Orbitali atomici, substratul 6d

Fiecare tip de atom are un număr de electroni distinct, care este identic cu numărul de protoni (atunci când numărul de electroni este diferit, vorbim de ioni). Atomul de hidrogen, de exemplu, care este cel mai simplu atom, are un electron, dar atomul de aur are 79 de electroni. Electronii sunt distribuiți în cadrul învelișului electronic după reguli foarte stricte. Iată în continuare tot ce trebuie să știți despre distribuirea electronilor în cadrul unui atom.

Pentru că am amintit ioni... Ce este un ion? Un ion este un atom, o moleculă sau un grup de atomi ce nu este neutru din punct de vedere electric. De exemplu, un atom care primeşte un electron devine ion negativ, iar un atom care cedează un electron devine ion pozitiv. Nu vorbim despre ioni în acest articol, dar am vrut să lămurim lucrurile :)

Atomul încă păstrează nenumărate mistere. Despre misterul din nucleul atomic am scris aici: Nimeni nu știe ce se întâmplă în interiorul unui atom. Și în ce privește electronii multe rămân nelămurite. De exemplu, deși în acest articol, pentru claritate, vom folosi reprezentări grafice care induc ideea aranjării spațiale a electronilor în orbite, nimeni nu știe ce fac electronii; dacă se rotesc, dacă apar doar în momentul măsurătorii de nu se știe unde... Ideea de bază este: uitați de acea reprezentare clasică, în conformitate cu care electronii orbitează nucleul atomic, așa cum orbitează planetele Soarele. Nu este în acord cu mecanica cuantică. Știm că electronii există, pentru că i-am detectat, știm ce reguli respectă în cadrul structurii atomice, știm că sunt responsabili de proprietățile chimice ale atomilor (cum interacționează cu alți atomi), dar nu știm cum anume arată și nici în ce tip de mișcare sunt implicați.

Cu toate acestea, pe partea pozitivă, trebuie spus că fizicienii au lămurit configurația electronică a primilor 108 atomi din cei 118 din tabelul periodic al elementelor. Cu mențiunea că de la elementul 95 la 118 vorbim de atomi produși în laborator, dar pe care nu i-am identificat în natură.

Vezi aici posterul nostruTabelul periodic al elementelor” (Are o rezoluție foarte bună, e în lb. română, îl poți descărca și poți face ce vrei cu el! De exemplu, îl poți scoate la imprimantă și face cadou profesoarei de chimie :))


Cum sunt organizați electronii, pe scurt

Electronii se găsesc în ceea ce se numește „învelişul electronic”, adică spaţiul din jurul nucleului electronic în care se găsesc electronii atomului.

În funcție de energia de care dispun, electronii sunt ordonaţi pe trei paliere: niveluri energetice, care au substraturi energetice, care dispun de orbitali.

 


Click dreapta pe imagine - Open image in new Tab (pt. o rezoluție superioară)


Luând în calcul numărul de atomi analizat (108), vorbim despre șapte niveluri energetice: 1, 2, 3, 4, 5, 6 și 7 (acestea mai sunt notate și cu: K, L, M, N, O, P și Q).
Nivelul 1 are un singur subnivel: s (de la eng. sharp).
Nivelul 2 are două subniveluri: s și p (eng: principal).
Nivelul 3 are trei subniveluri: s, p și d (eng. diffus).
Nivelul 4 are patru subniveluri: s, p, d și f (eng. fundamental).
Nivelul 5 are patru subniveluri: s, p, d și f.
Nivelul 6 are trei subniveluri (ocupate): s, p și d.
Nivelul 7 are un subnivel (ocupat): s
Am luat în calcul primele 108 elemente chimice din tabelul periodic ale elementelor.

