Никогда никто не видел внутренности атома. Он слишком мал — один атом примерно в миллион раз тоньше человеческого волоса. И всё же мы точно знаем, как его…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
1.1
What an atom is made of · Из чего состоит атом
Syllabus · Программа
English
understand that atoms are mostly empty space surrounding a very small, dense nucleus that contains protons and neutrons; electrons are found in shells in the empty space around the nucleus
identify and describe protons, neutrons and electrons in terms of their relative charges and relative masses
understand the terms atomic and proton number; mass and nucleon number
describe the distribution of mass and charge within an atom
describe the behaviour of beams of protons, neutrons and electrons moving at the same velocity in an electric field
determine the numbers of protons, neutrons and electrons present in both atoms and ions given atomic or proton number, mass or nucleon number and charge
state and explain qualitatively the variations in atomic radius and ionic radius across a period and down a group
Русский
понимать, что атомы состоят преимущественно из пустого пространства вокруг очень малого, плотного ядра, содержащего протоны и нейтроны; электроны находятся в оболочках в пустом пространстве вокруг ядра
идентифицировать и описывать протоны, нейтроны и электроны с точки зрения их относительных зарядов и относительных масс
понимать термины атомный и протонный номер; массовое и нуклонное число
описывать распределение массы и заряда внутри атома
описывать поведение пучков протонов, нейтронов и электронов, движущихся с одинаковой скоростью в электрическом поле
определять количество протонов, нейтронов и электронов в атомах и ионах по атомному или протонному номеру, массовому или нуклонному числу и заряду
утверждать и качественно объяснять изменения атомного радиуса и ионного радиуса в периоде и группе
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Everything is made of atoms 原子. An atom is mostly empty space. At its centre is a tiny, heavy nucleus 原子核. The nucleus holds two kinds of particle: protons 质子 and neutrons 中子. Around the nucleus, in the empty space, move the electrons 电子. The electrons stay in shells 壳层 — layers at set distances from the nucleus.
The nucleus is very small but holds almost all the mass. The electrons take up almost all the space but have almost no mass.
Relative charge and relative mass
We compare the three particles using relative charge 相对电荷 and relative mass 相对质量. These are simple numbers, not real units.
Particle
Relative charge
Relative mass
proton
$+1$
$1$
neutron
$0$
$1$
electron
$-1$
$\tfrac{1}{1836}$ (about $0$)
A proton and a neutron have almost the same mass. An electron is about 1836 times lighter. The proton is positive, the electron is negative, and the neutron has no charge — it is neutral 中性.
Proton number and nucleon number
Two numbers describe the nucleus:
the proton number 质子数 (also called the atomic number 原子序数), symbol $Z$ — the number of protons.
the nucleon number 核子数 (also called the mass number 质量数), symbol $A$ — the total number of protons and neutrons. Protons and neutrons are both nucleons 核子.
So the number of neutrons is $A - Z$.
Counting particles in an atom or ion
For a neutral atom, the number of electrons equals the number of protons, which equals $Z$.
An ion 离子 is an atom that has lost or gained electrons, so it has a charge:
a positive ion has fewer electrons than protons.
a negative ion has more electrons than protons.
Example: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ has $13$ protons, $27 - 13 = 14$ neutrons, and $13 - 3 = 10$ electrons (it lost 3 electrons to become $3+$).
How mass and charge are spread out
Almost all the mass sits in the nucleus, because protons and neutrons are heavy and electrons are very light. All the positive charge is in the nucleus (the protons). The negative charge is spread out in the shells (the electrons).
Beams of particles in an electric field
Imagine beams of protons, neutrons and electrons moving at the same speed into an electric field 电场 between two charged plates:
the proton beam bends towards the negative plate (protons are positive).
the electron beam bends the other way, towards the positive plate. It bends much more, because the electron is far lighter — the same force gives a bigger deflection 偏转 to a smaller mass.
the neutron beam goes straight through. It has no charge, so the field gives it no force.
Atomic radius and ionic radius
The atomic radius 原子半径 is the size of an atom. The ionic radius 离子半径 is the size of an ion.
Across a period 周期 (left to right), the atomic radius gets smaller. The nuclear charge 核电荷 (the pull from the protons) rises, but the electrons go into the same outer shell, so the shielding 屏蔽 by inner shells stays about the same. The stronger pull draws the outer shell inwards.
Down a group 族 (top to bottom), the atomic radius gets larger. Each step down adds a new shell, so the outer electrons are further out and feel more shielding from the nucleus.
For ions:
a positive ion (cation 阳离子) is smaller than its atom. It has lost its outer shell, and the electrons that remain feel a stronger pull each.
a negative ion (anion 阴离子) is larger than its atom. It has gained electrons, so there is more repulsion 排斥 between the electrons.
among ions that have the same number of electrons, the one with more protons is smaller.
Русский
Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать изображения отдельных атомов.
Все состоит из атомов. Атом представляет собой преимущественно пустое пространство. В его центре находится крошечное, тяжелое ядро. Ядро содержит два вида частиц: протоны и нейтроны. Вокруг ядра, в пустом пространстве, движутся электроны. Электроны находятся в оболочках — слоях на определенном расстоянии от ядра.
Ядро очень мало, но содержит почти всю массу. Электроны занимают почти всё пространство, но имеют пренебрежимо малую массу.
Атом представляет собой преимущественно пустое пространство: протоны и нейтроны находятся в крошечном центральном ядре, а электроны движутся в оболочках вокруг него
Относительный заряд и относительная масса
Мы сравниваем три частицы с помощью относительного заряда и относительной массы. Это простые числа, а не реальные единицы измерения.
Частица
Относительный заряд
Относительная масса
протон
$+1$
$1$
нейтрон
$0$
$1$
электрон
$-1$
$\tfrac{1}{1836}$ (примерно $0$)
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу. Электрон примерно в 1836 раз легче. Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, а нейтрон не имеет заряда — он нейтрален.
Протонное число и нуклонное число
Два числа описывают ядро:
протонное число (также называемое атомным номером), символ $Z$ — количество протонов.
нуклонное число (также называемое массовым числом), символ $A$ — общее количество протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами.
Таким образом, количество нейтронов равно $A - Z$.
Подсчет частиц в атоме или ионе
Для нейтрального атома количество электронов равно количеству протонов, которое равно $Z$.
Ион — это атом, который потерял или приобрел электроны, поэтому он имеет заряд:
положительный ион имеет меньше электронов, чем протонов.
отрицательный ион имеет больше электронов, чем протонов.
Пример: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ имеет $13$ протонов, $27 - 13 = 14$ нейтронов и $13 - 3 = 10$ электронов (он потерял 3 электрона, став $3+$).
Как распределены масса и заряд
Почти вся масса сосредоточена в ядре, так как протоны и нейтроны тяжелые, а электроны очень легкие. Весь положительный заряд находится в ядре (у протонов). Отрицательный заряд распределен в оболочках (у электронов).
Пучки частиц в электрическом поле
Представьте пучки протонов, нейтронов и электронов, движущихся с одинаковой скоростью в электрическое поле между двумя заряженными пластинами:
пучок протонов отклоняется к отрицательной пластине (протоны положительные).
пучок электронов отклоняется в другую сторону, к положительной пластине. Он отклоняется сильнее, потому что электрон намного легче — та же сила вызывает большее отклонение для меньшей массы.
пучок нейтронов проходит прямо. Он не имеет заряда, поэтому поле не оказывает на него силы.
*В электрическом поле протон отклоняется к $-$ пластине, а электрон отклоняется в противоположную сторону и гораздо сильнее (он намного легче); нейтрон проходит прямо
Атомный радиус и ионный радиус
Атомный радиус — это размер атома. Ионный радиус — это размер иона.
По периоду (слева направо) атомный радиус становится меньше. Заряд ядра (притяжение со стороны протонов) возрастает, но электроны добавляются в ту же внешнюю оболочку, поэтому экранирование внутренними оболочками остается примерно неизменным. Более сильное притяжение втягивает внешнюю оболочку внутрь.
Вниз по группе (сверху вниз) атомный радиус увеличивается. Каждый шаг вниз добавляет новый электронный слой, поэтому внешние электроны находятся дальше от ядра и испытывают большее экранирование со стороны ядра.
Вдоль периода атомы сжимаются (более сильное притяжение ядра к тому же внешнему слою); вдоль группы они увеличиваются (каждый шаг добавляет слой)
Для ионов:
положительный ион (катион) меньше своего атома. Он потерял внешний слой, и оставшиеся электроны притягиваются сильнее.
отрицательный ион (анион) больше своего атома. Он приобрел электроны, поэтому между электронами возникает большее отталкивание.
среди ионов с одинаковым числом электронов тот, у которого больше протонов, является меньшим по размеру.
Explore · Исследовать
Explore the atom · Исследуйте атом
Tap each part. A tiny dense nucleus of protons and neutrons holds the mass; light electrons orbit it in shells. · Нажмите на каждую часть. Крошечное плотное ядро из протонов и нейтронов содержит массу; легкие электроны вращаются вокруг него в оболочках.
Explore · Исследовать
Atomic and ionic radius trends · Тенденции изменения атомного и ионного радиусов
Atomic radius falls across a period (rising nuclear charge pulls the same shell in) and rises down a group (an extra shell each time). Step across Period 3 to see it. · Атомный радиус уменьшается по периоду (растущий заряд ядра притягивает ту же оболочку ближе) и увеличивается по группе (каждый раз добавляется новая оболочка). Перейдите к Периоду 3, чтобы увидеть это.
define the term isotope in terms of numbers of protons and neutrons
understand the notation $_y^x\text{A}$ for isotopes, where $x$ is the mass or nucleon number and $y$ is the atomic or proton number
state that and explain why isotopes of the same element have the same chemical properties
state that and explain why isotopes of the same element have different physical properties, limited to mass and density
Русский
определить термин изотоп в терминах количества протонов и нейтронов
понимать обозначение $_y^x\text{A}$ для изотопов, где $x$ — это массовое или нуклонное число, а $y$ — атомный или протонный номер
утверждать и объяснять, почему изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства
утверждать и объяснять, почему изотопы одного элемента имеют разные физические свойства, ограничиваясь массой и плотностью
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Isotopes 同位素 are atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons. So isotopes have the same proton number $Z$ but a different nucleon number $A$.
We write an isotope as $^{A}_{Z}\text{X}$: the nucleon number $A$ on top, the proton number $Z$ below. For example, chlorine has two main isotopes, $^{35}_{17}\text{Cl}$ and $^{37}_{17}\text{Cl}$.
Same chemical properties
Chemical properties 化学性质 depend on the electrons, especially the outer electrons. Isotopes of one element have the same number of electrons arranged in the same way. So they react in exactly the same way — they have the same chemical properties.
Different physical properties
Some physical properties 物理性质 depend on mass, so they differ between isotopes. A heavier isotope has more neutrons, so more mass, and therefore a higher density 密度. (The syllabus limits this difference to mass and density.)
Русский
Изотопы — это атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Следовательно, изотопы имеют одинаковое протонное число $Z$, но разное нуклонное число $A$.
Два изотопа хлора: одинаковое число протонов, разное число нейтронов
Изотоп записывается как $^{A}_{Z}\text{X}$: нуклонное число $A$ сверху, протонное число $Z$ снизу. Например, у хлора есть два основных изотопа, $^{35}_{17}\text{Cl}$ и $^{37}_{17}\text{Cl}$.
Одинаковые химические свойства
Химические свойства зависят от электронов, особенно от внешних электронов. Изотопы одного элемента имеют одинаковое количество электронов, расположенных аналогичным образом. Поэтому они реагируют точно так же — обладают одинаковыми химическими свойствами.
Разные физические свойства
Некоторые физические свойства зависят от массы, поэтому они различаются между изотопами. Более тяжелый изотоп содержит больше нейтронов, а значит, и большую массу, следовательно, обладает более высокой плотностью. (Согласно учебной программе, это различие ограничивается массой и плотностью.)
Explore · Исследовать
Isotope lab · Лаборатория изотопов
Classify isotope facts by what changes and what stays the same. · Классифицируйте факты об изотопах по тому, что меняется и что остается неизменным.
Electrons, energy levels and orbitals · Электроны, энергетические уровни и орбитали
Syllabus · Программа
English
understand the terms: shells, sub-shells and orbitals; principal quantum number (n); ground state, limited to electronic configuration
describe the number of orbitals making up s, p and d sub-shells, and the number of electrons that can fill s, p and d sub-shells
describe the order of increasing energy of the sub-shells within the first three shells and the 4s and 4p sub-shells
describe the electronic configurations to include the number of electrons in each shell, sub-shell and orbital
explain the electronic configurations in terms of energy of the electrons and inter-electron repulsion
determine the electronic configuration of atoms and ions given the atomic or proton number and charge, using either of the following conventions: e.g. for Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (full electronic configuration) or [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (shorthand electronic configuration)
understand and use the electrons in boxes notation
describe and sketch the shapes of s and p orbitals
describe a free radical as a species with one or more unpaired electrons
Русский
понимать термины: оболочки, подуровни и орбитали; главный квантовый номер (n); основное состояние, ограничиваясь электронной конфигурацией
описывать количество орбиталей, составляющих s-, p- и d-подуровни, а также количество электронов, которые могут заполнить s-, p- и d-подуровни
описывать порядок возрастания энергии подуровней в пределах первых трех оболочек, а также подуровней 4s и 4p
описывать электронные конфигурации, включая количество электронов в каждой оболочке, подуровне и орбитали
объяснять электронные конфигурации с точки зрения энергии электронов и межэлектронного отталкивания
определять электронную конфигурацию атомов и ионов по атомному или протонному числу и заряду, используя одну из следующих конвенций: например, для Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (полная электронная конфигурация) или [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (сокращенная электронная конфигурация)
понимать и использовать обозначение электронов в клетках
описывать и изображать формы s- и p-орбиталей
описывать свободный радикал как частицу с одним или более неспаренными электронами
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Electrons are arranged in shells, sub-shells and orbitals.
Shells and the principal quantum number
Each shell is labelled by the principal quantum number 主量子数$n = 1, 2, 3, \dots$ A larger $n$ means a shell that is further from the nucleus and higher in energy.
Sub-shells and orbitals
Each shell is split into sub-shells 亚层, named s, p and d. Each sub-shell is built from orbitals 轨道. An orbital is a small region that can hold up to two electrons.
Sub-shell
Number of orbitals
Maximum electrons
s
1
2
p
3
6
d
5
10
So an s sub-shell holds 2 electrons, a p sub-shell holds 6, and a d sub-shell holds 10.
Order of increasing energy
Electrons fill the lowest-energy sub-shell first. For the first three shells, plus 4s and 4p, the order of rising energy is:
You can write a shorthand using the nearest noble gas 稀有气体 in square brackets:
$$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$
Here $[\text{Ar}]$ stands for the full configuration of argon.
For ions, you add or remove electrons. One key rule: when a transition metal forms a positive ion, it loses its 4s electrons before its 3d electrons. So $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.
Electrons in boxes
The electrons in boxes notation draws each orbital as a box and each electron as an arrow. Two electrons in the same orbital must point opposite ways, because each electron has a property called spin 自旋, and a shared orbital needs opposite spins.
Within a sub-shell, electrons fill empty orbitals one at a time, with parallel arrows, before any orbital gets a second electron. Spreading out like this keeps the electrons apart and lowers the repulsion between them.
Why the configuration takes this shape
Electrons fill from low energy to high energy because that gives the most stable (lowest-energy) atom. Within a sub-shell they spread out singly first to reduce the repulsion between the negative electrons.
Shapes of s and p orbitals
an s orbital is a sphere 球形 centred on the nucleus.
a p orbital has two lobes, like a dumbbell, pointing along one axis. The three p orbitals point along three directions at right angles (the $x$, $y$ and $z$ axes).
Free radicals
A free radical 自由基 is a species with one or more unpaired electrons 未成对电子. Free radicals are very reactive.
Русский
Водород испускает свет только на дискретных, характерных длинах волн — его линейчатый эмиссионный спектр.
Электроны расположены в слоях, подоблоках и орбиталях.
Слои и главное квантовое число
Каждый слой обозначается главным квантовым числом$n = 1, 2, 3, \dots$. Большее значение $n$ означает слой, расположенный дальше от ядра и имеющий более высокий уровень энергии.
Подоблоки и орбитали
Каждый слой делится на подоблоки, называемые s, p и d. Каждый подоблок состоит из орбиталей. Орбиталь — это небольшая область, способная вместить до двух электронов.
