2009-11-24
Chemia III
Powłoki
elektronowe
Powłoki elektronowe
" Elektrony tworzÄ…ce chmurÄ™ elektronowÄ…
poruszają się wokół jądra w pewnych ściśle
określonych obszarach tzw. orbitalach
(powłokach) elektronowych.
" Elektrony wchodzące w skład powłoki posiadają
zbliżone wartości energii (kinetycznej ruchu
wokół jądra i potencjalnej w stosunku do jądra).
" Obszary poza powłokami są dla elektronów
niedozwolone.
" Im powłoka leży w większej odległości od jądra
tym energia elektronów należących do tej
powłoki jest większa.
1
2009-11-24
" Na każdej powłoce elektronowej może
znajdować się ściśle określona ilość
elektronów, które nie może przekroczyć
liczby równej:
2xn2
n jest numerem powłoki licząc od jądra.
" Elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce
elektronowej nazywajÄ… siÄ™ elektronami
walencyjnymi.
" Ich ilość i rozmieszczenie ma decydujący wpływ
na własności chemiczne danego pierwiastka.
Równanie Schrodingera
(funkcja falowa È,):
Jeśli układ ma stałą w czasie energię E (stan
stacjonarny), to funkcję falową takiego stanu możemy
przedstawić następująco:
¨(x,y,z,t) = È(x,y,z) exp(-iEt/'
)
Funkcja falowa, w najogólniejszej postaci funkcja
zespolona, nie ma bezpośredniego sensu
fizycznego. Dopiero jej kwadrat interpretujemy jako
gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki.
2
2009-11-24
" Właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w
mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku
kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne
ściśle określone wartości.
" Np. elektrony w atomie znajdują się na ściśle
określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam,
z dokładnością określoną przez zasadę
nieoznaczoności. Z kolei każdej orbicie odpowiada
pewna energia.
" W podobny sposób zachowują się także inne
wielkości np. pęd, moment pędu czy moment
magnetyczny.
" Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem
było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych
wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to
właśnie liczby kwantowe.
Równanie Schrodingera
(funkcja falowa È,):
" Liczby kwantowe:
Główna (n): 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Poboczna (l d" n-l): 0, 1, 2, 3, 4, & , n-1
Magnetyczna (m = -l ÷ +l): -l, 0, l
Spinowa(s): -1/2, +1/2
n - nr okresu (powłoki)
l  typ podpowłoki
m  typ orbitala
3
2009-11-24
Liczby kwantowe
" Główna liczba kwantowa (n)
- przyjmuje wartości kolejnych liczb naturalnych
1, 2, 3, ... (wg Bhora K, L, M, ...);
- od niej zależy energia danego elektronu;
- decyduje o rozmiarach orbitali - im większa
wartość n, tym większy jest orbital;
- maksymalna ilośc elektronów w powłoce
wynosi 2m2 (kwadrat)
Poboczna
" Poboczna liczba kwantowa (l)
- przyjmuje wartości liczb całkowitych od 0
do n-1 włącznie;
- precyzuje dokładniej stan energetyczny
danej powłoki;
- liczba stanów kwantowych wyraża się
wzorem 4l + 2
4
2009-11-24
Magnetyczna
Magnetyczna liczba kwantowa (m)
- przyjmuje wartości liczb całkowitych takich, że -
1 jest mniejsze bÄ…dz
równe n, które jest
mniejsze bÄ…dz
równe +1
-1< n >+1;
- określa rzut momentu pędu na wyróżniony
kierunek;
- decyduje o wzajemnych ułożeniu orbitali w
przestrzeni
Magnetyczna spinowa
Magnetyczna spinowa liczba kwantowa
(ms)
- charakteryzuje rut spinu na wyróżniony
kierunek w przestrzeni;
- może przyjmować tylko dwie wartości
+1/2 lub -1/2
5
2009-11-24
Poziomy i orbitale
n l
"
1 = K 0 = s
2 = L 1 = p
3 = M 2 = d
4 = N 3 = f
5 = O 4 = g
6 = P 5 = h
7 = Q 6 = i
Elektron zajmuje ten spośród wolnych stanów (orbitali), który ma
mniejszą wartość sumy głównej i pobocznej liczby kwantowej
n+l, a jeżeli wolne są dwa stany o takiej samej wartości n+l, to
elektron zajmuje stan o niższej wartości n.