Orbitalii reprezintă volumul din jurul nucleului atomic în care probabilitatea de a găsi un electron cu o anumită cantitate de energie este de 90%. Unui orbital îi pot fi atribuiţi maximum 2 electroni, care trebuie să aibă spin diferit; aceasta este o consecință a principiului de excluziune a lui Pauli (vezi mai jos detalii). Partea interesantă este că nu vom ști niciodată unde se află un electron până nu îl măsurăm. În principiu, este posibil să fie la un moment dat oriunde în univers. De aici cele 90 de procente. Un orbital nu are nicio legătură cu o orbită.

Fiecare subnivel are un număr de orbitali, după cum urmează:
Subnivelul s are 1 orbital.
Subnivelul p are 3 orbitali.
Subnivelul d are 5 orbitali.
Subnivelul f are 7 orbitali.

Dacă punem totul împreună, notația pentru a indica poziția unui electron poate fi, de exemplu: 3s, însemnând „nivelul 3”, „subnivelul s”. Ori 5d, însemnând „nivelul 5”, „subnivelul d”.

Atomul cu 108 electroni, hassiu, are următoarea distribuție electronică: 1s2 2s2 2p6 3s3 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f14 6s2 6p6 6d6 7s2. Ce am făcut a fost să completăm fiecare orbital din fiecare strat energetic și substrat energetic, câte doi electroni pe fiecare orbital. În fiecare grupare de 3 semne, primul indică stratul, al doilea substratul, al treilea numărul de atomi pe respectivul substrat; exemplu: 7s2, 7 - stratul cu nr. 7, s - substratul s, iar 2 - numărul de atomi pe substrat, 2.

Cam asta este povestea, în esență. Aruncați o privire pe imaginea de mai sus și vedeți dacă acum lucrurile au sens. Lucrurile sunt, desigur, mai complicate. Mai sunt multe de explicat. Articolul continuă, dar structura fundamentală a completării orbitalilor de către electroni a fost deja explicată.

Sunt anumite reguli după care electronii pot ocupa un anumit loc în structura orbitală a atomului, reguli care țin, în esență, de mecanica cuantică.


Câți electroni sunt posibili pe fiecare nivel energetic?


Cum se calculează numărul maxim de electroni de pe fiecare nivel energetic? Folosind formula: 2xn2, unde n este numărul nivelului. Astfel, pe primul nivel vom avea maximum 2 electroni, pe nivelul 2 vom avea 2x2^2, adică 8, pe nivelul energetic numărul 3 vom avea 2x3^2, adică 18, pentru nivelul 4 vom avea 2x4^2, adică 32 şamd.

Dacă ne raportăm la subniveluri, vom avea următorul număr maxim de electroni pe fiecare subnivel:
• 1s - 2 electroni.
• 2s - 2 electroni
• 2p - 6 electroni (8, în total, pt nivelul 2)
• 3s - 2
• 3p - 6
• 3d - 10 (în total 18 pt nivelul 3)
• 4s - 2
• 4p - 6
• 4d - 10
• 4f - 14 (în total 32)

De asta ai nevoie pentru a înțelege configurația celor 108 atomi pe care-i prezentăm în clipul de mai jos.



Erwin Schrödinger și funcția de undă

Schrödinger (1887-1961) a gândit atomul ca un sistem tridimensional de unde. Ideea de orbită dispare din concepţia modului de funcţionare a atomului. Electronii sunt limitați la anumite zone din jurul nucleului, ceea ce survine în urma interacţiunilor dintre nucleu şi electroni.

Schrödinger a scris în anul 1926 un set de ecuaţii ori funcţii de undă pentru a descrie electronul. Conform ecuaţiilor electronii sunt distribuiţi în zone din jurul nucleului numite orbitali. Cu cât un orbital are o mai mare densitate, cu atât probabilitatea de a găsi un electron este mai mare.


Cele patru numerele cuantice

Funcţia de undă a unui electron este descrisă ca un set de patru numere cuantice: numărul cuantic principal <n>, numărul cuantic unghiular (secundar) <l>, numărul cuantic magnetic <ml> și spinul <ms>.

