Урок 13. Електронні конфігурації атомів в основному та збудженому станах. Принцип мінімальної енергії (принцип Паулі, правило Маделунга, правило Гунда)
Очікувані результати навчання
продукує самостійно або у співпраці з іншими ідеї щодо створення математичних/реальних/віртуальних моделей об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
класифікує (розрізняє/ систематизує/упорядковує) самостійно або у співпраці з іншими об’єкти і явища за визначеними ознаками/властивостями [12 ПРО 3.2.1-2 П]
Мета уроку: учні мають навчитися складати електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів в основному та у збудженому станах, складати конфігурації йонів, використовувати принцип мінімальної енергії та принцип Паулі, правило Маделунга, правило Гунда.
Очікувані результати для вчителя:
ознайомити учнів із основними принципами заповнення електронних орбіталей;
навчити складати електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів в основному та збудженому станах;
розуміти поняття заповненого енергетичного рівня та «октету»;
учні розуміють, що таке провал електрона і застосовують при написанні конфігурацій d-елементів.
Очікувані результати для учнівства:
учні, використовуючи основні принципи послідовності заповнення електронами орбіталей
складають електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів в основному та збудженому станах
вміють прогнозувати у формі яких стійких йонів здатні існувати атоми
аналізують подібність електронної будови атомів за їх положенням у періодичній таблиці
Ключові слова
електронна конфігурація
електронно-графічна формула
йон
основний та збуджений стан
принцип мінімальної енергії
принцип Паулі
правило Маделунга
правила Гунда
План уроку
Актуалізація опорних знань та вмінь (5 хв.).
Мотивація (4 хв.).
Вивчення нового матеріалу (14 хв.).
Практикуємось (18 хв.).
Рефлексія (4 хв.)
1. Актуалізація опорних знань та вмінь.
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
Вчитель може провести хімічний диктант на повторення термінів та їх визначень.
Можна продемонструвати хмару слів, побудовану із понять та термінів, які вивчались на попередньому уроці із розбором, що вони означають. Можна підготувати кросворд, інтерактивну вправу – з’єднати термін і його визначення. Діяльність має бути спрямована на повторення та пригадування попередньо вивченого матеріалу.
Пригадуємо терміни і поняття, які вивчались на попередньому уроці.
Вчитель демонструє два зображення: люди у громадському транспорті, де кожен займає окреме місце, а не підсідає до незнайомця, поки є вільні місця та заповнення електронами енергетичних підрівнів – по одному, якщо є вільні комірки.
Таким чином плавно перейдемо до вивчення правила Гунда.
Чи виникають у вас якісь асоціації, коли ви дивитесь на ці два зображення?
3. Вивчення нового матеріалу
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 12 хв.
Аналізуючи графічне зображення, учні відтворюють послідовність заповнення електронами енергетичних підрівнів, за потреби ще раз фіксують це у зошит:
Ставимо проблемне запитання: чому 3d-підрівень заповнюється перед 4р-підрівнем? Та пропонуємо учням відшукати приклади хімічних елементів, у яких після 4s-підрівня заповнюється 3d-підрівень.
Ознайомлюємо учнів із принципами заповнення електронами орбіталей.
Під час розгляду принципу мінімальної енергії ще раз звертаємось до графічного зображення.
Під час вивчення правила Маделунга наводимо приклад заповнення електронами 3d і 4p- підрівнів та пояснюємо, що у випадки коли співпадає сума n + l ,то раніше заповнюється орбіталь з меншим значенням n (як у випадку 3d, де n=3, а не n=4 як у випадку 4p).
Під час пояснення принципу Паулі згадуємо про спінове квантове число, яке набуває двох значень s= ± ½, що різняться знаком. Та акцентуємо увагу, що під час зображення направленості електрона в комірці спіни мають бути антипаралельні:
При поясненні правила Гунда згадуємо мотивацію до уроку: порожні місця в транспорті та порядок заповнення електронами орбіталей в межах одного енергетичного підрівня.
Минулого уроку ми занотовували у зошит як змінюється енергія енергетичних підрівнів. Спробуємо пригадати цю залежність, використовуючи графічне зображення:
Джерело: О.Березан Хімія: Комплексна підготовка до ЗНО. Тернопіль: Підручники і посібники. 2020. С.33.
Чому 3d-підрівень заповнюється перед 4р-підрівнем? Чи можете ви це унаочнити за допомогою прикладу із ПСХЕ?
Послідовність заповнення електронами орбіталей визначається кількома принципами.
