Основний і збуджений стан атома
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + хімія.
Розрізняй основний і збуджений стани атома за електронними схемами неметалів малих періодів. Визначай можливі валентності Карбону, Нітрогену, Оксигену, Флуору, Фосфору, Сульфуру й Хлору за числом неспарених електронів у шкільній орбітальній моделі.
Кожен атом у звичайному стані перебуває на найнижчому енергетичному рівні, який називають основним станом. Це означає, що всі електрони займають орбіталі з найменшою можливою енергією відповідно до принципу мінімальної енергії. Якщо атом отримує додаткову енергію ззовні (наприклад, під час нагрівання, опромінення або електричного розряду), один або кілька електронів можуть перейти на орбіталі з вищою енергією. Такий стан називають збудженим.
Важливо запам'ятати: під час збудження заряд ядра (Z) і загальна кількість електронів в атомі не змінюються. Змінюється лише розподіл електронів за енергетичними рівнями й підрівнями. Це принципово відрізняє збудження від йонізації, коли електрон повністю втрачається і атом перетворюється на позитивно заряджений йон.
Електронний перехід
Перехід електрона з нижчої орбіталі на вищу називають електронним переходом. Він може відбуватися як у межах одного енергетичного рівня (наприклад, із 2s- на 2p-підрівень), так і між різними рівнями (наприклад, із 2p на 3s). Класичний шкільний приклад — перехід 2s → 2p у атома Карбону, але це лише один окремий випадок, а не загальне визначення збудження.
Повернення атома зі збудженого стану в основний може супроводжуватися випромінюванням кванта світла (фотона). Саме на цьому явищі ґрунтується атомна спектроскопія: кожен елемент випромінює світло з певною довжиною хвилі, що дає змогу ідентифікувати його.
Збудження і йонізація: порівняння
Ознака | Збудження | Йонізація |
|---|---|---|
Що відбувається з електроном | Переходить на вищу орбіталь, але залишається в атомі | Повністю відривається від атома |
Зміна заряду атома | Атом залишається нейтральним | Атом перетворюється на позитивний йон |
Загальна кількість електронів | Не змінюється | Зменшується на 1 або більше |
Потрібна енергія | Менша (енергія збудження) | Більша (енергія йонізації) |
У шкільній програмі НМТ важливо вміти розрізняти основні та збуджені стани атомів неметалічних елементів малих періодів. Для цього завжди перевіряють: чи збігається сума електронів у запису з порядковим номером елемента, чи не з'явилися заборонені підрівні (наприклад, 2d), і чи дотримано правило Гунда для неспарених електронів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Атом Карбону (C, порядковий номер 6) в основному стані має електронну конфігурацію 1s²2s²2p². На 2p-підрівні є два електрони, які згідно з правилом Гунда розташовуються на різних орбіталях, утворюючи два неспарені електрони. Якби ми обмежилися лише основним станом, то могли б подумати, що Карбон здатен утворювати лише два хімічні зв'язки.
Однак у більшості сполук, зокрема в метані CH₄, Карбон виявляє валентність IV. Для пояснення цього факту в шкільній моделі розглядають умовний збуджений стан C*: 1s²2s¹2p³. Один електрон із 2s-підрівня «промотується» (переходить) на вільну 2p-орбіталь. Тепер на 2p-підрівні три електрони, а на 2s — один. Усі чотири електрони на зовнішньому рівні стають неспареними.
Важливо: в обох випадках — і в основному, і в збудженому стані — загальна кількість електронів дорівнює 6. Ні заряд ядра, ні число електронів не змінюються. Змінюється лише їхній розподіл.
Чи справді існує ізольований C*?
У шкільній моделі чотири неспарені електрони зіставляють із чотиривалентністю Карбону в CH₄. Однак формування молекули не зводиться до існування заздалегідь ізольованого збудженого атома. У реальності електронна структура змінюється в процесі утворення зв'язків, а енергія, що виділяється під час утворення зв'язків, компенсує енергію, витрачену на збудження. Тому схему C* слід розуміти як зручний шкільний спосіб пояснення, а не як опис реального ізольованого атома.