Подоблок
Количество орбиталей
Максимальное число электронов
s
1
2
p
3
6
d
5
10
Таким образом, s-подоблок вмещает 2 электрона, p-подоблок — 6, а d-подоблок — 10.
Порядок возрастания энергии
Электроны заполняют подоблок с наименьшей энергией сначала. Для первых трех слоев, а также для 4s и 4p порядок возрастания энергии следующий:
Можно использовать сокращенную запись, используя ближайший инертный газ в квадратных скобках:
$$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$
Здесь $[\text{Ar}]$ обозначает полную конфигурацию аргона.
Для ионов вы добавляете или удаляете электроны. Одно важное правило: когда переходный металл образует положительный ион, он теряет свои электроны 4s до того, как теряет электроны 3d. Таким образом, $\text{Fe}^{3+}$ превращается в $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.
Электроны в клеточках
Запись электронов в клеточках изображает каждую орбиталь как квадрат, а каждый электрон — как стрелку. Два электрона в одной орбитали должны быть направлены в противоположные стороны, потому что каждый электрон обладает свойством, называемым спин, и общая орбиталь требует противоположных спинов.
Внутри подоблока электроны последовательно занимают пустые орбитали по одному, со стрелками, направленными в одну сторону, прежде чем любая орбиталь получит второй электрон. Такое распределение держит электроны на расстоянии друг от друга и снижает отталкивание между ними.
Электроны в клеточках для азота ($1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3$): спаренные электроны направлены в противоположные стороны, а орбитали 2p заполняются одиночно с параллельными спинами
Почему конфигурация имеет такую форму
Электроны заполняются от низких энергий к высоким, поскольку это обеспечивает наиболее стабильный (наименее энергозатратный) атом. Внутри подоблока они сначала распределяются по одиночным орбиталям, чтобы уменьшить отталкивание между отрицательно заряженными электронами.
Формы s- и p-орбиталей
s-орбиталь представляет собой сферу, центрированную на ядре.
p-орбиталь имеет две доли, напоминая гантель, ориентированную вдоль одной оси. Три p-орбитали направлены вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений (осей $x$, $y$ и $z$).
s-орбиталь является сферой; каждая p-орбиталь имеет форму гантели, а три p-орбитали направлены вдоль осей $x$, $y$ и $z$
Свободные радикалы
Свободный радикал — это частица с одним или несколькими неспаренными электронами. Свободные радикалы очень реакционноспособны.
Explore · Исследовать
Filling the electron shells · Заполнение электронных оболочек
Change the atomic number Z and watch the electrons fill the shells (2, 8, 8, …) — the pattern that builds the Periodic Table. · Изменяйте атомный номер Z и наблюдайте, как заполняются оболочки (2, 8, 8, …) — закономерность, формирующая Периодическую таблицу.
define and use the term first ionisation energy, IE
construct equations to represent first, second and subsequent ionisation energies
identify and explain the trends in ionisation energies across a period and down a group of the Periodic Table
identify and explain the variation in successive ionisation energies of an element
understand that ionisation energies are due to the attraction between the nucleus and the outer electron
explain the factors influencing the ionisation energies of elements in terms of nuclear charge, atomic/ionic radius, shielding by inner shells and sub-shells and spin-pair repulsion
deduce the electronic configurations of elements using successive ionisation energy data
deduce the position of an element in the Periodic Table using successive ionisation energy data
Русский
определять и использовать термин первая энергия ионизации, IE
составлять уравнения для представления первой, второй и последующих энергий ионизации
выявлять и объяснять закономерности изменения энергий ионизации в периоде и вдоль группы Периодической системы элементов
выявлять и объяснять изменение последовательных энергий ионизации элемента
понимать, что энергии ионизации обусловлены притяжением между ядром и внешним электроном
объяснять факторы, влияющие на энергии ионизации элементов, с учетом ядерного заряда, атомного/ионного радиуса, экранирования внутренними оболочками и подуровнями и отталкивания спаренных электронов
выводить электронные конфигурации элементов, используя данные о последовательных энергиях ионизации
определять положение элемента в Периодической системе, используя данные о последовательных энергиях ионизации
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
First ionisation energy
The first ionisation energy 第一电离能 (IE) is the energy needed to remove one electron from each atom in one mole of gaseous atoms, forming one mole of gaseous $+1$ ions.