Принцип мінімуму енергії: електрон в атомі займає таке положення, щоб його енергія була мінімальною.
Правило Маделунга (Клечковського) – заповнення електронами АО відбувається у порядку зростання суми головного і орбітального квантового чисел (n + l); при однаковій сумі раніше заповнюється орбіталь з меншим значенням n:
3d: n + l = 3 + 2 = 5
4p: n + l = 4 + 1 = 5
Саме таким чином можна відповісти на поперднє запитання стосовно того, чому 3d-підрівень заповнюється перед 4р-підрівнем.
Принцип Паулі – на кожній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів з однаковим набором квантових чисел (уточнення: спінове число у цих двох електронів має різний знак + або -). Інколи цей принцип ще називають забороною «Паулі». Прокоментуйте зображення:
Правило Гунда – у межах одного енергетичного підрівня електрони розташовуються таким чином, щоб число неспарених електронів було максимальним (або їх сумарний спін був максимальним).
Знаючи дані правила, ми зможемо складати електронні конфігурації атомів та електронно-графічні формули.
Дружня порада для вчителя
Можна продемонструвати таблицю, щоб пригадати кількість електронів на кожному енергетичному підрівні, учні можуть записати число електронів у загальному порядку заповнення електронами енергетичних підрівнів під ними, наприклад:
За потреби можна пригадати кількість електронів на кожному енергетичному підрівні.
Дружня порада для вчителя
Для того, щоб учні провели аналогію між кількістю можливих орієнтацій в просторі s-, p-, d-, f-орбіталей та зображенням квантових комірок, варто їм продемонструвати ще раз рис. із попереднього уроку. Наприклад:
Чи можете ви пов’язати число квантових комірок із кількістю можливих орієнтацій в просторі s-, p-, d-, f-орбіталей?
Пригадуємо разом з учнями поняття:
Валентні електрони – це електрони зовнішнього енергетичного рівня, їх кількість дорівнює номеру групи. Саме вони визначають хімічні властивості елементів.
За потреби на прикладі атома Оксигену розбираємо основні позначення:
Джерело: Білик О.М. Хімія у визначеннях, таблицях і схемах. 7-11 класи. Х.:”Ранок”. 2014. С.30
4. Практикуємось
Дружня порада для вчителя
Учні під керівництвом вчителя складають електронні та електронно-графічні формули атомів хімічних елементів. Починайте із простих прикладів, коли учням стане зрозуміло, ускладнюйте. Звертайте увагу на дотримання усіх принципів, які вивчались, наголошуйте на їх застосуванні.
Зверніть увагу на завершені енергетичні рівні і на те, що всі атоми намагаються здобути так званого «октету». Розберіть це поняття.
Зверніть увагу учнів на можливість атомів хімічних елементів переходити у збуджений стан. Запитайте чи на їхню думку всі атоми мають таку змогу? Чим це може обмежуватись?
Складаємо електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів: Н, Не:
Аналогічно складаємо електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів хімічних елементів 2-го періоду:
Дружня порада для вчителя
Зверніть увагу учнів на те, що будова зовнішнього енергетичного рівня атомів хімічних елементів, що належать до однієї групи (довгий варіант таблиці) або підгрупи (короткий варіант) є подібною.
На прикладі атома Карбону розбираємо поняття переходу у збуджений стан атома:
Збуджений стан атома – це перехід електронів в межах одного енергетичного підрівня на вільні орбіталі. При збудженні атомів електрони набувають більшої енергії, відбувається перехід електронів з нижчих енергетичних підрівнів на вищі.
Завдання (можна за варіантами): зобразити електронні та електронно-графічні формули основного та можливих збуджених станів для атомів Сульфуру та Хлору.
Складаємо електронні конфігурації К, Ca, у яких заповнюється 4s1 та 4s2 підрівні, а 3d-підрівень починає заповнюватися лише від Sc.
Складаємо електронні конфігурації Cu (3d104s1), Ag (4d105s1), Cr (3d54s1) і розбираємо поняття «провал електрона». Явище особливої стійкості електронних структур, які на d-орбіталях уміщують 5 або 10 електронів (s2d4 → s1d5 та s2d9 → s1d10).
Спробуємо спрогнозувати у вигляді яких стійких йонів будуть існувати атоми Na та F та запишіть конфігурацію цих йонів:
Na0 – 1e → Na1+
3s1 2s22p6
F0 +1e → F1-
2s22p5 2s22p6
На конфігурацію якого атома хімічного елемента стали подібні конфігурації утворених йонів? (Ne). Чи можете ви зробити певний висновок з цього?
