Wprowadzenie do chemii

Terminy

• kwantyzacjaProces aproksymacji sygnału ciągłego przez zbiór dyskretnych symboli lub wartości całkowitych.
• częstotliwośćLiczba wystąpień powtarzającego się zdarzenia w jednostce czasu.

Energia elektronów na orbitalach atomowych

Centralną strukturą atomu jest jądro, które zawiera protony i neutrony. Jądro to jest otoczone przez elektrony. Chociaż wszystkie elektrony mają ten sam ładunek i tę samą masę, każdy elektron w atomie ma inną ilość energii. Elektrony o najniższej energii znajdują się najbliżej jądra, gdzie siła przyciągania dodatnio naładowanego jądra jest największa. Elektrony, które mają wyższą energię znajdują się dalej.

Kwantyzacja energii

Gdy energia atomu jest zwiększona (na przykład, gdy substancja jest podgrzewana), energia elektronów wewnątrz atomu jest również zwiększona – to znaczy, elektrony są wzbudzone. Aby wzbudzony elektron mógł powrócić do swojej pierwotnej energii, czyli do stanu podstawowego, musi uwolnić energię. Jednym ze sposobów, w jaki elektron może uwolnić energię, jest emitowanie światła. Każdy element emituje światło o określonej częstotliwości (lub kolorze) przy ogrzewaniu, która odpowiada energii elektronowego wzbudzenia.

Pomocne jest myślenie o tym jak o wchodzeniu po schodach. Jeśli nie podnosisz stopy wystarczająco, wpadniesz na stopień i utkniesz na poziomie ziemi. Musisz podnieść swoją stopę do wysokości stopnia, aby przejść dalej. To samo dotyczy elektronów i ilości energii, jaką mogą posiadać. To rozdzielenie elektronów na jednostki energii nazywa się kwantyzacją energii, ponieważ istnieją tylko pewne ilości energii, które elektron może mieć w atomie. Energia światła uwolnionego kiedy elektron spada z wyższego poziomu energetycznego na niższy poziom energetyczny jest taka sama jak różnica w energii pomiędzy tymi dwoma poziomami.

Powłoki elektronowe

Zaczniemy od bardzo prostego sposobu pokazania rozmieszczenia elektronów wokół atomu. Tutaj, elektrony są ułożone w poziomach energetycznych, lub powłokach, wokół jądra atomu. Elektrony, które znajdują się na pierwszym poziomie energetycznym (poziom energetyczny 1) są najbliżej jądra i będą miały najniższą energię. Elektrony bardziej oddalone od jądra będą miały wyższą energię. Powłoka elektronowa atomu może pomieścić 2n2 elektrony, gdzie n jest poziomem energetycznym. Na przykład, pierwsza powłoka może pomieścić 2 x (1)2 lub 2 elektrony. Druga powłoka może pomieścić 2 x (2)2, czyli 8 elektronów.

Jako przykład, fluor (F), ma liczbę atomową 9, co oznacza, że neutralny atom fluoru ma 9 elektronów. Pierwsze 2 elektrony znajdują się na pierwszym poziomie energetycznym, a pozostałe 7 znajduje się na drugim poziomie energetycznym.

Orbitale atomowe

Chociaż elektrony można przedstawić po prostu jako krążące wokół jądra w pierścieniach, w rzeczywistości elektrony poruszają się po ścieżkach, które są znacznie bardziej skomplikowane. Te ścieżki są nazywane orbitalami atomowymi, lub podpowłokami. Istnieje kilka różnych kształtów orbitali – s, p, d, i f – ale na razie skupimy się głównie na orbitalach s i p. Pierwszy poziom energetyczny zawiera tylko jeden orbital s, drugi poziom energetyczny zawiera jeden orbital s i trzy orbitale p, a trzeci poziom energetyczny zawiera jeden orbital s, trzy orbitale p i pięć orbitali d. W obrębie każdego poziomu energetycznego, orbital s ma niższą energię niż orbitale p.

Schemat orbitalny pomaga określić konfigurację elektronową pierwiastka. Konfiguracja elektronowa pierwiastka to rozmieszczenie elektronów w powłokach. Istnieje kilka wskazówek dotyczących opracowania tej konfiguracji:

• Każdy orbital może pomieścić tylko dwa elektrony. Elektrony, które występują razem w orbitalu nazywane są parą elektronową.
• Elektron zawsze będzie próbował wejść na orbital o najniższej energii.
• Elektron może zająć orbital samodzielnie, ale woli zająć orbital o niższej energii z innym elektronem zanim zajmie orbital o wyższej energii. Innymi słowy, w ramach jednego poziomu energetycznego, elektrony będą wypełniać orbitale s przed rozpoczęciem wypełniania orbitali p.
• Powłoka s może pomieścić 2 elektrony.
• Powłoka p może pomieścić 6 elektronów.

Konfiguracje elektronowe mogą być używane do racjonalizacji właściwości chemicznych zarówno w chemii nieorganicznej jak i organicznej. Jest ona również używana do interpretacji widm atomowych, metody używanej do pomiaru energii światła emitowanego z pierwiastków i związków chemicznych.

.