We use gaseous atoms so there are no forces between the particles. The unit is $\text{kJ mol}^{-1}$. As an equation, for an element X:
You can keep going. These are the successive ionisation energies 逐级电离能. Each is larger than the one before, because every electron is pulled away from a more positive ion.
What ionisation energy depends on
Ionisation energy comes from the attraction between the positive nucleus and the outer electron. Three main factors set how strong that attraction is:
nuclear charge: more protons pull the electrons more strongly, so the ionisation energy is higher.
atomic radius: the further the outer electron sits from the nucleus, the weaker the pull, so the ionisation energy is lower.
shielding: inner shells block some of the pull on the outer electron. More inner shells mean more shielding and a lower ionisation energy.
There is a smaller effect too — spin-pair repulsion 自旋成对排斥. When two electrons share one orbital, they push each other a little, so one is easier to remove.
Trends in first ionisation energy
Across a period, the first ionisation energy generally rises. The nuclear charge grows while shielding stays about the same, so the outer electrons are held more tightly.
Down a group, the first ionisation energy falls. Lower elements have more shells, so more shielding and a larger radius, and the outer electron is easier to remove.
The dips are evidence for sub-shells
The rise across a period is not smooth. Two small dips appear, and you should be able to explain both:
Group 2 to Group 13 (for example Mg to Al): the electron removed from Al comes from a 3p sub-shell, which is higher in energy than the full 3s sub-shell in Mg. A 3p electron is easier to remove, so the value dips.
Group 15 to Group 16 (for example P to S): in S, one 3p orbital now holds a pair of electrons. Spin-pair repulsion makes one of them easier to remove, so the value dips.
These dips are evidence that sub-shells exist.
Successive ionisation energies are evidence for shells
If you plot the successive ionisation energies of one element, the values rise, with big jumps at certain points. A big jump happens when the next electron must come from a shell closer to the nucleus.
Count how many electrons come off easily before the first big jump — that is the number of electrons in the outer shell, which tells you the group the element is in. You can also use the pattern to work out the electronic configuration and the position of the element in the Periodic Table.
Electrons removed before the first big jump
Group
1
Group 1
2
Group 2
3
Group 13
Worked example. The first five successive ionisation energies of an element are $590$, $1150$, $4940$, $6480$ and $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Which group is it in? Look for the big jump, not the biggest number. From the 1st to the 2nd the value roughly doubles, which is a normal rise. From the 2nd ($1150$) to the 3rd ($4940$) it more than quadruples: that is the jump. So two electrons come off easily before it, the outer shell holds 2 electrons, and the element is in Group 2. Count the electrons removed before the jump, and explain the jump properly: the next electron is being pulled from a shell closer to the nucleus, not from a different element.
Русский
Первая энергия ионизации
Первая энергия ионизации (IE) — это энергия, необходимая для удаления одного электрона из каждого атома в одном моле газообразных атомов с образованием одного моля газообразных $+1$ ионов.
Мы используем газообразные атомы, поэтому между частицами нет сил взаимодействия. Единицей измерения является $\text{kJ mol}^{-1}$. В виде уравнения для элемента X:
Процесс можно продолжать. Это последовательные энергии ионизации. Каждая следующая больше предыдущей, потому что каждый электрон оттягивается от все более положительной ионной оболочки.
От чего зависит энергия ионизации
Энергия ионизации обусловлена притяжением между положительным ядром и внешним электроном. Три основных фактора определяют силу этого притяжения:
заряд ядра: большее количество протонов сильнее притягивает электроны, поэтому энергия ионизации выше.
атомный радиус: чем дальше внешний электрон находится от ядра, тем слабнее притяжение, поэтому энергия ионизации ниже.
экранирование: внутренние оболочки экранируют (затеняют) часть притяжения к внешнему электрону. Чем больше внутренних оболочек, тем сильнее экранирование и ниже энергия ионизации.
Существует также меньший эффект — отталкивание спаренных электронов. Когда два электрона занимают одну орбиталь, они немного отталкивают друг друга, поэтому один из них легче удалить.
Закономерности изменения первой энергии ионизации
В периоде первая энергия ионизации в целом возрастает. Заряд ядра увеличивается, а экранирование остается примерно постоянным, поэтому внешние электроны удерживаются прочнее.
