N = 2n^2$.
   • Для первого уровня ($n=1$): $N = 2 \cdot 1^2 = 2$ электрона.
   • Для второго уровня ($n=2$): $N = 2 \cdot 2^2 = 8$ электронов.
   • Для третьего уровня ($n=3$): $N = 2 \cdot 3^2 = 18$ электронов.
2. Принцип наименьшей энергии (принцип Ауфбау): электроны в атоме в основном (невозбужденном) состоянии занимают энергетические уровни последовательно, начиная с самого низкого по энергии. То есть, следующий уровень начинает заполняться только после полного заполнения предыдущего.
3. Число электронов на внешнем (последнем) энергетическом уровне не может превышать 8.

Проанализируем каждый набор чисел:

а) 2, 7, 1
Данный набор чисел не может соответствовать распределению электронов в основном состоянии. Второй энергетический уровень (n=2) не завершен (содержит 7 из 8 возможных электронов), но уже начинается заполнение третьего уровня (n=3). Это нарушает принцип последовательного заполнения энергетических уровней. Сначала должен полностью заполниться второй уровень, и только потом электроны могут занимать третий уровень.
Ответ: не может соответствовать.

б) 2, 3
Данный набор чисел может соответствовать распределению электронов. Это электронная конфигурация атома бора (B). Первый уровень (n=1) полностью заполнен (2 электрона), на втором уровне (n=2) находится 3 электрона, что не превышает его максимальную ёмкость (8 электронов).
Ответ: может соответствовать.

в) 1, 8, 1
Данный набор чисел не может соответствовать распределению электронов в основном состоянии. Первый энергетический уровень (n=1), который вмещает максимум 2 электрона, не заполнен, в то время как на более высоких уровнях (втором и третьем) уже есть электроны. Это является грубым нарушением принципа наименьшей энергии.
Ответ: не может соответствовать.

г) 3, 2
Данный набор чисел не может соответствовать распределению электронов. На первом энергетическом уровне (n=1) находится 3 электрона. Максимально возможное число электронов на первом уровне равно 2 ($N = 2 \cdot 1^2 = 2$). Превышение этого числа невозможно.
Ответ: не может соответствовать.

д) 2, 9
Данный набор чисел не может соответствовать распределению электронов. На втором энергетическом уровне (n=2) находится 9 электронов. Максимально возможное число электронов на втором уровне равно 8 ($N = 2 \cdot 2^2 = 8$). Наличие 9 электронов на этом уровне невозможно.
Ответ: не может соответствовать.

е) 2, 7
Данный набор чисел может соответствовать распределению электронов. Это электронная конфигурация атома фтора (F). Первый уровень (n=1) полностью заполнен (2 электрона), на втором, внешнем, уровне находится 7 электронов, что не превышает его максимальную ёмкость (8 электронов).
Ответ: может соответствовать.

ж) 2, 8, 8
Данный набор чисел может соответствовать распределению электронов. Это электронная конфигурация атома аргона (Ar). Первый и второй уровни полностью заполнены. На третьем уровне находится 8 электронов, что является устойчивой завершенной конфигурацией для элементов третьего периода. Максимальная ёмкость третьего уровня — 18, поэтому 8 электронов на нем возможно.
Ответ: может соответствовать.

9. Замените Х соответствующим символом или цифрой:

а) $_\text{10}\text{X}$, 2, 8;

б) $_\text{X}\text{P}$ 2, X, 5;

в) $_\text{2}\text{He}$ X;

г) $_\text{X}\text{X}$, X, 2.

Для решения данной задачи необходимо использовать знания о строении атома, порядковом номере элемента, массовом числе и электронной конфигурации. Порядковый номер (нижний индекс, $Z$) равен числу протонов в ядре и числу электронов в нейтральном атоме. Массовое число (верхний индекс, $A$) равно сумме протонов и нейтронов в ядре. Электронная конфигурация показывает распределение электронов по электронным оболочкам.

а) В записи $_{10}X \text{ 2, 8}$ нижний индекс 10 указывает на порядковый номер элемента. Элемент с порядковым номером $Z=10$ в периодической системе Д.И. Менделеева – это неон (Ne). Электронная конфигурация 2, 8 означает, что у атома $2+8=10$ электронов, что соответствует нейтральному атому неона. Следовательно, Х – это символ элемента неона.

