Tanulási cél
- Meghatározza az elemek és ionok elektronkonfigurációját, azonosítva az elektronhéjak és alhéjak közötti kapcsolatot.
Kulcspontok
- Ha egy atom energiáját növeljük, az atomban egy elektron gerjesztett állapotba kerül. Ahhoz, hogy visszatérjen alapállapotába, az elektron energiát szabadít fel. Az elektron energiaszintjének csökkenésekor felszabaduló fény energiája megegyezik a két szint közötti energiakülönbséggel.
- Egyszerűen nézve az elektronok héjakban helyezkednek el az atommag körül. Az atommaghoz legközelebbi elektronok rendelkeznek a legalacsonyabb energiával. Az atommagtól távolabb lévő elektronoknak nagyobb energiájuk van. Egy atom elektronhéja 2n2 elektront képes befogadni (ahol n a héjszint).
- Egy reálisabb modellben az elektronok atomi pályákon vagy alhéjakban mozognak. Négy különböző pályaforma létezik: s, p, d és f. Az egyes héjakon belül az s alhéj alacsonyabb energiájú, mint a p. Az atom elektronkonfigurációjának meghatározásához egy pályadiagramot használunk.
- Az atom elektronkonfigurációjának meghatározására vannak irányelvek. Egy elektron a legalacsonyabb energiájú orbitálisra kerül. Minden orbitális csak egy elektronpárt képes befogadni. Az elektronok egy héjon belül a lehető legnagyobb mértékben elkülönülnek egymástól.
Kifejezések
- KvantálásA folyamat, amelynek során egy folytonos jelet diszkrét szimbólumok vagy egész számértékek halmazával közelítünk.
- frekvenciaEgy ismétlődő esemény időegységenkénti előfordulásának száma.
Az elektronok energiája az atomi pályákon
Az atom központi szerkezete az atommag, amely protonokat és neutronokat tartalmaz. Ezt az atommagot elektronok veszik körül. Bár ezek az elektronok mind azonos töltéssel és tömeggel rendelkeznek, az atomban minden egyes elektron különböző energiával rendelkezik. A legalacsonyabb energiájú elektronok az atommaghoz legközelebb találhatók, ahol a pozitív töltésű atommag vonzóereje a legnagyobb. A nagyobb energiájú elektronok távolabb találhatók.
Energiakvantálás
Amikor egy atom energiája megnő (például egy anyag melegítésekor), az atomban lévő elektronok energiája is megnő – vagyis az elektronok gerjesztődnek. Ahhoz, hogy a gerjesztett elektron visszatérhessen eredeti energiájába, vagyis alapállapotába, energiát kell leadnia. Az elektron az energia felszabadításának egyik módja a fénykibocsátás. Minden elem egy adott frekvenciájú (vagy színű) fényt bocsát ki melegítéskor, amely megfelel az elektrongerjesztés energiájának.
Segít, ha ezt úgy képzeljük el, mintha egy lépcsőn mennénk felfelé. Ha nem emeljük fel eléggé a lábunkat, akkor nekimegyünk a lépcsőfoknak, és a földszinten ragadunk. A továbbhaladáshoz fel kell emelned a lábad a lépcsőfok magasságáig. Ugyanez vonatkozik az elektronokra és az energiájuk mértékére is. Az elektronoknak ezt az energiaegységekre való szétválasztását az energia kvantálásának nevezzük, mert egy elektron csak bizonyos mennyiségű energiával rendelkezhet egy atomban. A fény energiája, amely akkor szabadul fel, amikor egy elektron egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabb energiaszintre esik le, megegyezik a két szint közötti energiakülönbséggel.
Elektronhéjak
Egy nagyon egyszerű módszerrel kezdjük az elektronok atom körüli elrendeződésének bemutatását. Itt az elektronok energiaszintekbe vagy héjakba rendeződnek az atommag körül. Az első energiaszinten (1. energiaszint) lévő elektronok vannak a legközelebb az atommaghoz, és nekik lesz a legkisebb energiájuk. Az atommagtól távolabb lévő elektronok energiája magasabb. Egy atom elektronhéja 2n2 elektront tud befogadni, ahol n az energiaszint. Az első héj például 2 x (1)2 vagy 2 elektront tud befogadni. A második héj 2 x (2)2, azaz 8 elektront tud befogadni.
A fluor (F) atomi száma például 9, ami azt jelenti, hogy egy semleges fluoratomnak 9 elektronja van. Az első 2 elektron az első energiaszinten található, a többi 7 pedig a második energiaszinten.
Atomi pályák
Noha az elektronok egyszerűen úgy ábrázolhatók, hogy gyűrűkben keringenek az atommag körül, a valóságban az elektronok sokkal bonyolultabb pályákon mozognak. Ezeket az utakat atomi pályáknak vagy alhéjaknak nevezzük. Többféle pályaforma létezik – s, p, d és f -, de mi most elsősorban az s és p pályákra fogunk koncentrálni. Az első energiaszint csak egy s-orbitált tartalmaz, a második energiaszint egy s- és három p-orbitált, a harmadik energiaszint pedig egy s-, három p- és öt d-orbitált. Az egyes energiaszinteken belül az s-orbitál alacsonyabb energiájú, mint a p-orbitálok.
A pályadiagram segít meghatározni egy elem elektronkonfigurációját. Egy elem elektronkonfigurációja az elektronok elrendeződése a héjakban. Ennek a konfigurációnak a kiszámításához van néhány irányelv:
- Minden orbitális csak két elektront képes befogadni. Az egy orbitálon együtt előforduló elektronokat elektronpárnak nevezzük.
- Az elektron mindig a legkisebb energiájú orbitálba próbál belépni.
- Az elektron egyedül is elfoglalhat egy orbitált, de inkább egy alacsonyabb energiájú orbitált foglal el egy másik elektronnal, mielőtt egy magasabb energiájú orbitált foglalna el. Más szóval, egy energiaszinten belül az elektronok előbb töltenek ki egy s-orbitált, mielőtt elkezdenék a p-orbitálok betöltését.
- Az s-alsóhéjba 2 elektron fér el.
- A p-alsóhéjba 6 elektron fér el.
Az elektronkonfigurációkat a szervetlen és a szerves kémiában egyaránt használhatjuk kémiai tulajdonságok racionalizálására. Az atomspektrumok értelmezéséhez is használják, amely az elemek és vegyületek által kibocsátott fény energiájának mérésére használt módszer.
.