Неспарені електрони в інших елементів другого періоду
Елемент | Електронна конфігурація | Неспарених e⁻ в основному стані | Типова валентність |
|---|---|---|---|
N | 1s²2s²2p³ | 3 | III |
O | 1s²2s²2p⁴ | 2 | II |
F | 1s²2s²2p⁵ | 1 | I |
Як бачиш, для N, O та F число неспарених електронів в основному стані збігається з типовими валентностями. Однак це правило не універсальне. Наприклад, у йоні амонію NH₄⁺ Нітроген утворює чотири зв'язки, хоча в основному стані має лише три неспарені електрони. Четвертий зв'язок утворюється за донорно-акцепторним механізмом: неподілена електронна пара Нітрогену «дарується» йону H⁺. Отже, валентність не завжди дорівнює числу неспарених електронів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Для елементів третього періоду — Фосфору (P), Сульфуру (S) і Хлору (Cl) — шкільна програма пропонує формальні схеми збудження, які залучають вільний 3d-підрівень. Хоча в реальності 3d-орбіталі енергетично вищі за 4s і їхня участь у зв'язуванні є дискусійною, ці схеми дають зручний спосіб обліку валентних можливостей елемента.
Фосфор (P)
Основний стан Фосфору: 3s²3p³. Три неспарені електрони на 3p-підрівні — валентність III. У збудженому стані один 3s-електрон переходить на 3d-підрівень: 3s¹3p³3d¹. Тепер неспарених електронів п'ять — валентність V.
Сульфур (S)
Основний стан Сульфуру: 3s²3p⁴. Два неспарені електрони — валентність II. Перше збудження: один 3p-електрон переходить на 3d — 3s²3p³3d¹, чотири неспарені — валентність IV. Друге збудження: ще один 3s-електрон переходить на 3d — 3s¹3p³3d², шість неспарених — валентність VI. Саме так у шкільних задачах зіставляють валентності II, IV та VI для Сульфуру.
Хлор (Cl)
Основний стан Хлору: 3s²3p⁵. Один неспарений електрон — валентність I. Послідовні збудження дають:
3s²3p⁴3d¹ — три неспарені (валентність III)
3s²3p³3d² — п'ять неспарених (валентність V)
3s¹3p³3d³ — сім неспарених (валентність VII)
У кожній схемі загальна кількість зовнішніх електронів залишається незмінною: для P — 5, для S — 6, для Cl — 7. Змінюється лише їхній розподіл між підрівнями. Завжди перевіряй дотримання правила Гунда: на кожній орбіталі спочатку розташовуються по одному електрону з паралельними спінами.
Важливе застереження: ці d-схеми — спрощений шкільний спосіб обліку валентностей, а не сучасний доказ реальної участі 3d-орбіталей у хімічних зв'язках. На рівні n = 2 немає d-підрівня (дозволені лише s і p), тому таку схему не можна переносити на Оксиген (O) та Флуор (F). У типових нейтральних сполуках Оксиген виявляє валентність II, а Флуор — I.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Збуджена конфігурація Карбону
Завдання. Яка електронна конфігурація відповідає збудженому стану нейтрального атома Карбону?
А) 1s²2s²2p²
Б) 1s²2s¹2p³
В) 1s²2s²2p³
Г) 1s²2s²2p¹
Розв'язання. Нейтральний атом Карбону має 6 електронів (порядковий номер 6). Перевіряємо суму електронів у кожному варіанті:
А) 2 + 2 + 2 = 6 — основний стан, а не збуджений.
Б) 2 + 1 + 3 = 6 — сума правильна, один електрон перейшов із 2s на 2p. Це збуджений стан C*.
В) 2 + 2 + 3 = 7 — загалом 7 електронів, що неможливо для Карбону.
Г) 2 + 2 + 1 = 5 — загалом 5 електронів, що неможливо для нейтрального Карбону.
Відповідь: Б) 1s²2s¹2p³.