Ответ: $X = \text{Ne}$.

б) В записи $_XP \text{ 2, X, 5}$ дан химический символ элемента – P (фосфор). Порядковый номер фосфора в периодической системе $Z=15$. Следовательно, первый Х (нижний индекс) равен 15. В нейтральном атоме фосфора 15 электронов. Электронная конфигурация показывает распределение этих электронов по оболочкам: 2, X, 5. Сумма электронов должна быть равна 15:

$2 + X + 5 = 15$

$X + 7 = 15$

$X = 15 - 7 = 8$

Таким образом, второй Х равен 8. Электронная конфигурация фосфора: 2, 8, 5.

Ответ: первый $X = 15$, второй $X = 8$.

в) В записи $_2^XHe \text{ X}$ дан химический символ элемента He (гелий) и его порядковый номер $Z=2$. Первый Х (верхний индекс) – это массовое число. Самым распространенным изотопом гелия является гелий-4, у которого массовое число $A=4$ (2 протона и 2 нейтрона). Второй Х – это электронная конфигурация. Нейтральный атом гелия имеет 2 электрона, которые находятся на первой электронной оболочке. Таким образом, его электронная конфигурация – 2.

Ответ: первый $X = 4$, второй $X = 2$.

г) В записи $_X^XX \text{ 2}$ дана электронная конфигурация – 2. Это означает, что в нейтральном атоме содержится 2 электрона. Число электронов в нейтральном атоме равно его порядковому номеру, следовательно, $Z=2$. Таким образом, нижний индекс Х равен 2. Элемент с порядковым номером 2 – это гелий (He). Значит, символ элемента Х – это He. Верхний индекс Х – это массовое число. Для наиболее распространенного изотопа гелия массовое число равно 4. Несмотря на то, что в записи все неизвестные обозначены одной буквой Х, они представляют разные характеристики атома.

Ответ: нижний индекс $X=2$, верхний индекс $X=4$, символ элемента $X=\text{He}$.

10. Атом гелия содержит на внешнем энергетическом уровне два электрона, подобно атомам бериллия и магния. Почему гелий помещён в Периодической системе Д. И. Менделеева в VIIIA-группу, а не в IIA-группу?

Решение

Вопрос о положении гелия в Периодической системе является классическим примером, демонстрирующим, что химические свойства элемента и, следовательно, его место в таблице определяются не просто количеством валентных электронов, а завершенностью внешней электронной оболочки.

Да, у атома гелия (He) на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона. Его электронная конфигурация — $1s^2$. У атомов бериллия (Be) и магния (Mg) также по два электрона на внешнем уровне, их конфигурации — $[He]2s^2$ и $[Ne]3s^2$ соответственно.

Ключевое различие заключается в том, что у гелия внешний электронный слой — это первый энергетический уровень ($n=1$). Этот уровень может вместить максимум два электрона, поэтому у гелия он является полностью завершенным. Завершенная электронная оболочка придает атому максимальную устойчивость и химическую инертность. По этому фундаментальному свойству — химической инертности — гелий абсолютно аналогичен другим элементам VIIIA-группы (благородным или инертным газам), таким как неон ($Ne$) и аргон ($Ar$), у которых также завершенные внешние электронные уровни (содержащие по 8 электронов).

В отличие от гелия, у элементов IIA-группы, таких как бериллий и магний, два внешних электрона находятся на незавершенных энергетических уровнях. Например, второй уровень у бериллия ($n=2$) может вместить 8 электронов, а у него всего 2. Третий уровень у магния ($n=3$) также далек от заполнения. Из-за этого атомы щелочноземельных металлов легко отдают свои два валентных электрона, проявляя высокую химическую активность и типичные металлические свойства.

Таким образом, гелий помещен в VIIIA-группу, потому что его химические свойства (чрезвычайная инертность, высокая энергия ионизации, одноатомный газ) определяются его завершенной внешней электронной оболочкой, что роднит его с благородными газами, а не с химически активными металлами IIA-группы.

