Условие задачи
Укажите общее число электронов и число энергетических уровней в атомах элементов следующих групп: а) щелочных металлов; в) галогенов; б) щёлочно-земельных металлов; г) благородных газов.
Решение
Ниже приведём подробное решение задачи, используя понятия атомной структуры, электронных оболочек и основные правила построения электронной конфигурации в химии. Задача говорит о том, что для атомов элементов каждой из указанных групп необходимо определить общее число электронов (то есть атомный номер, Z) и число энергетических уровней (главных энергетических оболочек, обозначаемых числом n).
Важно помнить, что:
• Общее число электронов в нейтральном атоме совпадает с его атомным номером Z.
• Число энергетических уровней равно номеру периода, в котором находится данный элемент.
• Электронная конфигурация определяется правилом заполнения орбиталей (правило Паули, правило Хунда и принцип «сначала меньше энергии») и для каждого семейства характерна своя valence‑конфигурация.
Ниже посмотрим на каждую группу по отдельности.
─────────────────────────────
1. Щёлочные металлы
─────────────────────────────
Элементы этой группы (группа 1 периодической системы; за исключением водорода) имеют общую внешнюю (валентную) конфигурацию вида:
[noble gas] n s¹
где n – номер последнего (самого внешнего) энергетического уровня, равный числу оболочек.
Примеры:
• Литий (Li):
– Z = 3 (общее число электронов = 3)
– Li находится во втором периоде → 2 энергетических уровня
• Натрий (Na):
– Z = 11
– Na – третий период → 3 уровня
• Калий (K):
– Z = 19
– Калий – четвёртый период → 4 уровня
и т.д.
Таким образом, для щёлочных металлов общее число электронов у элементов равно 3 (для Li), 11 (Na), 19 (K), 37 (Rb), 55 (Cs) и 87 (Fr), а число энергетических уровней равно, соответственно, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.
─────────────────────────────
2. Щёлочно-земельные металлы
─────────────────────────────
Элементы этой группы (группа 2) имеют внешнюю конфигурацию:
[noble gas] n s²
Примеры:
• Бериллий (Be):
– Z = 4
– Be находится во втором периоде → 2 энергетических уровня
• Магний (Mg):
– Z = 12
– Mg – третий период → 3 уровня
• Кальций (Ca):
– Z = 20
– Ca – четвёртый период → 4 уровня
• Стронций (Sr):
– Z = 38
– Sr – пятый период → 5 уровней
• Барий (Ba):
– Z = 56
– Ba – шестой период → 6 уровней
• Радий (Ra):
– Z = 88
– Ra – седьмой период → 7 уровней
Таким образом, для щёлочно-земельных металлов общее число электронов 4, 12, 20, 38, 56 и 88, а число энергетических уровней – 2, 3, 4, 5, 6 и 7 соответственно.
─────────────────────────────
3. Галогены
─────────────────────────────
Галогены – это элементы группы 17. Их типичная валентная конфигурация имеет вид:
[noble gas] n s² n p⁵
Примеры:
• Фтор (F):
– Z = 9
– F находится во втором периоде → 2 энергетических уровня
• Хлор (Cl):
– Z = 17
– Cl – третий период → 3 уровня
• Бром (Br):
– Z = 35
– Br – четвёртый период → 4 уровня
• Иод (I):
– Z = 53
– I – пятый период → 5 уровней
• Астат (At):
– Z = 85
– At – шестой период → 6 уровней
(В современной периодической системе также может учитываться теннессин (Ts) с Z = 117, находящийся в седьмом периоде, но он менее стабилен.)
Таким образом, для галогенов количество электронов равно 9, 17, 35, 53, 85 (и 117 для теннессина), а число энергетических уровней – 2, 3, 4, 5, 6 (и 7).
─────────────────────────────
4. Благородные газы
─────────────────────────────
Благородные газы – это элементы группы 18. Их внешняя оболочка полностью заполнена. Для всех, кроме гелия, конфигурация выглядит как:
[noble gas] n s² n p⁶
(Гелий имеет конфигурацию 1 s², то есть одну энергетическую оболочку.)
Примеры:
• Гелий (He):
– Z = 2
– Только 1 энергетический уровень (1s)
• Неон (Ne):
– Z = 10
– Неон – второй период → 2 энергетических уровня
• Аргон (Ar):
– Z = 18
– Аргон – третий период → 3 уровня
• Криптон (Kr):
– Z = 36
– Криптон – четвёртый период → 4 уровня
• Ксенон (Xe):
– Z = 54
– Ксенон – пятый период → 5 уровней
• Радон (Rn):
– Z = 86
– Радон – шестой период → 6 уровней
Таким образом, для благородных газов (если не считать гелий отдельно) общее число электронов равно 10, 18, 36, 54, 86 (а для гелия – 2), а число энергетических уровней соответствует периоду: 2 для неона, 3 для аргона, 4 для криптона, 5 для ксенона, 6 для радона; для гелия – 1 уровень.
─────────────────────────────
Ответ в краткой форме
─────────────────────────────
Можно записать следующие результаты:
А) Щёлочные металлы:
– Электроны (Z): 3 (Li), 11 (Na), 19 (K), 37 (Rb), 55 (Cs), 87 (Fr)
– Число энергетических уровней: 2, 3, 4, 5, 6, 7 соответственно
Б) Щёлочно-земельные металлы:
– Z: 4 (Be), 12 (Mg), 20 (Ca), 38 (Sr), 56 (Ba), 88 (Ra)
– Уровни: 2, 3, 4, 5, 6, 7 соответственно
В) Галогены:
– Z: 9 (F), 17 (Cl), 35 (Br), 53 (I), 85 (At) (и 117 для теннессина, если учитывать)
– Уровни: 2, 3, 4, 5, 6 (и 7)
Г) Благородные газы:
– Z: 2 (He – 1 уровень), 10 (Ne – 2 уровня), 18 (Ar – 3 уровня), 36 (Kr – 4 уровня), 54 (Xe – 5 уровней), 86 (Rn – 6 уровней)
Таким образом, ответ основывается на периодичности элементов: атомный номер (общее число электронов) и номер периода (число энергетических уровней) для каждого представителя соответствующей группы.
Любой ответ, в котором указаны именно эти закономерности, будет правильным.