1. Numărul cuantic principal, n, descrie apartenenţa unui electron la un anumit nivel energetic. Poate lua valori de la 1 la infinit (noi am menționat 6 mai sus). Odată cu creşterea numărul cuantic principal, creşte şi energia electronului, iar orbitalii ocupă un spaţiu mai mare.

2. Numărul cuantic secundar, l: acesta descrie apartenenţa electronilor la un anumit subnivel (subnivelurile sunt notate, cum ai observat mai sus, cu s, p, d și f).

3. Numărul cuantic magnetic, ml: descrie orientarea spaţială a orbitalilor; care identifică orbitalii în cadrul substraturilor, iar fiecare valoare a lui ml corespunde uneia din orientările permise pentru câmpul magnetic asociat orbitalului (pentru un substrat „p” - ml poate fi -1,0 sau 1, pentru un substrat „d”, ml poate fi -2,-1,0,1 sau 2 șamd.

4. Numărul cuantic de spin, ms: descrie impulsul propriu de rotaţie al electronilor şi poate avea valorile +1/2 sau -1/2. Pe un orbital încap maxim 2 electroni, primul ocupant fiind de spin paralel (+1/2), iar al doilea, în mod obligatoriu, de spin opus.


După ce reguli ocupă electronii orbitalii?

Distribuirea electronilor în învelişul electronic respectă trei principii: principiul excluziunii al lui Pauli, principiul energetic şi regula lui Hund.

1. Principiul excluziunii, formulat de Wolfgang Pauli în 1925, afirmă că în învelişul electronic al unui atom nu pot exista doi electroni cu aceleaşi patru numere cuantice în acelaşi timp. Aşadar, pentru doi electroni identici, dacă numerele cuantice n, l şi ml sunt identice, ms, spinul, trebuie să fie diferit.

2. Principiul energetic spune că orbitalii sunt ocupaţi cu electroni în ordinea creşterii energiei.

Ordinea completă a completării orbitalilor este următoarea: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p. La o analiză rapidă o să observați că electronii aleg uneori un subnivel superior (5s) înaintea unuia inferior (4d); motivul este că uneori energia unui substrat superior (5s) este mai mică decât cea a unui inferior (4d), iar regula este ca ocuparea să se facă în mod crescător, în funcție de nivelul de energie.

3. Regula lui Hund afirmă că la ocuparea cu electroni a orbitalilor se ocupă mai întâi orbitalii care corespund unui subnivel cu câte un electron cu spin paralel, după care orbitalii se ocupă cu un al doilea electron de spin antiparalel.

 


Ordinea în care se completează substraturile energetice din învelișul electronic
Credit: www.technologyuk.net/science/matter/electron-shells-and-orbitals.shtml

 

Regula lui Madelung privind completarea orbitalilor

O regulă simplă ce poate fi folosită în majoritatea cazurilor pentru a stabili ordinea în care se completează cu electroni orbitalii se numește „regula lui Madelung”, care a fost creată de fizicianul german Erwin Madelung (1881-1972).

Regula lui Madelung spune că orbitalii atomici sunt completați în ordinea creșterii valorii sumei primelor două numere cuantice (n+l). Regula este ușor de aplicat în forma sa grafică:

 


Regula lui Madelung privind completarea cu electroni a orbitalilor atomici



Aceste reguli le veți vedea aplicate în videoclipul de la finalul articolului. Trebuie însă spus că există și excepții la la regula lui Hund (dar nu vom insista pe acest aspect în articol).


Orbitalii hidrogenului




Ați văzut această reprezentare a orbitalilor atomului de oxigen în mai multe articole scientia, dacă mai intrați din când în când pe acest site. Este prima dată când explicăm însă ce vedeți de fapt în această reprezentare grafică. Ce înseamnă acele cifre?

În fapt, nu sunt multe explicat pentru a pricepe imaginea de mai sus, fără a intra în detalii. Un orbital sau mai mulți sunt asociați fiecărui subnivel energetic (vezi mai sus câți orbitali sunt pe fiecare substrat energetic). Dar forma fiecărui orbital este determinată de numerele cuantice.

