chemia nieorganiczna wykład, Górnictwo i Geologia AGH, chemia


2. Elektronowa struktura atomu

0x08 graphic
Według hipotezy de Broglie`a (1924), elektron można rozpatrywać zarówno jako cząstkę materii, ale również jako falę powstającą w wyniku poruszania się tej cząstki. Z ruchem elektronu w obrębie atomu związana jest fala o długości λ zależnej od jego pędu mυ:

przy czym: h - stała Plancka m - masa elektronu v - prędkość poruszania się elektronu

Falowa natura cząstek leży u podstaw mechaniki kwantowej, która poprawnie i ilościowo opisuje zachowanie cząstek elementarnych w atomach.

0x08 graphic

0x08 graphic

Zachowanie się elektronu w obrębie atomu można opisywać za pomocą fali, której amplituda jest ciągłą funkcją współrzędnych przestrzennych x, y, z. Funkcję falową i energię elektronu (cząstki) wiąże podstawowe równanie mechaniki kwantowej, zwane równaniem Schrödingera; dla układu jedno elektronowego równanie to ma uproszczoną postać:

 Równanie 0x01 graphic

gdzie: - funkcja falowa

m - masa elektronu poruszającego się w polu o potencjale V

h - stała Plancka

E - energia całkowita elektronu

Równanie to jest równaniem różniczkowym - jego rozwiązaniem są nie liczby tylko funkcje.

Rozwiązania te, zwane funkcjami własnymi, wyrażają stan fizyczny układu jedynie dla pewnych wartości E, nazywanych wartościami własnymi. Oznacza to, że elektrony w atomie nie mogą przyjmować dowolnej energii, czyli ich energia jest kwantowana.

0x08 graphic

0x08 graphic

Każdy stan kwantowy elektronu w atomie opisuje się za pomocą czterech liczb kwantowych:

n - główna liczba kwantowa, określająca energię elektronu w atomie;

przyjmuje wartości liczb naturalnych: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Elektrony o takiej samej wartości głównej liczby kwantowej w atomie tworzą tę sama powłokę elektronową atomu; powłoki oznacza się kolejno: K, L, M, N, O, P, Q.

l - poboczna liczba kwantowa, charakteryzuje symetrię orbitali (podpowłok) elektronowych,

rozróżnia stany energetyczne elektronów w tej samej powłoce; przyjmuje wartości liczb całkowitych: 0 0x01 graphic
l 0x01 graphic
(n -1),

tzn., że:

główna liczba kwantowa (n)

powłoka

orbitalna liczba kwantowa (l)

podpowłoka

(orbital)

n = 1

K

l = 0

s

n = 2

L

l = 0

l = 1

s

p

n = 3

M

l = 0

l = 1

l = 2

s

p

d

m - magnetyczna liczba kwantowa - określa liczbę poziomów orbitalnych związaną z ułożeniem się orbitali w przestrzeni pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego;

przyjmuje wartości liczb całkowitych: - l m l

ms - spinowa liczba kwantowa - związana z momentem pędu elektronu obracającego się wokół własnej osi; przyjmuje tylko dwie wartości: + ½ i - ½

0x08 graphic

Maksymalna liczba elektronów, które mogą zajmować daną powłokę:

0x08 graphic

0x08 graphic
główna liczba kwantowa

Rozmieszczenie elektronów na poziomach kwantowych w atomie w stanie podstawowym

Liczba kwantowa

Typ orbitalu

Liczba kwantowa

Maksymalna liczba elektronów

n - główna

l - poboczna

m - magnetyczna

ms - spinowa

w podpowłoce (na orbitalu)

w powłoce

1

0

s

0

+ ½ - ½

2

2

2

0 1

s p

0 -1, 0 +1

+ ½ - ½ + ½ - ½

2 6

8

3

0 1 2

s p d

0 -1, 0 +1 -2, -1,0,+1,+2

+ ½ - ½ + ½ - ½ + ½ - ½

2 6 10

18

4

0 1 2 3

s p d f

0 -1, 0 +1 -2, -1,0,+1,+2 -3,-2,-,0,1,2,3

+ ½ - ½ + ½ - ½ + ½ - ½ + ½ - ½

2 6 10 14

32

Orbitale są różnie zorientowane w przestrzeni:

orbital s - ma symetrię kulistą

0x01 graphic

0x01 graphic

trzy składowe orbitalu p

0x01 graphic

pięć składowych orbitalu typu d

Orbitale typu f mają bardziej skomplikowany kształt.

Trzy orbitale px, py i px są równocenne energetycznie, podobnie jak pięć orbitali d i siedem orbitali typu f - takie orbitale nazywa się orbitalami zdegenerowanymi.