Ответ: Гелий помещен в VIIIA-группу, а не в IIA-группу, потому что его внешний электронный слой является полностью завершенным ($1s^2$). Это обуславливает его химическую инертность, что является характерным свойством всех элементов VIIIA-группы (благородных газов). Элементы IIA-группы, хотя и имеют два валентных электрона, обладают незавершенным внешним слоем, что делает их химически активными металлами.

11. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням атома железа, зная, что третий энергетический уровень его не завершён, а на внешнем уровне содержится 2 электрона.

Для того чтобы записать распределение электронов по энергетическим уровням для атома железа, необходимо выполнить следующие шаги:

1. Определение общего числа электронов. Железо (Fe) находится в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева под порядковым номером 26. Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре и, для нейтрального атома, общему числу электронов. Следовательно, в атоме железа содержится 26 электронов.

2. Анализ условий задачи. В условии сказано, что на внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Железо является элементом 4-го периода, поэтому его внешний уровень — четвертый (n=4). Таким образом, на четвертом энергетическом уровне находится 2 электрона. Также указано, что третий энергетический уровень (n=3) не завершён. Максимальная электронная ёмкость третьего уровня определяется по формуле $2n^2$, где $n=3$, и составляет $2 \cdot 3^2 = 18$ электронов. Это означает, что на третьем уровне будет меньше 18 электронов.

3. Распределение электронов по уровням. Электроны заполняют уровни последовательно, начиная с ближайшего к ядру:

• Первый энергетический уровень (n=1): он полностью заполняется и вмещает 2 электрона.
• Второй энергетический уровень (n=2): он также полностью заполняется и вмещает 8 электронов.
• Четвертый (внешний) энергетический уровень (n=4): по условию на нем находится 2 электрона.
• Третий энергетический уровень (n=3): на этом уровне будут находиться все оставшиеся электроны. Чтобы найти их количество, нужно из общего числа электронов вычесть те, что уже распределены по другим уровням: $26 - (2 + 8 + 2) = 26 - 12 = 14$ электронов.

Проверим условие: на третьем уровне 14 электронов, что меньше его максимальной ёмкости (18). Следовательно, условие о незавершённости третьего уровня выполняется.

Таким образом, распределение 26 электронов атома железа по энергетическим уровням выглядит следующим образом: 2 электрона на первом уровне, 8 на втором, 14 на третьем и 2 на четвертом.

Электронная конфигурация атома железа записывается как: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6 4s^2$.

• 1-й уровень: $1s^2$ (2 электрона)
• 2-й уровень: $2s^2 2p^6$ (2+6=8 электронов)
• 3-й уровень: $3s^2 3p^6 3d^6$ (2+6+6=14 электронов)
• 4-й уровень: $4s^2$ (2 электрона)

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням атома железа: 2, 8, 14, 2.

12. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням иона, в который превращается атом кислорода, принявший два электрона.

Решение

1. Для решения задачи сначала определим количество электронов у нейтрального атома кислорода (O). Кислород находится в периодической системе под номером 8. Это означает, что заряд ядра атома кислорода равен +8, а число электронов в нейтральном атоме также равно 8.

2. Электронная конфигурация нейтрального атома кислорода, то есть распределение его 8 электронов по орбиталям, записывается как: $O: 1s^22s^22p^4$.

3. Согласно условию, атом кислорода принимает два электрона ($2e^-$). В результате этого процесса он превращается в отрицательно заряженный ион (анион) с зарядом 2-, который обозначается как $O^{2-}$.

4. Общее число электронов у образовавшегося иона $O^{2-}$ будет равно сумме электронов нейтрального атома и числа принятых электронов: $8 + 2 = 10$ электронов.

5. Теперь распределим эти 10 электронов по энергетическим уровням и подуровням в соответствии с принципом наименьшей энергии:

• На первый энергетический уровень (главное квантовое число n=1) помещаются 2 электрона, полностью заполняя 1s-подуровень: $1s^2$.
• На второй энергетический уровень (n=2) помещаются оставшиеся $10 - 2 = 8$ электронов. Они полностью заполняют 2s-подуровень (2 электрона) и 2p-подуровень (6 электронов): $2s^22p^6$.