Згадуємо за «провал електрона», пояснюємо це поняття на прикладах Cu, Ag, Cr тощо.
Можливо ви звертали увагу на те, що в ПСХЕ клітинки з елементами зафарбовані у різні кольори. Проаналізуйте Періодичну таблицю та висуньте припущення, що означають ці кольори.
Дружня порада для вчителя
Пишемо конфігурації простих йонів, передбачаємо які йони будуть стійкими з огляду на розподіл валентних електронів.
Розберіть поняття s-, p-, d, f-елементів, їх розрізнення за кольорами у ПСХЕ.
Можна організувати самостійну роботу учнів з подальшим оцінюванням.
Виконуємо завдання
Укажіть рядок, що містить назви лише s-елементів:
А Натрій, Неон, Хлор
Б Бром, Хлор, Гелій
В Гідроген, Кальцій, Алюміній
Г Гелій, Гідроген, Магній
Укажіть p-елемент 5 періоду:
А Телур
Б Аргентум
В Германій
Г Манган
Укажіть кількість d-електронів в атомі Купруму:
А 9
Б 10
В 8
Г 7
Укажіть кількість s-електронів в атомі Хрому:
А 6
Б 8
В 7
Г 9
Укажіть електронну формулу зовнішнього електронного шару атома Сульфуру в другому збудженому стані:
Установіть відповідність між символом елемента та його електронною формулою зовнішнього електронного шару:
1 Cs
А….3d54s1
2 Cr
Б….4s24p6
3 Si
В….6s1
4 Kr
Г…3s23p5
Д…3s23p5
1В, 2А, 3Д, 4Б
Укажіть електронну конфігурацію зовнішнього електронного шару елемента, вищий оксид якого відповідає формулі E2O5:
А….3s23p4
Б….4s24p3
В….2s22p2
Г….4s23p5
Джерело: Завдання узято зі збірника по підготовці до ЗНО з хімії О.Березан
5. Рефлексія
Дружня порада для вчителя
Тривалість: до 4 хв.
Учні за бажанням дають відповіді на питання.
Учні/учениці відповідають на запитання:
Що вдалося найкраще?
Які труднощі виникли?
Що можна покращити у наступній роботі?
У вільний від відпочинку час
Дружня порада для вчителя
Завдання передбачає, що учні вдома складають для декількох хімічних елементів на окремих картках запис нукліда, електронну конфігурацію в основному та збудженому станах (якщо такий можливий) та електронно-графічні формули в основному і за можливості у збудженому станах.
Із підготовленим набором карток можна буде попрацювати на початку наступного уроку в парах або групах.
Підготуйте на різних картонних картках для 3-5 хімічних елементів:
Запис нукліда хімічного елемента, наприклад: 816O
Електронну конфігурацію в основному стані
Електронну конфігурацію в збудженому стані (якщо це можливо)
Електронно-графічну формулу в основному стані
Електронно-графічну формулу в збудженому стані (якщо це можливо)
Урок 13. Електронні конфігурації атомів в основному та збудженому станах. Принцип мінімальної енергії (принцип Паулі, правило Маделунга, правило Гунда)
Робочий аркуш учнівства
Очікувані результати
Мета уроку: учні мають навчитися складати електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів в основному та у збудженому станах, складати конфігурації йонів, використовувати принцип мінімальної енергії та принцип Паулі, правило Маделунга, правило Гунда.
Очікувані результати для учнівства:
Я розумію принципи заповнення електронних орбіталей.
Я вмію записувати електронну конфігурацію та електронно-графічні формули атомів в основному та збудженому станах.
Я прогнозую у вигляді яких стійких простих йонів може перебувати атом хімічного елемента та можу записати конфігурацію йона.
Ключові слова
електронна конфігурація
електронно-графічна формула
йон
основний та збуджений стан
принцип мінімальної енергії
принцип Паулі
правило Маделунга
правила Гунда
План уроку
Актуалізація опорних знань та вмінь (5 хв.).
Мотивація (4 хв.).
Вивчення нового матеріалу (14 хв.).
Практикуємось (18 хв.).
Рефлексія (4 хв.)
1. Актуалізація опорних знань та вмінь.
Пригадуємо терміни і поняття, які вивчались на попередньому уроці.
Минулого уроку ми занотовували у зошит як змінюється енергія енергетичних підрівнів. Спробуємо пригадати цю залежність, використовуючи графічне зображення:
Джерело: О.Березан Хімія: Комплексна підготовка до ЗНО. Тернопіль: Підручники і посібники. 2020. С.33.