В группе первая энергия ионизации понижается. У элементов нижних периодов больше оболочек, что приводит к большему экранированию и увеличению радиуса, поэтому внешний электрон легче удалить.
Падения на графиках являются доказательством существования подуровней
Рост энергии в периоде не является плавным. Наблюдаются два небольших провала, которые вы должны уметь объяснить:
Группа 2 → Группа 13 (например, Mg → Al): электрон, удаляемый из Al, приходит с подуровня 3p, который имеет более высокую энергию, чем полностью заполненный подуровень 3s в Mg. Электрон 3p легче удалить, поэтому значение снижается.
Группа 15 → Группа 16 (например, P → S): в S одна орбиталь 3p теперь содержит пару электронов. Отталкивание спаренных электронов делает один из них легче удаляемым, поэтому значение снижается.
Эти провалы являются доказательством существования подуровней.
Первая энергия ионизации растет в Периоде 3, но имеет провалы у Al и S — это доказательство существования подуровней
Последовательные энергии ионизации служат доказательством наличия электронных оболочек
Если построить график последовательных энергий ионизации одного элемента, значения будут расти, при этом наблюдаются большие скачки в определенных точках. Большой скачок происходит, когда следующий электрон приходится удалять с оболочки, расположенной ближе к ядру.
Посчитайте, сколько электронов удаляется легко до первого большого скачка — это число электронов во внешней оболочке, которое указывает на группу, в которой находится элемент. По этому же паттерну можно определить электронную конфигурацию и положение элемента в Периодической таблице.
Последовательные энергии ионизации натрия (логарифмическая шкала): большие скачки раскрывают структуру $2,8,1$ оболочек
Электронов удалено до первого большого скачка
Группа
1
Группа 1
2
Группа 2
3
Группа 13
Разобранный пример. Первые пять последовательных энергий ионизации элемента составляют $590$, $1150$, $4940$, $6480$ и $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. К какой группе он относится? Ищите большой скачок, а не самое большое число. От 1-й ко 2-й энергия примерно удваивается, что является нормальным ростом. От 2-й ($1150$) до 3-й ($4940$) она возрастает более чем в четыре раза: это и есть скачок. Следовательно, два электрона удаляются легко перед ним, во внешней оболочке содержится 2 электрона, и элемент относится к Группе 2. Считайте количество удаленных электронов до скачка и правильно объясните его: следующий электрон удаляется с оболочки, расположенной ближе к ядру, а не с другого элемента.
Explore · Исследовать
The ionisation-energy trend — and its dips · Тренд энергии ионизации — и его провалы
First ionisation energy generally rises across a period, but DIPS where a new p sub-shell starts and where a p-orbital pair first forms. Step across to find the two tell-tale dips. · Первая энергия ионизации обычно возрастает по периоду, но НАБЛЮДАЮТСЯ ПРОВАЛЫ там, где начинается новый p-подуровень и где впервые образуется пара в p-орбитали. Перейдите к шагу, чтобы найти два характерных провала.
Define isotopes in full: atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons — the mark scheme wants both halves.
4s fills before 3d, but electrons are removed from 4s first when forming ions, so $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (not $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
In successive ionisation energies, a big jump marks the start of a new (inner) shell — use the jumps to place the element in its group.
Explain every ionisation-energy trend with the same three factors: nuclear charge, distance and shielding, plus sub-shell effects for the small dips.
Learn the exact reason first ionisation energy of oxygen is below nitrogen: oxygen's paired 2p electrons repel, so one is easier to remove.
Русский
Дайте полное определение изотопов: атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов — в критериях оценивания требуются обе части определения.
Подуровень 4s заполняется раньше 3d, но электроны снимаются с 4s первыми при образовании ионов, поэтому $\text{Fe}^{3+}$ равно $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (а не $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
В последовательных энергиях ионизации большой скачок обозначает начало новой (внутренней) оболочки — используйте скачки для определения группы элемента.
Объясняйте каждую закономерность изменения энергии ионизации теми же тремя факторами: заряд ядра, расстояние и экранирование, плюс эффекты подуровней для малых провалов.
Выучите точную причину, почему первая энергия ионизации кислорода ниже, чем у азота: спаренные электроны 2p кислорода отталкиваются, поэтому один из них легче удалить.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
*В электрическом поле протон отклоняется к 