n l
s p d f
1 0
2 0 1
3 0 1 2
4 0 1 2 3
5 0 1 2 3
W myśl tej reguły orbital 4s (4+0) obsadzany
jest przed 3d (4+0 < 3+2), natomiast orbital
3d przed 4p (3+2 = 4+1).
6
2009-11-24
Sposób zapełniania orbitali w
atomie
Kształty orbitali
7
2009-11-24
" n = 2
" l= 0 1
"
m = 0 -1 0 1
"
" Ä… ½ Ä…1/2 Ä…1/2 Ä…1/2
Konfiguracja elektronowa
" Konfiguracja elektronowa (struktura elektronowa)
pierwiastka  uproszczony opis atomu polegajÄ…cy na
rozmieszczeniu elektronów należących do atomów
danego pierwiastka na poszczególnych powłokach,
podpowłokach i orbitalach. Każdy elektron
znajdujÄ…cy siÄ™ w atomie opisywany jest przy pomocy
zbioru liczb kwantowych.
" Na podstawie konfiguracji elektronowej atomu
można określić położenie pierwiastka w układzie
okresowym i opisać jego właściwości chemiczne.
8
2009-11-24
Reguła Hunda:
1. W danej podpowłoce powinna być możliwie
największa liczba niesparowanych elektronów;
2. Niesparowane elektrony zajmujÄ…ce poziomy
orbitalne danej podpowłoki mają identyczny
spin;
3. Pary elektronów tworzą się dopiero po
zapełnieniu wszystkich poziomów orbitalnych
danej podpowłoki przez niesparowane
elektrony.
Regu Hunda:
Elektrony w atomie obsadzają najniższe dostępne
poziomy energetyczne
9
2009-11-24
Zakaz Pauliego
Określony poziom energetyczny atomu
obsadzony może być tylko przez jeden
elektron o takich samych 4 liczbach
kwantowych,
w jednym atomie dwa elektrony muszÄ…
różnić się wartością przynajmniej
jednej liczby kwantowej (np. w
jednym poziomie orbitalnym muszÄ…
mieć przeciwną orientację spinu).
" X: [He]2s22px12py12pz1
7
Zakaz Pauliego
10
2009-11-24
Rdzeń i elektrony walencyjne
" Rdzeń, czyli zrąb atomu, stanowi tę
część atomu, która uczestnicząc w reakcji
chemicznej lub w wielu kolejnych
reakcjach, zachowuje ilość i rodzaj
składników
" rdzeń to jądro wraz z elektronami
niewalencyjnymi.
" Elektrony walencyjne to te elektrony,
które podczas reakcji chemicznej biorą
udział w tworzeniu wiązań chemicznych.
Br 1s22s22p63s23p63d10 4s24p5
35
Elektrony elektrony
rdzenia walencyjne
2 1 jÄ…dro
4
3
11
2009-11-24
Konfiguracja walencyjna
jest to fragment konfiguracji
elektronowej dotyczący elektronów
walencyjnych, np.
Br 1s22s22p63s23p63d10 4s24p5
35
Elektrony rdzenia elektrony
walencyjne
Br [Ar] 3d10 4s24p5
35
Elektrony elektrony
rdzenia walencyjne
Bloki w ukł. okresowym
12
2009-11-24
Podaj konfiguracjÄ™ elektronowÄ… atomu
pierwiastka o liczbie atomowej Z = 15.
" X:1s22s22p63s23p3; 15X:[Ne]3s23p3
15
" Pierwiastek
" bloku p, niemetal
" 3 okres, 15 grupa,
" Stopień utlenienia: od -III do V
Podaj konfiguracjÄ™ elektronowÄ… atomu
pierwiastka o liczbie atomowej Z = 25.