Чому 3d-підрівень заповнюється перед 4р-підрівнем? Чи можете ви це унаочнити за допомогою прикладу із ПСХЕ?
Послідовність заповнення електронами орбіталей визначається кількома принципами.
Принцип мінімуму енергії: електрон в атомі займає таке положення, щоб його енергія була мінімальною.
Правило Маделунга (Клечковського) – заповнення електронами АО відбувається у порядку зростання суми головного і орбітального квантового чисел (n + l); при однаковій сумі раніше заповнюється орбіталь з меншим значенням n:
3d: n + l = 3 + 2 = 5
4p: n + l = 4 + 1 = 5
Саме таким чином можна відповісти на поперднє запитання стосовно того, чому 3d-підрівень заповнюється перед 4р-підрівнем.
Принцип Паулі – на кожній орбіталі може знаходитися не більше двох електронів з однаковим набором квантових чисел (уточнення: спінове число у цих двох електронів має різний знак + або -). Інколи цей принцип ще називають забороною «Паулі». Прокоментуйте зображення:
Правило Гунда – у межах одного енергетичного підрівня електрони розташовуються таким чином, щоб число неспарених електронів було максимальним (або їх сумарний спін був максимальним).
Знаючи дані правила, ми зможемо складати електронні конфігурації атомів та електронно-графічні формули.
За потреби можна пригадати кількість електронів на кожному енергетичному підрівні.
Чи можете ви пов’язати число квантових комірок із кількістю можливих орієнтацій в просторі s-, p-, d-, f-орбіталей?
Пригадуємо разом з учнями поняття:
Валентні електрони – це електрони зовнішнього енергетичного рівня, їх кількість дорівнює номеру групи. Саме вони визначають хімічні властивості елементів.
За потреби на прикладі атома Оксигену розбираємо основні позначення:
Джерело: Білик О.М. Хімія у визначеннях, таблицях і схемах. 7-11 класи. Х.:”Ранок”. 2014. С.30
4. Практикуємось
Складаємо електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів: Н, Не:
Аналогічно складаємо електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів хімічних елементів 2-го періоду:
На прикладі атома Карбону розбираємо поняття переходу у збуджений стан атома:
Збуджений стан атома – це перехід електронів в межах одного енергетичного підрівня на вільні орбіталі. При збудженні атомів електрони набувають більшої енергії, відбувається перехід електронів з нижчих енергетичних підрівнів на вищі.
Завдання (можна за варіантами): зобразити електронні та електронно-графічні формули основного та можливих збуджених станів для атомів Сульфуру та Хлору.
Складаємо електронні конфігурації К, Ca, у яких заповнюється 4s1 та 4s2 підрівні, а 3d-підрівень починає заповнюватися лише від Sc.
Складаємо електронні конфігурації Cu (3d104s1), Ag (4d105s1), Cr (3d54s1) і розбираємо поняття «провал електрона». Явище особливої стійкості електронних структур, які на d-орбіталях уміщують 5 або 10 електронів (s2d4 → s1d5 та s2d9 → s1d10).
Спробуємо спрогнозувати у вигляді яких стійких йонів будуть існувати атоми Na та F та запишіть конфігурацію цих йонів:
Na0 – 1e → Na1+
3s1 2s22p6
F0 +1e → F1-
2s22p5 2s22p6
На конфігурацію якого атома хімічного елемента стали подібні конфігурації утворених йонів? (Ne). Чи можете ви зробити певний висновок з цього?
Можливо ви звертали увагу на те, що в ПСХЕ клітинки з елементами зафарбовані у різні кольори. Проаналізуйте Періодичну таблицю та висуньте припущення, що означають ці кольори.
Виконуємо завдання
Укажіть рядок, що містить назви лише s-елементів:
А Натрій, Неон, Хлор
Б Бром, Хлор, Гелій
В Гідроген, Кальцій, Алюміній
Г Гелій, Гідроген, Магній
Укажіть p-елемент 5 періоду:
А Телур
Б Аргентум
В Германій
Г Манган
Укажіть кількість d-електронів в атомі Купруму:
А 9
Б 10
В 8
Г 7
Укажіть кількість s-електронів в атомі Хрому:
А 6
Б 8
В 7
Г 9
Укажіть електронну формулу зовнішнього електронного шару атома Сульфуру в другому збудженому стані:
Ділись та обговорюй важливе