Ce vedeți în imagine în interiorul parantezelor (ex: (2,0,0) sau (3,0,0)) sunt trei numere cuantice: <n>, <l> și <ml> (vezi mai sus ce înseamnă fiecare).

Știind că atomul de hidrogen are un singur electron, poate vă întrebați: ce caută în stratul energetic nr. 2 sau 3? Electronii se găsesc, de regulă, în stratul energetic cu cea mai mică energie, dar aceștia fac „salturi cuantice” atunci când primesc cantitatea de energie potrivită (electronii trebuie să primească o cantitate anume de energie pentru a fi în stare să efectueze un salt cuantic; energia este discretă, nu continuă).

Ce înseamnă aceste „salturi cuantice”? Saltul de pe un strat energetic pe alt strat energetic. Interesant și bizar este că saltul între straturi se face fără a trece prin zone intermediare... Pur și simplu electronul dispare dintr-un strat și apare într-altul. Iar în funcție de stratul în care se află și celelalte numere cuantice amintite, „norul de probabilitate”, adică spațiul în care am putea găsi electronul, este descris de orbitalii specifici.


Nodurile orbitale

Majoritatea orbitalilor au unul sau mai multe noduri orbitale. Aceste „noduri” sunt, în fapt, puncte în care probabilitatea de a identifica un electron este zero.

 


Noduri orbitale pe substraturile 1s, 2s și 3s



Există două tipuri de noduri: radiale și unghiulare. Nodurile radiale pot fi observate în imaginea de mai sus.

Numărul de noduri crește odată cu numărul cuantic principal „n” (adică numărul stratului energetic). Există și o formulă foarte simplă pentru a determina numărul de noduri, în funcție e stratul energetic: nr. noduri = n - 1, unde „n” este numărul stratului energetic. Prin urmare, pe stratul numărul 2 vom avea un nod, pe stratul 3 vom avea două noduri șamd. De asemenea, există formule pentru determinarea și a numărului de noduri radiale și unghiulare, în funcție de numărul cuantic principal și de numărul cuantic secundar „l”.

 


Structura nodală a orbitalului electronic al unui atom de hidrogen plasat într-un câmp electric static (detalii aici)




Reprezentarea grafică a orbitalilor (selectiv)

Orbitalul 1s - nivelul energetic nr.1 / subnivelul s

 

Orbitalul 1s

 

Orbitalul 2p - nivelul energetic nr.2 / subnivelul p

Orbitalul 2p


Orbitalul 3d - nivelul energetic nr.3/ subnivelul d

 

Orbitalul 3d

 

Orbitalul 7f - nivelul energetic nr.7 / subnivelul f

 

Orbitalul 7f

Credit: Mark Winter (vezi aici mai multe imagini ale orbitalilor atomici). Și prima imagine a articolului a fost preluată de pe același site.

 

Orbitalii atomici sunt ceea ce avem cel mai aproape de forma reală a unui atom, în fapt, cu toate necunoscutele privind atomii și electronii. Dar atenție! Forma orbitalilor nu dă forma unui atom dacă avem de-a face cu mai mulți electroni, ci forma integrată a orbitalilor electronilor. Un articol pe tema formei atomilor puteți citi aici: O vizualizare a atomului mai aproape de „realitate”


Distribuția electronilor pentru primele 108 elemente din tabloul periodic al elementelor



Credit: javalab.org/en/electron_configuration_en

 

În final, vă propunem un videoclip care trece rapid prin cele mai importante aspecte ale teoriei atomice (lb. engleză).


Atomul - o scurtă introducere

[explicațiile privind configurația electronilor încep la minutul 11:45]

Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Fii primul care comentează.

Spune-ne care-i părerea ta...
caractere rămase.
Ești „vizitator” ( Fă-ți un cont! )
ori scrie un comentariu ca „vizitator”

 



Ar fi util dacă ne-ai sprijini cu o donație!
Donează
prin PayPal ori
Patron


Contact
| T&C | © 2021 Scientia.ro