Obiectiv de învățare
- Determinați configurația electronică pentru elemente și ioni, identificând relația dintre învelișurile și subînvelișurile electronice.
Puncturi cheie
- Dacă energia unui atom este mărită, un electron din atom este excitat. Pentru a reveni la starea sa fundamentală, electronul eliberează energie. Energia luminii eliberate atunci când un electron coboară în nivelul energetic este aceeași cu diferența de energie dintre cele două niveluri.
- Văzut simplu, electronii sunt dispuși în învelișuri în jurul nucleului unui atom. Electronii cei mai apropiați de nucleu vor avea cea mai mică energie. Electronii mai îndepărtați de nucleu vor avea o energie mai mare. Învelișul electronic al unui atom poate găzdui 2n2 electroni (unde n este nivelul învelișului).
- Într-un model mai realist, electronii se deplasează în orbitali atomici, sau în subînvelișuri. Există patru forme orbitale diferite: s, p, d și f. În cadrul fiecărui înveliș, subînvelișul s are o energie mai mică decât cel p. O diagramă orbitală este utilizată pentru a determina configurația electronică a unui atom.
- Există linii directoare pentru determinarea configurației electronice a unui atom. Un electron se va deplasa pe orbitalul cu cea mai mică energie. Fiecare orbital poate conține o singură pereche de electroni. Electronii se vor separa cât mai mult posibil în interiorul unei învelișuri.
Termeni
- cuantizareProcesul de aproximare a unui semnal continuu printr-un set de simboluri discrete sau valori întregi.
- frecvențăNumărul de apariții ale unui eveniment care se repetă pe unitate de timp.
Energia electronilor în orbitalele atomice
Structura centrală a unui atom este nucleul, care conține protoni și neutroni. Acest nucleu este înconjurat de electroni. Deși acești electroni au toți aceeași sarcină și aceeași masă, fiecare electron dintr-un atom are o cantitate diferită de energie. Electronii cu cea mai mică energie se găsesc cel mai aproape de nucleu, unde forța de atracție a nucleului încărcat pozitiv este cea mai mare. Electronii care au o energie mai mare se găsesc mai departe.
Cuantizarea energiei
Când energia unui atom este crescută (de exemplu, atunci când o substanță este încălzită), energia electronilor din interiorul atomului este, de asemenea, crescută – adică, electronii sunt excitați. Pentru ca electronul excitat să revină la energia sa inițială, sau la starea fundamentală, trebuie să elibereze energie. Un mod în care un electron poate elibera energie este prin emiterea de lumină. Fiecare element emite lumină la o anumită frecvență (sau culoare) la încălzire, care corespunde energiei excitației electronice.
Este util să ne gândim la acest lucru ca și cum am urca un rând de trepte. Dacă nu ridicați suficient piciorul, vă veți lovi de treaptă și veți rămâne blocat la nivelul solului. Trebuie să vă ridicați piciorul până la înălțimea treptei pentru a merge mai departe. Același lucru este valabil și pentru electroni și cantitatea de energie pe care o pot avea. Această separare a electronilor în unități de energie se numește cuantificare a energiei, deoarece există doar anumite cantități de energie pe care le poate avea un electron într-un atom. Energia luminii eliberată atunci când un electron coboară de la un nivel energetic superior la un nivel energetic inferior este aceeași cu diferența de energie dintre cele două niveluri.
Învelișuri de electroni
Vom începe cu un mod foarte simplu de a arăta dispunerea electronilor în jurul unui atom. Aici, electronii sunt aranjați în niveluri de energie, sau învelișuri, în jurul nucleului unui atom. Electronii care se află în primul nivel energetic (nivelul energetic 1) sunt cei mai apropiați de nucleu și vor avea cea mai mică energie. Electronii mai îndepărtați de nucleu vor avea o energie mai mare. Învelișul electronic al unui atom poate găzdui 2n2 electroni, unde n este nivelul energetic. De exemplu, primul înveliș poate găzdui 2 x (1)2 sau 2 electroni. Al doilea înveliș poate găzdui 2 x (2)2, sau 8 electroni.
Ca exemplu, fluorul (F), are un număr atomic de 9, ceea ce înseamnă că un atom neutru de fluor are 9 electroni. Primii 2 electroni se găsesc în primul nivel de energie, iar ceilalți 7 se găsesc în al doilea nivel de energie.
Orbitali atomici
Deși electronii pot fi reprezentați pur și simplu ca și cum ar înconjura nucleul în inele, în realitate, electronii se deplasează de-a lungul unor traiectorii care sunt mult mai complicate. Aceste traiectorii se numesc orbitali atomici, sau subshell-uri. Există mai multe forme diferite de orbitali – s, p, d și f – dar deocamdată ne vom concentra în principal asupra orbitalilor s și p. Primul nivel energetic conține doar un singur orbital s, al doilea nivel energetic conține un orbital s și trei orbitali p, iar al treilea nivel energetic conține un orbital s, trei orbitali p și cinci orbitali d. În cadrul fiecărui nivel energetic, orbitalul s se află la o energie mai mică decât orbitalii p.
O diagramă orbitală ajută la determinarea configurației electronice a unui element. Configurația electronică a unui element este dispunerea electronilor în învelișuri. Există câteva linii directoare pentru a calcula această configurație:
- Care orbital poate conține doar doi electroni. Electronii care apar împreună pe un orbital se numesc perechi de electroni.
- Un electron va încerca întotdeauna să intre pe orbitalul cu cea mai mică energie.
- Un electron poate ocupa singur un orbital, dar preferă să ocupe un orbital cu energie mai mică împreună cu un alt electron înainte de a ocupa un orbital cu energie mai mare. Cu alte cuvinte, în cadrul unui nivel energetic, electronii vor ocupa un orbital s înainte de a începe să ocupe orbitalii p.
- Subshell-ul s poate conține 2 electroni.
- Subshell-ul p poate conține 6 electroni.
Configurațiile electronice pot fi folosite pentru a raționaliza proprietățile chimice atât în chimia anorganică, cât și în cea organică. Este, de asemenea, folosită pentru a interpreta spectrele atomice, metoda folosită pentru a măsura energia luminii emise de elemente și compuși.