Structura învelişului electronic

 

Învelişul electronic al unui atom este format din:

• straturi
• substraturi
• orbitali

Modelele atomice sunt modele teoretice prin care oamenii de ştiinţă au încercat să explice, de-a lungul timpului, structura unui atom.

Un orbital este zona din jurul nucleului unde electronii se găsesc cu probabilitate maximă. Această definiţie este dată conform modelului atomic propus în 1930 de fizicianul Erwin Schrӧdinger, model ce nu a fost încă infirmat.

Straturile electronice sau straturile de electroni sunt zone difuze, situate la distanţe diferite de nucleu. Învelişul electronic al unui atom poate fi structurat în straturi de electroni notate cu litere de la K la Q, sau cu cifre de la 1 la 7.

Numărul maxim de electroni care se găsesc în fiecare strat este dat de următoarea regulă, valabilă pentru n $\le$ 4: un strat de electroni poate fi ocupat de maxim 2 x n² e^-.

Fiecare strat conţine unul sau mai multe substraturi, iar substraturile conţin orbitali. Substraturile se deosebesc între ele prin nivelul de energie şi prin numărul maxim de electroni pe care îi pot conţine.

Tipuri de orbitali: exista 4 tipuri de orbitali – orbitali s, orbitali p, orbitali d şi orbitali f. După nivelul de energie caracteristic, orbitalii se ordonează astfel: s, p, d, f; deci orbitalii s au energia cea mai joasă, şi orbitalii f au cel mai ridicat nivel de energie. Substraturile sunt formate din orbitali de acelaşi tip, şi au aceeaşi energie.

Strat	1 (K)	2 (L)	3 (M)	4 (N)	5 (O)	6 (P)	7 (Q)
Substraturi	1s	2s; 2p	3s; 3p; 3d	4s; 4p; 4d; 4f	5s; 5p; 5d; 5f	6s; 6p; 6d; 6f	7s; 7p; 7d; 7f

 

Mişcarea de spin este mişcarea electronului în jurul propriei axe.

Un orbital poate fi ocupat de maximum 2 e^- de spin opus. Reprezentarea simbolică a unui orbital ocupat cu cei 2 e^- de spin opus:     sau   

Orbitalii de tip s: au formă sferică, pot fi ocupaţi de maxim 2 e-. În substraturile s, se găseşte un singur orbital s.

Orbital s

Orbitalii de tip p: au forma a doi lobi simetrici cu orientare precisă în spaţiu. Un substrat p este format din 3 orbitali de tip p: p_x, p_y şi p_z, fiecare orientat după una din cele trei direcţii ale axelor de coordonate xyz. Într-un substrat p, pot intra maxim 6 e^-, câte 2 e^- pe fiecare din cei trei orbitali p.

În fiecare strat care conţine atât orbitali s cât şi orbitali p, orbitalii s sunt aranjaţi la un nivel energetic inferior faţă de orbitalii p.

Diagrama energetică pentru primele două straturi electronice

 

Orbitalii de tip d: au structuri complicate. Într-un substrat d se găsesc 5 orbitali d. Aceştia pot fi ocupaţi cu maximum 10 e^-, câte doi e^- pentru fiecare din cei 5 orbitali d.

Orbitalii de tip f: au structuri complicate. Într-un substrat f se găsesc 7 orbitali de tip f care pot fi ocupaţi cu maximum 14 e^-, câte doi e^- pentru fiecare din cei 7 orbitali f.

 

 

Exemplu – Structura învelişului electronic a unui atom cu 4 straturi electronice complet ocupate:

 

 

Învelișul electronic sau învelișul de electroni al atomului reprezintă totalitatea electronilor care gravitează în jurul nucleului unui atom. Învelișul de electroni este format din straturi electronice; un strat electronic poate avea mai multe substraturi, iar substraturile, la rândul lor, conțin orbitali. 

În mișcarea lor rapidă în jurul nucleului, electronii nu urmează niște traiectorii precise; însă, ei se pot găsi, cu probabilitate maximă, în anumite regiuni ale spațiului din jurul nucleului, formând nori electronici (nori de electricitate negativă) numiți orbitali. 

Atomul de hidrogen are un singur electron; în mișcarea sa neîntreruptă, electronul se poate apropia mai mult sau mai puțin de nucleu, menținându-se în interiorul unei regiuni de formă sferică (orbital de tip s, de simetrie sferică). 

Pe lângă mișcarea în jurul nucleului, electronul execută și o mișcare în jurul axei sale, numită mișcare de spin. Mișcarea de spin se poate produce în două sensuri: una în sensul mișcării acelor unui ceasornic, și alta în sens invers. Dacă un electron se rotește într-un sens și alt electron se rotește în sens opus, se spune că cei doi electroni au spin opus. 

Într-un orbital nu pot exista decât maximum doi electroni cu spin opus, numiți electroni cuplați.

Straturile de electroni sunt zone difuze situate la distanțe diferite de nucleu și sunt notate fie cu litere de la K la Q (K, L, M, N, O, P, Q), fie cu cifre de la 1 la 7. Numerotarea straturilor se face dinspre nucleu spre exterior: primul strat, cel mai apropiat de nucleu, se notează cu 1 (sau K), stratul următor cu 2 (sau L) și așa mai departe. Energia electronilor este cu atât mai mică cu cât aceștia sunt mai apropiați de nucleu; astfel, electronii cu energia cea mai mică se află în stratul 1 (stratul K); cea mai mare energie o au, într-un atom, electronii din ultimul strat, numit și strat de valență. 
 

Configuraţia electronică a elementelor din primele trei perioade

(elementele cu Z =1 până la Z = 18)

 

Configuraţia electronică reprezintă distribuţia electronilor în straturile, substraturile şi orbitalii care formează învelişul electronic al unui atom.

Distribuţia electronilor în învelişul electronic depinde de anumite reguli, sau principii. Aceste principii sunt următoarele:

1. Principiul stabilităţii sau al minimei energii: electronii preferă să ocupe niveluri de energie cât mai joase, astfel că orbitalii sunt ocupaţi în ordinea creşterii energiei lor – s, p, d, f.
2. Principiul lui Pauli sau de excluziune: fiecare orbital al unui atom poate fi ocupat cu maximum doi electroni de spin opus.

                                                                           sau   

3. Regula lui Hund: orbitalii primesc câte un electron cu acelaşi spin (spin paralel), şi numai după ce toţi orbitalii substratului sunt astfel ocupaţi cu câte un electron, se trece la completarea cu cel de-al doilea electron, de spin opus.

Exemplu – completarea substratului 2p cu electroni:

pasul 1: se completează orbitalii cu câte un e^- de spin paralel

pasul 2: se completează orbitalii cu electronul de spin opus

Excepţii de la principiul minimei energii:

• orbitalul 4s are o energie mai joasă decât orbitalii 3d;
• orbitalul 5s are o energie mai joasă decât de orbitalii 4d;
• există şi alte excepţii cu privire la orbitalii de tip f, însă acestea nu fac obiectul lecţiei de faţă.

 

Diagramă de energie – reprezentarea nivelurilor energetice în funcţie de nivelul de energie al fiecărui orbital pentru primele 5 straturi electronice.

 

Învelişul electronic al fiecărui element, diferă de învelişul electronic al elementului anterior din tabelul periodic numai printr-un electron, numit electron distinctiv. Acest lucru este foarte uşor de observat prin configuraţiile electronice ale elementelor. 

Configuraţiile electronice ale elementelor din primele 3 perioade:

 

₃Li:              1s²2s¹

₅B:               1s²2s²2p¹

₆C:               1s²2s²2p²

                      Atenţie la modul de completare cu electroni a substratului 2p!

Orbitalii monoelectronici sunt orbitali ce conţin electroni fără pereche, deci conţin câte un singur electron. Prezenţa acestor orbitali explică reactivitatea elementelor chimice.

Structura de 8 electroni pe ultimul strat se numeşte octet. Elementele care au octet pe ultimul strat au o stabilitate foarte ridicată, sau mai putem spune că au o reactivitate foarte redusă.

₁₀Ne:           1s²2s²2p⁶  

 –  Neonul este un element foarte stabil şi încheie perioada a doua a tabelului periodic.

₁₁Na:           1s²2s²2p⁶3s¹ 

 –  Partea îngroşată a configuraţiei sodiului este identică cu configuraţia neonului, aşadar mai putem scrie configuraţia sodiului în felul următor:  ₁₁Na:  [Ne]3s¹

₁₃Al:             1s²2s²2p⁶3s²3p¹         sau       ₁₃Al:  [Ne]3s²3p¹

₁₈Ar:            1s²2s²2p⁶3s²3p⁶          sau      ₁₈Ar:  [Ne]3s²3p⁶

Configuraţia electronică a elementelor din perioada a 4-a

 

Blocul s al tabelului periodic conţine elementele chimice care au electronul distinctiv în substraturi ce conţin orbitali de tip s.

                      Excepţie: Heliul are electronul distinctiv într-un orbital de tip s, însă în tabelul periodic a fost aşezat în grupa gazelor rare, datorită stabilităţii sale foarte ridicate.

Blocul p al tabelului periodic conţine elementele chimice care au electronul distinctiv în substraturi ce conţin orbitali de tip p.

Ordinea de ocupare a orbitalilor cu electroni ţine cont de nivelul energetic al substraturilor, şi este următoarea:

În ordinea de ocupare a orbitalilor cu electroni se observă că se completează mai întâi substratul 4s, şi abia apoi se completează substratul 3d. Acest lucru se întâmplă deoarece orbitalii 3d se află într-un nivel energetic mai ridicat decât 4s, chiar dacă orbitalii 3d se află în stratul 3, iar orbitalul 4s se află în stratul 4.

₁₉K:              1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹  

₂₀Ca:            1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Atenţie! Există o diferenţă între ordinea de ocupare cu electroni şi configuraţia electronică. La scrierea configuraţiei electronice se aşează orbitalii ocupaţi cu electroni din fiecare strat în ordinea crescătoare a numărului stratului, n (cu n având valori de la 1 la 7), din care fac parte. Astfel se poate face diferenţa dintre electronii de valenţă şi electronul distinctiv.

Ordinea de ocupare cu e-	Configuraţia electronică
21Sc:            1s22s22p63s23p64s23d1                       [Ar] 4s23d1 e- distinctiv este e- din substratul 3d.	21Sc:            1s22s22p63s23p63d14s2                       [Ar] 3d14s2 e- de valenţă sunt cei doi e- din substratul 4s.

 

Electronul distinctiv este ultimul electron care ocupă un orbital din învelişul electronic.

Electronii de valenţă sunt electronii care se află în stratul exterior, stratul cel mai îndepărtat de nucleu. Electronii de valenţă sunt electronii care reacţionează cu electronii altor elemente deoarece ei au o probabilitate mai ridicată de a fi mai departe de nucleu.

Blocul d al tabelului periodic conţine elementele chimice care au electronul distinctiv în substraturi ce conţin orbitali de tip d. Cele 10 elemente de la Sc la Zn din perioada a 4-a a tabelului periodic, formează prima serie de elemente tranziţionale de tip d.

 

Exemplu – Numărul de electroni de valenţă ai elementului brom.

Ordinea de completare cu e^-:                 ₃₅Br:      1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵

Configuraţia electronica:                         ₃₅Br:      1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

Aşadar, bromul are 7 e^- de valenţă care se găsesc în ultimul nivel ocupat.

 

Excepţii la configuraţia electronică în cazul unor elemente din blocul d: Aceste excepţii apar deoarece nivelurile energetice complet ocupate cu electroni (p⁶, d¹⁰, f¹⁴) cât şi nivelurile energetice semiocupate cu electroni (d⁵, f⁷) au stabilitate mai mare şi sunt preferate de atomi. În cazul perioadei a 4-a, există două excepţii: cromul şi cuprul.

 

Ordinea de ocupare cu e-	Configuraţia electronică
24Cr:            1s22s22p63s23p64s13d5 29Cu:            1s22s22p63s23p64s13d10	24Cr:            1s22s22p63s23p63d54s1 29Cu:            1s22s22p63s23p63d104s1