Чому інші варіанти неправильні: Варіант А описує основний, а не збуджений стан. Варіант В має зайвий електрон (7 замість 6) — це або йон, або помилка. Варіант Г має на один електрон менше (5 замість 6) — теж неможливо для нейтрального атома.
Приклад 2. Неспарені електрони в схемі Сульфуру
Завдання. Скільки неспарених електронів має атом Сульфуру в стані, описаному формальною схемою 3s¹3p³3d²?
А) 2
Б) 4
В) 6
Г) 8
Розв'язання. Малюємо орбітальну схему для зовнішнього рівня. На 3s-підрівні одна орбіталь з одним електроном — 1 неспарений. На 3p-підрівні три орбіталі, на кожній по одному електрону (правило Гунда) — 3 неспарені. На 3d-підрівні п'ять орбіталей, зайняті дві з них по одному електрону — 2 неспарені. Разом: 1 + 3 + 2 = 6 неспарених електронів.
Відповідь: В) 6.
Чому інші варіанти неправильні: Варіант А (2) — це число неспарених електронів в основному стані Сульфуру (3s²3p⁴). Варіант Б (4) відповідає проміжному збудженню 3s²3p³3d¹. Варіант Г (8) перевищує загальну кількість зовнішніх електронів Сульфуру (їх лише 6).
Приклад 3. Правильне твердження про збудження
Завдання. Яке твердження про збуджений стан атома є правильним?
А) Атом втрачає один або кілька електронів.
Б) Змінюється заряд ядра атома.
В) Число електронів і заряд ядра не змінюються.
Г) Електрон може перейти тільки в межах одного енергетичного рівня.
Розв'язання. Згадуємо визначення: збудження — це перехід електрона на вищу орбіталь без зміни заряду ядра (Z) і без зміни загальної кількості електронів. Варіант В описує саме це.
Відповідь: В) Число електронів і заряд ядра не змінюються.
Чому інші варіанти неправильні: Варіант А описує йонізацію, а не збудження. Варіант Б неможливий — заряд ядра змінюється лише під час ядерних реакцій. Варіант Г неповний: перехід може відбуватися як у межах одного рівня (2s → 2p), так і між різними рівнями (2p → 3s).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Ототожнювати збудження з відривом електрона. Збудження — це перехід електрона на вищу орбіталь, а не втрата електрона. Втрата електрона називається йонізацією і перетворює атом на позитивний йон. Завжди перевіряй: чи змінилася загальна кількість електронів?
Малювати неіснуючий 2d-підрівень. На другому енергетичному рівні (n = 2) дозволені лише s- і p-підрівні. d-підрівень з'являється лише з третього рівня (n = 3). Тому для Оксигену й Флуору не можна застосовувати схеми з d-орбіталями.
Додавати електрони в збудженій конфігурації. Під час збудження загальне число електронів не змінюється. Якщо в записі електронної конфігурації сума електронів не дорівнює порядковому номеру елемента, це або йон, або помилка.
Трактувати формальні d-схеми як точну модель зв'язування у молекулі. Схеми з 3d-орбіталями для P, S, Cl — це спрощений шкільний спосіб обліку валентностей. Сучасна хімія не вважає, що 3d-орбіталі реально беруть участь у зв'язках цих елементів.
Завжди прирівнювати валентність до числа неспарених електронів в основному атомі. По-перше, атом може переходити в збуджений стан, збільшуючи число неспарених електронів. По-друге, існують донорно-акцепторні зв'язки (наприклад, у NH₄⁺), де валентність перевищує число неспарених електронів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема «Основний і збуджений стан атома» входить до теми 1.3 програми НМТ з хімії («Будова атомів і простих йонів»). На тесті перевіряють уміння розрізняти основні й збуджені стани атомів неметалічних елементів малих періодів, а також визначати валентні стани за формальними шкільними схемами.
Формат завдань: тему можуть перевіряти завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18; 0 або 1 бал) і завдання на встановлення відповідності (№ 19–20; 1 бал за кожну правильну пару, до 3 балів). Розгорнутих відповідей не потрібно.
