Число электронов¶

Число электронов — характеристика атома, молекулы или иона, равная числу электронов в их электронной оболочке. В нейтральном атоме число электронов равно атомному номеру элемента, то есть числу протонов в ядре. У ионов число электронов отличается от атомного номера на величину заряда: для катионов оно меньше, для анионов — больше. Число электронов определяет химические свойства вещества, его положение в периодической системе и поведение в химических реакциях.

¶Определение и обозначение

Число электронов обозначают символом N или Z (в русской традиции чаще N). Связь между числом электронов, числом протонов (атомным номером Z) и зарядом иона q выражается формулой:

N = Z − q,

где заряд измеряется в единицах элементарного заряда. Для нейтрального атома q = 0, поэтому N = Z. Например, у атома натрия (Z = 11) в нейтральном состоянии 11 электронов, у иона Na⁺ — 10, у иона Na⁻ (гипотетического) — 12.

¶Число электронов в атомах

В атомах электронные оболочки заполняются по правилам квантовой механики: сначала заполняется подуровень с наименьшей энергией (правило Клечковского), с учётом правила Паули и принципа исключения Хунда. Максимальное число электронов на уровне с главным квантовым числом n равно 2n². Так, на первом уровне помещается не более 2 электронов, на втором — 8, на третьем — 18, на четвёртом — 32.

Периодическая система Д. И. Менделеева построена именно на закономерностях изменения числа электронов: в каждом периоде число электронов на внешнем уровне растёт от 1 до 8 (кроме первого периода). Смена числа электронов на внешнем уровне определяет переход элемента в новую группу и смену его химических свойств.

¶Число электронов в молекулах и ионах

Для молекул число электронов равно сумме чисел электронов всех атомов, входящих в состав, минус заряд молекулярного иона. Например, в молекуле воды (H₂O) содержится 2·1 + 8 = 10 электронов, в молекуле метана (CH₄) — 6 + 4·1 = 10 электронов. Молекулярные ионы, такие как аммоний NH₄⁺, содержат на один электрон меньше, чем сумма электронов исходных атомов.

При химических реакциях число электронов сохраняется: электроны не создаются и не уничтожаются, а лишь перераспределяются между атомами. Это основа метода электронного баланса, применяемого для уравнивания окислительно-восстановительных реакций.

¶Роль в химии

Число электронов определяет:

• Строение электронной оболочки — распределение электронов по уровням и подуровням.
• Степень окисления — формальный заряд атома, рассчитываемый исходя из распределения электронов в связи.
• Химическую активность — атомы с неполной внешней оболочкой (1–3 или 5–7 электронов на внешнем уровне) склонны к образованию химических связей.
• Радиус атома — при увеличении числа электронов на одном уровне радиус растёт, при переходе на новый уровень — уменьшается.

¶Экспериментальное определение

Число электронов в атоме устанавливается косвенно — через атомный номер, определяемый спектральными и рентгеноструктурными методами. Напрямую число электронов измеряется в масс-спектрометрии: масса иона и его заряд позволяют вычислить число электронов. В физике элементарных частиц заряд объекта всегда кратен элементарному заряду, что подтверждает дискретность числа электронов.

¶Интересные факты

• Водород — единственный элемент, у которого в нейтральном атоме один электрон.
• У иона Fe³⁺ (железо(III)) число электронов равно 23, что меньше, чем у нейтрального атома (26).
• Молекула фуллерена C₆₀ содержит 360 электронов (60·6).
• Число электронов в уране (Z = 92) в нейтральном атоме равно 92 — это наибольшее число среди всех элементов.

¶Источники

• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. «Конспект лекций по неорганической химии».
• Стадницкий Э. Д., Родина Т. А. «Курс неорганической химии».
• Глинка Н. Л. «Общая химия».
• Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева.