Struktura elektronowa atomów

Ilość elektronów określa liczba atomowa. Cząstka ta posiada dwoistą naturę: raz zachowuje się jak korpuskuła (cząstka), innym razem jako fala (badania de Broglie'a). Elektron znajduje się w przestrzeni wokół jądra, ale nie da się określić dokładnie jego położenia. O zależności pędu od położenia elektronu mówi zasada nieoznaczoności Heisenberga. Jeśli jedna z tych wartości jest wyznaczona precyzyjniej to druga posiada dużą rozpiętość wartości.

Dlatego można mówić o prawdopodobieństwie znalezienia elektronu w przestrzeni międzyjądrowej.

Stan elektronu opisuje funkcja falowa (zwana także orbitalem), a kwadrat jej wartości stanowi gęstość elektronową.

Każdy elektron charakteryzowany jest prze cztery liczby kwantowe:

Główna liczba kwantowa (n)

n = 1,2,3,4... , n

n jest równe numerowi powłoki, a maksymalna liczba elektronów na danej powłoce wyraża wzór:

2n²

Poszczególne powłoki oznacza się za pomocą liter:

Nr powłoki	1	2	3	4	5	6	7
Symbol	K	L	M	N	O	P	Q

Główna liczba kwantowa odpowiada za energię całkowitą elektronu:

E = - 1/n² * E1

Gdzie: n - główna liczba kwantowa

E1 = 13,6 eV - bezwzględna wartość elektronu wodoru w stanie podstawowym

Wartość energii zwiększa się w miarę wzrostu odległości elektronu od jądra.

Stan atomu, w którym elektrony dążą do osiągnięcia jak najmniejszej energii, nazywa się stanem podstawowym. Stan wzbudzony atomu jest związany z pochłonięciem energii.

Od wartości głównej liczby kwantowej zależy rozmiar orbitalu (wzrost n powoduje wzrost obszaru orbitalnego).

Poboczna liczba kwantowa (l)

Nazywana także orbitalną liczbą kwantową. Od jej wartości zależy liczba podpowłok, wchodzących w skład powłoki.

Przyjmuje ona wartości:

0 ≤ l ≤ (n -1)

Wartości pobocznej liczby kwantowej dla poszczególnych powłok kształtują się następująco:

l	0	1	2	3	4	5
podpowłoka	s	p	d	f	g	h

Wartość pobocznej liczby kwantowej wpływa na kształt orbitalu oraz moment pędu elektronu.

Poniżej przedstawiono kształty orbitali.

s

p

d

Magnetyczna liczba kwantowa (m)

Jej wartość mieści się w granicach:

-l < m < l

Określa ona przestrzenne rozmieszczanie orbitalu. Jej wartość mówi o liczbie orbitali znajdujących się w danej podpowłoce. Poniżej przedstawiono orbitale dla poszczególnych podpowłok.

Podpowłoka	Liczba orbitali	Typ orbitali
s	1	s
p	3	px , py , pz
d	5
f	7

Spinowa liczba kwantowa (m_s)

Decyduje o orientacji spinu elektronu, przyjmuje jedynie dwie wartości:

m_s = +1/2 lub

m_s = -1/2

Ponieważ na każdym orbitalu znajdują 2 elektrony, zatem na poszczególnych podpowłokach znajduje odpowiednia ilość elektronów:

Podpowłoka	s	p	d	f
Liczba elektronów	2	6	10	14

W układach wieloelektronowych należy wziąć pod uwagę oddziaływania pomiędzy jądrem a elektronami oraz odpychaniem elektronu z innymi elektronami. Gdy elektrony rozpatruje się oddzielnie to mamy do czynienia

z przybliżeniem jednoelektronowym.

Konfiguracja elektronowa

Konfiguracją elektronową nazywamy lokalizację elektronów na poszczególnych powłokach

i podpowłokach.

Elektrony rozmieszczone są zgodnie z dwoma regułami:

• Zakazem Pauliego mówiącym, że elektrony różnią się pomiędzy sobą przynajmniej jedna liczbą kwantową

• Reguła Hunda dotyczy konfiguracji poziomów energetycznych: elektrony rozmieszczone są w taki sposób, by liczba elektronów niesparowanych była jak największa, wykazywały one jednakowy spin

Elektrony sparowane, to takie, które posiadają orientacje przeciwną, różnią się liczbą m_s.

Opisując stan elektronowy w atomie stosuje się powyższe zasady:

• Ilość powłok jest równa numerowi okresu

• Liczba elektronów walencyjnych ( na ostatniej powłoce) jest równa numerowi grupy dla grup 1 i 2,

• a dla grup 13-18 wynosi nr grupy - 10

• Pierwiastki grup 1,2,13,14,15,16,17,18 zapełniają ostatnią powłokę, grup 3-12 przedostatnia,

• a lantanowce i aktynowce - drugą od końca

• Pierwiastki łącząc się w związki chemiczne, dążą do uzyskania konfiguracji najbliższego gazu szlachetnego, a więc uzyskania dubletu lub oktetu elektronowego

Elektrony umieszcza się na orbitalach wykazujących możliwą najniższą energię:

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d 4f 6p itd.

Konsekwencje struktury elektronowej:

• Dla pierwiastków grup 1 i 2 jej numer określa liczbę elektronów walencyjnych, w przypadku grup 13 - 18 liczba ta wynosi nr grupy - 10

• Numer okresu jest równy ilości powłok elektronowych

• Liczba atomowa określa liczbę protonów (elektronów)

• Liczbę neutronów wyznacza się z zależności: n = A - Z