" X:1s22s22p63s23p64s23d5
25
" X:[Ar]4s23d5
25
Pierwiastek
" bloku d, metal,
" 4 okres, 7 grupa
" Stopień utlenienia: od 0 do VII
13
2009-11-24
Ogólne zasady ustalania
konfiguracji
Elektrony zajmujÄ… kolejne orbitale na kolejnych
powłokach tak aby atom jako całość posiadał jak
najniższą energię.
W przypadku pierwiastków z grup głównych układu
okresowego teoretyczne obliczenie energii
elektronów na poszczególnych orbitalach jest
stosunkowo proste.
Dlatego można tu podać ogólne reguły zapełniania
kolejnych orbitali, dzięki której znając liczbę
atomową danego pierwiastka można łatwo
samemu ustalić jego konfigurację
Reguły te to:
" 1. Zapełniene są orbitale w kolejności: "s", "p",
"d" i "f"
" 2. Orbitale z wyższych poziomów są
zapełniania dopiero po całkowitym zapełnieniu
niższych.
" 3. Maksymalna liczba elektronów na orbitalach
to: s - 2, p - 6, d  10, f - 14
" 4. Pierwsza powłoka zawieta tylko orbital s,
druga orbitale s i p, trzecia i czwarta sÄ… a w
piąta i szósta orbitale s, p, d i f.
14
2009-11-24
Warunki pisania konfiguracji
elektronowej:
- reguła Hunda - elektrony w stanie
stacjonarnym rozmieszczane sÄ… w
podpowłokach i powłokach, zaczynając od
najniżej energetycznych.
- W przypadku ciężkich metali z grup
pobocznych oraz lantanowców reguły te
zawodzą. Np. przed pełnym obsadzeniem
orbitali z powłoki drugiej, zaczynają już się
zapełnianiać orbitale s i p powłoki trzeciej
Rozkład poziomów
energetycznych powłok
elektronowych w atomie
15
2009-11-24
Konfiguracja elektronowa
pierwiastków
[1H] = 1s1
[2He] = 1s2
[3Li] = 1s2 2s1 = [2He] 2s1
[4Be] = 1s2 2s2 = [2He] 2s2
[5B] = 1s2 2s2 2p1 = [2He] 2s2 2p1
[6C] = 1s2 2s2 2p2 = [2He] 2s2 2p2
[7N] = 1s2 2s2 2p3 = [2He] 2s2 2p3
[8O] = 1s2 2s2 2p4 = [2He] 2s2 2p4
[9F] = 1s2 2s2 2p5 = [2He] 2s2 2p5
[10Ne] = 1s2 2s2 2p6
Okres IV
[19K] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 = [18Ar] 4s1
[20Ca] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 = [18Ar] 4s2
[21Sc] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 = [18Ar] 3d1 4s2
[22Ti] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2 = [18Ar] 3d2 4s2
[23V] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3 = [18Ar] 3d3 4s2
[24Cr] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 = [18Ar] 3d5 4s1 (!promocja elektronu)
[25Mn] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 = [18Ar] 3d5 4s2
[26Fe] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 = [18Ar] 3d6 4s2
[27Co] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 = [18Ar] 3d7 4s2
[28Ni] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 = [18Ar] 3d8 4s2
[29Cu] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 = [18Ar] 3d10 4s1 (!promocja elektronu)
[30Zn] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 = [18Ar] 3d10 4s2
[31Ga] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1 = [18Ar] 3d10 4s2 4p1
[32Ge] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 = [18Ar] 3d10 4s2 4p2
16
2009-11-24
Lantanowce
[54Xe] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6
[57La] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 5d1
= [54Xe] 5d1 6s2
[58Ce] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f2
= [54Xe] 4f2 6s2
[59Pr] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f3
= [54Xe] 4f3 6s2
[60Nd] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f4
= [54Xe] 4f4 6s2
[61Pm] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f5
= [54Xe] 4f5 6s2
17