Периодический закон и строение атома (продолжение, электронные конфигурации) — тренажёр для 9 класса

Раздел 1 — Определение

Электронная конфигурация атома — это запись распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням, показывающая строение электронной оболочки конкретного химического элемента. Запись вида 1s²2s²2p⁶ читается так: цифра — номер уровня, буква — подуровень, верхний индекс — число электронов.

Строение электронной оболочки объясняет то, что Д. И. Менделеев установил опытным путём: свойства элементов повторяются периодически. Причина повторяемости — периодическое повторение строения внешнего электронного слоя при росте заряда ядра.

Место темы в курсе 9 класса — переход от формулировки периодического закона к его физическому обоснованию. Зная конфигурацию, ученик предсказывает валентность, характер оксида и активность элемента, не заглядывая в справочник.

Раздел 2 — Ключевые правила

Электроны заполняют подуровни в порядке возрастания их энергии, а не в порядке возрастания номера уровня — отсюда все «странности» вроде 4s перед 3d.

1. Ёмкость подуровней постоянна: s — 2 электрона, p — 6, d — 10, f — 14. На третьем уровне помещается 2 + 6 + 10 = 18 электронов.
2. Правило Клечковского: подуровни заполняются в порядке роста суммы (n + l); при равной сумме первым заполняется подуровень с меньшим n. Для 4s сумма равна 4 + 0 = 4, для 3d — 3 + 2 = 5, поэтому 4s заполняется раньше.
3. Число электронов равно порядковому номеру элемента (для нейтрального атома). У серы (№ 16) в записи должно оказаться ровно 16 электронов.
4. Номер периода = число заполняемых уровней, номер А-группы = число валентных электронов. Хлор: 3-й период, VIIA группа → 3 уровня, 7 электронов на внешнем слое.
5. Блок элемента определяется последним заполняемым подуровнем: s-блок — IA и IIA группы, p-блок — IIIA–VIIIA, d-блок — побочные подгруппы (переходные металлы).

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Кальций, № 20. Запись: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². После 3p⁶ (18 электронов) по правилу Клечковского идёт 4s, а не 3d. Два внешних 4s-электрона легко отрываются → кальций активный металл, степень окисления +2. Вывод: последний заполняемый подуровень — s, элемент относится к s-блоку.

Пример 2. Железо, № 26. Запись: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Заполняется внутренний 3d-подуровень при уже готовом внешнем 4s². Внешних электронов два, но в реакциях участвуют и d-электроны, поэтому железо даёт степени окисления +2 и +3. Вывод: d-элементы имеют переменную валентность.

Пример 3. Хром, № 24 — исключение. Ожидается 3d⁴4s², реально 3d⁵4s¹. Один 4s-электрон «проваливается» на 3d, потому что наполовину заполненный d-подуровень (5 электронов) энергетически устойчивее. Аналогично ведёт себя медь: 3d¹⁰4s¹ вместо 3d⁹4s². Вывод: устойчивы конфигурации d⁵ и d¹⁰.

Пример 4. Сравнение фосфора (№ 15) и хлора (№ 17). Фосфор — 3s²3p³, хлор — 3s²3p⁵. Уровень один и тот же, но заряд ядра у хлора больше, поэтому радиус меньше, а притяжение внешних электронов сильнее. Вывод: слева направо в периоде неметаллические свойства усиливаются.

Пример 5. Прогноз для селена (№ 34). Конфигурация ...3d¹⁰4s²4p⁴: 6 валентных электронов, 4-й период, VIA группа, p-блок. Ниже серы → менее выражен неметалл. Предсказание: высший оксид SeO₃, летучее водородное соединение H₂Se, кислота H₂SeO₄.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Заполнение 3d раньше 4s. Ошибка возникает из привычки идти строго по номерам уровней. Неправильно: калий 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹. Правильно: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ — сумма (n + l) у 4s меньше.

Превышение ёмкости подуровня. Ученик пишет 2p⁸ или 3s⁴, механически досыпая электроны. Правильно: избыток переносится на следующий подуровень — 2p⁶3s².

Потеря электронов при подсчёте. Сумма индексов не совпадает с номером элемента. Неправильно для серы: 1s²2s²2p⁶3s²3p³ (15 электронов). Правильно: 3p⁴, всего 16.

Отнесение всех металлов к d-блоку. Причина — смешение понятий «металл» и «переходный элемент». Магний — металл, но конфигурация 3s² делает его s-элементом.

Механическое применение правила Клечковского к хрому и меди. Правило описывает общий порядок, а устойчивость d⁵ и d¹⁰ его перекрывает. Эти два случая заучиваются отдельно.

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Определите порядковый номер элемента — он равен числу протонов и числу электронов.
2. Выпишите номер периода (число уровней) и номер группы (для А-групп — число валентных электронов).
3. Запишите последовательность подуровней: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p.
4. Распределяйте электроны по подуровням, соблюдая ёмкости 2–6–10, пока не израсходуете все.
5. Проверьте, не является ли элемент хромом, медью или их аналогом — при необходимости переведите один s-электрон на d-подуровень.
6. Назовите последний заполняемый подуровень и определите блок (s, p или d).
7. Сформулируйте свойства: число валентных электронов → степень окисления → характер высшего оксида и гидроксида.
8. Проверьте результат: сумма верхних индексов равна порядковому номеру, число уровней равно номеру периода.

Раздел 7 — Как запомнить

Порядок заполнения удобно проговаривать вслух ритмической строкой: «1s — 2s2p — 3s3p — 4s3d4p — 5s4d5p». Каждый новый уровень добавляет один тип подуровня.

Правило «двойки»: d-подуровень отстаёт от номера периода на единицу (4-й период → 3d), f-подуровень — на две (6-й период → 4f).

Опора для блоков — форма таблицы: слева два столбца s, справа шесть столбцов p, в середине десять столбцов d. Ширина блока равна ёмкости подуровня.

Для исключений действует короткая формула: «половина и полнота» — d⁵ и d¹⁰ забирают электрон у соседнего s-подуровня.