Zajęte orbitale są przedstawiane często w postaci kwadratów zawierających strzałki o zwrotach zgodnych lub przeciwnie skierowanych. Jest to umowny sposób przedstawiania elektronów o tych samych lub przeciwnych liczbach spinowych: 0x01 graphic

Wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka wzrasta liczba elektronów. Zajmują one kolejne orbitale zaczynając od najniższych poziomów energetycznych, zgodnie ze schematem:

0x08 graphic
n

0x08 graphic
0x01 graphic

energia orbitali (podopowłok)

W przypadku pierwiastków o większych liczbach atomowych mogą nastąpić odstępstwa od podanej kolejności wynikające z oddziaływania elektronów między sobą.

0x08 graphic

0x08 graphic

Stan podstawowy atomu to stan o najniższej możliwej energii elektronów w atomie; każdy stan o wyższej energii elektronów - to stan wzbudzony atomu.

Dla napisania konfiguracji elektronowej atomu konieczna jest znajomość:

- ilości elektronów w atomie,

- numeru powłoki elektronowej,

- symbolu orbitalu (podpowłoki),

- liczby elektronów w każdej powłoce.

Konfigurację elektronową zapisuje się stosując literowe symbole orbitali, przy czym:

- przed literą umieszcza się liczbę równą głównej liczbie kwantowej

- w prawym górnym rogu nad literą zaznacza się ilość elektronów opisanych danym orbitalem.

Powłoki całkowicie wypełnione elektronami można skrótowo zapisywać w postaci umieszczonej w nawiasie kwadratowym konfiguracji elektronowej odpowiedniego gazu szlachetnego, po którym pisze się pozostałe orbitale z podaniem ich symbolu literowego i liczby elektronów.

Np. dla atomu:

tlenu 8O można napisać: 1s22s22p4 lub [He]2s22p4 ;

siarki 16S można napisać: 1s22s22p63s23p4 lub [Ne]3s23p4 ;

potasu 19K można napisać: 1s22s22p63s23p64s1 lub [Ar]4s1 .

Strukturę elektronową atomu można podawać również w formie graficznej, w której każdy orbital umownie przedstawia się w postaci prostokąta.

Elektrony ostatniej powłoki elektronowej, czyli najwyższego poziomu energetycznego w atomie są najsłabiej związane z jądrem atomowym i mogą być łatwo wymienione w procesie tworzenia wiązań chemicznych z innymi atomami.

Te elektrony nazywane są elektronami walencyjnymi.

0x08 graphic

λ = h / m v

Zasada nieoznaczności Heisenberga: Nie jest też możliwe jednoczesne dokładne wyznaczenie położenia i pędu elektronu, czyli równoczesne podanie po jakim torze porusza się on w atomie i gdzie znajduje się w danym momencie

Można rozpatrywać tylko prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w określonym czasie w dowolnie wybranym punkcie przestrzeni wokół jądra

Funkcje własne ψ (x,y,z) , będące rozwiązaniami równania Schrödingera, są nazywane orbitalami atomowymi i określają najbardziej prawdopodobne wartości energii elektronu w atomie, a kwadrat ich modułu ψ (x,y,z)2 podaje gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w określonym miejscu przestrzeni wokół jądra atomu.

Geometryczne kształty orbitali wskazują na przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu opisanego danym orbitalem.

Kontur orbitalu, tzw. „chmura” elektronowa ogranicza przestrzeń, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe;

„Chmura” elektronowa nie ma wyraźnej granicy zewnętrznej, jednak im dalej od jądra, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo znalezienia elektronu.

Zakaz Pauliego: w atomie nie mogą istnieć 2 elektrony o identycznym stanie kwantowym, tzn. o tych samych wartościach czterech przypisanych im liczb kwantowych n, l, m i ms. Muszą różnić się przynajmniej jedną z nich

2n2

Obsadzanie orbitali danego typu odbywa się zgodnie z regułą Hunda, tzn. tak, aby atom w stanie podstawowym miał możliwie największą liczbę elektronów o tym samym spinie (niesparowanych):

0x01 graphic

Rozmieszczenie elektronów na poszczególnych poziomach kwantowych (tzn. powłokach i podpowłokach-orbitalach) w atomie w jego stanie podstawowym nazywa się konfiguracją elektronową atomu i decyduje o właściwościach chemicznych pierwiastka

Elektrony walencyjne decydują o chemicznych właściwościach pierwiastków



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wyklad8, Górnictwo i Geologia AGH, Geometria wykreślna, wykłady
Wyklad2, Górnictwo i Geologia AGH, Geometria wykreślna, wykłady
AMFOTERYCZNOSC CHROMU, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
Zadania z wykorzystaniem Prawa Hessa dla I roku GiG, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
Pytania Egzaminacyjne Z Chemii Ogolnej, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
TLENKI AMFOTERYCZNE, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
rebus cz2term+analtdd, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
szereg reakcja, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
AMFOTERYCZNOSC CHROMU, Górnictwo i Geologia AGH, chemia
EGZAMIN Z CHEMII 2008, górnictwo i geologia agh, Od JMK na egzamin z chemii
Wibracje, Górnictwo i Geologia AGH, BHP i egonomia pracy, bhp i ergonomia sprawozdania laborki
Kompendium z transportu, Górnictwo i Geologia AGH, transport w górnictwie

więcej podobnych podstron