Таким образом, полная электронная формула иона кислорода $O^{2-}$ имеет вид $1s^22s^22p^6$. Распределение электронов по энергетическим слоям: 2, 8. Данная конфигурация является завершенной и соответствует электронной конфигурации благородного газа неона (Ne).

Ответ: Распределение электронов по энергетическим уровням иона, в который превращается атом кислорода, принявший два электрона (ион $O^{2-}$), имеет вид: $1s^22s^22p^6$.

13. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням иона, в который превращается атом кальция, отдавший два электрона.

Решение

1. Для определения распределения электронов сначала необходимо найти кальций ($Ca$) в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Кальций расположен в 4-м периоде, II группе, главной подгруппе. Его порядковый номер — 20.

2. Порядковый номер элемента соответствует количеству протонов в ядре и, для нейтрального атома, количеству электронов. Таким образом, атом кальция содержит 20 электронов.

3. Электроны в атоме кальция распределены по четырем энергетическим уровням, так как он находится в 4-м периоде. Электронная конфигурация нейтрального атома кальция ($_{20}Ca$) записывается как $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$. Распределение по уровням следующее: на первом уровне 2 электрона, на втором — 8, на третьем — 8, и на четвертом (внешнем) — 2 электрона. Схематично это можно записать как 2, 8, 8, 2.

4. В условии задачи сказано, что атом кальция отдает два электрона. Атомы металлов отдают электроны с внешнего энергетического уровня. Атом кальция отдает два электрона со своего четвертого уровня, превращаясь в положительно заряженный ион (катион) $Ca^{2+}$.

5. После потери двух электронов у иона кальция остается $20 - 2 = 18$ электронов.

6. Эти 18 электронов распределяются по трем оставшимся энергетическим уровням. Электронная конфигурация иона $Ca^{2+}$ становится $1s^22s^22p^63s^23p^6$. Внешний, четвертый, уровень перестает существовать, а третьий уровень, который содержит 8 электронов, становится внешним завершенным уровнем.

Таким образом, распределение электронов по энергетическим уровням для иона кальция $Ca^{2+}$ будет следующим:
Первый уровень: 2 электрона.
Второй уровень: 8 электронов.
Третий уровень: 8 электронов.

Ответ: 2, 8, 8.

14. Предложите вариант графического отображения памятки о порядке заполнения электронных слоёв у атомов элементов № 1–20 в таблице Д. И. Менделеева.

В качестве графической памятки о порядке заполнения электронных слоёв у атомов первых 20 химических элементов можно предложить таблицу, построенную по принципу Периодической системы Д. И. Менделеева. Такой формат нагляден, интуитивно понятен и помогает установить связь между положением элемента в таблице и строением его атома.

Перед демонстрацией самой таблицы, полезно сформулировать ключевые правила, которыми следует руководствоваться:

1. Количество электронных слоёв в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
2. Максимальное количество электронов ($N$) на электронном слое с главным квантовым числом $n$ вычисляется по формуле $N = 2n^2$. Таким образом, на первом слое ($n=1$) может быть не более 2 электронов, на втором ($n=2$) — не более 8, на третьем ($n=3$) — не более 18.
3. Для элементов с № 1 по № 20 внешний (последний) электронный слой не может содержать более 8 электронов (правило октета), за исключением первого слоя, который вмещает максимум 2 электрона.
4. Число электронов на внешнем слое для элементов главных подгрупп (A-групп) равно номеру группы.
5. Заполнение слоёв происходит последовательно. Особенностью для элементов 4-го периода (калий и кальций) является то, что после заполнения третьего слоя до 8 электронов, следующие электроны начинают заполнять четвертый слой, а не продолжают заполнять третий до 18.

Графическая памятка «Строение электронных оболочек элементов № 1–20»

Данная таблица-памятка позволяет быстро определить строение атома для любого из первых 20 элементов, а также проследить закономерности в заполнении электронных слоёв при переходе от одного элемента к другому.

Ответ: Предложен вариант графического отображения в виде таблицы, стилизованной под фрагмент Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Для каждого из первых 20 элементов в ячейке таблицы указаны его порядковый номер, химический символ и схема распределения электронов по энергетическим уровням (слоям). Памятка также дополнена списком основных правил заполнения электронных слоёв, актуальных для данных элементов.