Стратегія розв'язання
Перевір суму електронів. Вона має дорівнювати порядковому номеру елемента. Якщо сума більша або менша — це або йон, або помилка.
Перевір дозволені підрівні. На другому рівні (n = 2) немає d-підрівня. Якщо бачиш 2d — це неіснуючий підрівень.
Порахуй неспарені електрони. Нанеси електрони на орбітальну схему, дотримуючись правила Гунда: спочатку по одному на кожну орбіталь, потім спаровування.
Визнач, про що питають. Якщо в умові йдеться про «формальну шкільну схему» або «валентний стан», мають на увазі спрощену модель збудження: для Карбону — перехід 2s → 2p (C*), для P, S, Cl — схеми із залученням 3d-орбіталей.
Пам'ятай про межі моделі. Не перенось d-схеми на Оксиген і Флуор. Не плутай збудження з йонізацією.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чи змінюється елемент після збудження?
Ні, елемент не змінюється. Збудження змінює лише розподіл електронів за орбіталями, але заряд ядра (Z) і загальна кількість електронів залишаються незмінними. Атом Карбону залишається Карбоном, атом Оксигену — Оксигеном. Елемент визначається зарядом ядра, а не електронною конфігурацією.
Як Карбон із двома неспареними електронами утворює чотири зв'язки?
У шкільній моделі пояснюють це через збуджений стан C* (1s²2s¹2p³), де всі чотири зовнішні електрони стають неспареними. Однак у реальності формування молекули CH₄ не потребує існування ізольованого збудженого атома. Енергія, що виділяється під час утворення хімічних зв'язків, компенсує енергію, витрачену на збудження. Тому схема C* — це зручний спосіб пояснення, а не опис реального процесу.
Чому не можна намалювати 2d-орбіталь?
Тому що на другому енергетичному рівні (n = 2) дозволені лише s- і p-підрівні. Головне квантове число n визначає максимальне орбітальне квантове число l, яке може набувати значень від 0 до n − 1. Для n = 2 це l = 0 (s) і l = 1 (p). d-підрівень відповідає l = 2, що можливе лише починаючи з n = 3. Тому 2d не існує, і для Оксигену чи Флуору не можна застосовувати схеми з d-орбіталями.
Чи завжди число неспарених електронів дорівнює валентності?
Не завжди. По-перше, атом може переходити в збуджений стан, збільшуючи число неспарених електронів (наприклад, C: 2 → 4; S: 2 → 4 → 6). По-друге, існують донорно-акцепторні зв'язки, де валентність перевищує число неспарених електронів. Наприклад, у йоні амонію NH₄⁺ Нітроген має валентність IV, хоча в основному стані має лише три неспарені електрони. Четвертий зв'язок утворюється за рахунок неподіленої електронної пари Нітрогену.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Збудження змінює електронний стан атома, але зберігає заряд ядра (Z) і загальну кількість електронів.
Збуджений стан Карбону C*: 1s²2s¹2p³ — чотири неспарені електрони, що в шкільній моделі пояснює чотиривалентність Карбону.
Шкільні d-схеми для P, S, Cl — це спрощений спосіб обліку валентностей, а не сучасний доказ реальної участі 3d у зв'язках.
Для Оксигену й Флуору не використовують 2d-підрівень (його не існує); типові валентності — II та I відповідно.
Не плутай збудження з йонізацією: при збудженні електрон лишається в атомі, при йонізації — втрачається.
Правило «валентність = число неспарених електронів» не універсальне: існують донорно-акцепторні зв'язки (NH₄⁺).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Яка пара чисел (неспарені електрони в основному стані Карбону; неспарені електрони в збудженому стані C*) є правильною?
2. Скільки неспарених електронів має атом Нітрогену (N) в основному стані?
3. Атом Хлору в збудженому стані, описаному формальною схемою 3s¹3p³3d³, має стільки неспарених електронів:
4. Що відбувається із загальною кількістю електронів в атомі під час збудження?
5. Чому до Оксигену (O) не можна застосувати шкільну схему збудження із залученням d-орбіталей, подібну до тієї, що використовують для Сульфуру?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест