Structura învelișului electronic

În această lecție vom continua să vorbim despre structura atomului, mai precis vom vorbi despre structura învelișului său electronic.

Vom afla ce sunt straturile, substraturile și orbitalii care formează acest înveliș.

Știm deja din lecțiile trecute că atomul e format dintr-un înveliș electronic, unde se găsesc electronii care au sarcină negativă și dintr-un nucleu,

unde se găsesc protonii care au sarcină pozitivă și neutronii care au sarcina zero.

De-a lungul timpului au existat foarte multe teorii cu privire la structura atomului, dar în special învelișul electronic a dat multe bătăi de cap oamenilor de știință.

Aceste teorii s-au concretizat în modele atomice.

Unul din primele modele atomice este cel propus de Ernest Rutherford, un chimist și fizician celebru care a prezentat atomul cu nucleul în centru și cu electronii care se rotosc în jurul său.

Însă, acest model nu a explicat și stabilitatea atomului.

Niels Bohr a propus un model atomic în care electronii se rotesc în jurul nucleului pe traiectorii bine definite, pe care le-a denumit orbite, ceea ce asigură stabilitatea atomului.

Sunt convinsă că acest model vă este familiar.

Chiar dacă a fost infirmat, modelul se mai folosește și astăzi pentru a ne ajuta să vizualizăm într-o primă fază faptul că electronii nu stau locului, ei nu au o poziție fixă în timp și spațiu, ci se mișcă continuu în jurul nucleului.

Erwin Schrödinger, un alt fizician celebru, a elaborat în 1930 un nou model atomic, ce nu a fost încă infirmat.

În modelul atomic al lui Schrödinger, noțiunea de orbită din modelul lui Bohr a fost înlocuită cu cea de orbital.

Schrödinger a explicat că orbitalul este o zonă din jurul nucleului în care electronul se găsește cu cea mai mare probabilitate.

Să luăm, spre exemplu, atomul de hidrogen.

Acesta are un singur electron în învelișul său electronic.

Conform modelului atomic al lui Schrödinger, acest electron are 90% probabilitate să se găsească în primul strat energetic din jurul nucleului.

Deci îl putem găsi aici, pe aici sau aici.

Dar îl mai putem găsi chiar și aici, doar că probabilitatea este mult mai mică.

Poziția unui electron în spațiu este descrisă, deci, de o funcție de probabilitate.

Așadar, conform acestui model atomic, un orbital este zona din jurul nucleului unde putem găsi electronul cu probabilitate maximă.

Învelișul electronic al unui atom poate fi structurat în straturi de electron care sunt zone difuze situate la distanțe diferite de nucleul.

Straturile de electron sunt notate cu litere de la K la Q, L, M, N, O, P sau cu cifre de la 1 la 7.

Deci, într-un atom sunt ocupate cu electronii un număr de N straturi, unde N poate fi orice cifră de la 1 la 7.

Numărul maxim de electron care se găsesc în fiecare strat este dat de următoarea regulă valabilă pentru N mai mic sau egal cu 4.

Un strat N poate fi ocupat de maximum 2 ori N la puterea a doua electron.

Deci, fiecare strat conține unul sau mai multe substratul, iar substraturile la rândul lor conțin orbitali.

Substraturile dintr-un strat se deosebesc între ele prin nivelul de energie și prin numărul maxim de electron pe care îi pot conține.

Bun, după cum am mai spus și mai devreme, orbitalul nu descrie un traseu fix al electronului,

ci probabilitatea maximă ca acel electron să se afle într-o anumită zonă la o anumită distanță de nucleu la un moment dat.

Există patru tipuri de orbitali și anume orbital de tip S, de tip P, D și orbital de tip F.

După nivelul de energie caracteristic, orbitalii se ordonează chiar în acest fel.

Substraturile sunt formate din orbitali de același tip și au aceeași energie.

De exemplu, primul strat, K, are un singur substrat denumit 1S.

Al doilea strat, L, are două substraturi numite 2S și 2P.

Al treilea strat energetic, M, are trei substraturi, 3S, 3P și 3D.

Al patrulea strat, N, are patru substraturi, 4S, 4P, 4D și 4F.

Al cincilea strat energetic are tot patru substraturi și anume 5S, 5P, 5D și 5F.

Și tot așa.

Pe lângă faptul că sunt într-o mișcare continuă în jurul nucleului, electronii execută și o mișcare în jurul propriei axe, exact așa cum Pământul se rotește și în jurul axei sale.

Această mișcare a electronilor în jurul propriei axe se numește mișcare de spin și se poate face în două sensuri opuse.

Un orbital poate fi ocupat de maximum două electroni care se rotesc în jurul axeilor în sensuri opuse, adică care au spin opus.

Aceasta este reprezentarea simbolică a unui orbital complet ocupat cu cei două electroni de spin opus.

Tot simbolic, un orbital complet ocupat se reprezintă și astfel mai pe scurt.

Fiecare tip de orbital are o anumită formă geometrică, dar are energii diferite în funcție de substratul în care se găsește.

Orbitalii de tip S au formă sferică și pot fi ocupați de maximum două electroni.

În substraturile S se găsește un singur orbital S.

Orbitalii de tip P au forma a doi loci simetrici cu o orientare precisă în spațiu.

Un substrat P e format din trei orbitali de tip P, ce anume Px, Py și Pz, orientat după una din cele trei direcții ale axelor de coordonate x, y sau z.

Deci putem reprezenta în acest fel orbitalul Px sau orbitalul Py și acesta este orbitalul Pz.

Într-un substrat P pot intra maxim șase electroni, câte doi pe fiecare orbital de tip P.

În fiecare strat, orbitalul S este situat la un nivel energetic inferior celui la care sunt orbitalii P.

Voi reprezenta aici schematic aceste nivele de energie.

Acesta este sensul în care crește energia.

În primul strat, K, avem substratul 1S în care se găsește un singur orbital S.

În al doilea strat, avem substratul 2S cu un orbital S și substratul 2P cu cei trei orbitali de tip P.

Vedem din diagrama energetică că energia substratului 2P este mai mare decât energia substratului 2S.

Orbitalii de tip D au forme mult mai complicate.

Putem vedea în această imagină.

Pe fiecare substrat D există cinci orbitali D care pot fi ocupați cu maximum zece electroni,

pentru că știm că fiecare orbital se poate ocupa cu doi electroni, deci doi electroni ori cinci orbitali D egal cu zece electroni.

Și, într-un final, orbitalii de tip F, aceștia au forme și mai complicate, deci mult mai greu de redat.

Un substrat F conține șapte orbitali de tip F care pot primi maximum 14 electroni.

În continuare, am pregătit aici un tabel ca să rezumăm împreună datele privind structura învelișului de electron.

În acest caz, e vorba despre structura învelișului de electron a unui atom care are patru straturi ocupate cu electroni.

Avem, deci, stratul cu numărul 1.

Cum am spus și mai devreme, stratul cu numărul 1 are un singur substrat, 1S.

Acesta conține un singur orbital, S, iar numărul maxim de electroni atât în substrat cât și în strat este de doi electroni.

Stratul 2 are două substraturi, 2S și 2P.

În substratul 2S este un singur orbital, S, iar în substratul 2P sunt trei orbitali de tip P.

Numărul maxim de electroni în substratul 2S este 2, iar în cazul substratului 2P este șase electroni.

Iar totalul de electroni din stratul cu numărul 2 este de opt.

În stratul 3 avem trei substraturi, 3S, 3P și 3D.

În substratul 3S este un singur orbital, S.

Substratul 3P conține trei orbitali P, iar substratul 3D conține cinci orbitali de tip D.

Deci maximul de electroni în substraturi este 1 x 2 x 2, 3 x 2 x 6 și 5 x 2 x 10 electroni.

În total avem un număr maxim de 18 electroni pe stratul cu numărul 3.

Și, într-un final, stratul cu numărul 4, care are patru substraturi, 4S, 4P, 4D și 4F.

Numărul de orbital din fiecare substrat este un orbital S, trei orbitali P, cinci orbitali D și șapte orbitali de tip F.

Iar numărul maxim de electroni în aceste substraturi este 1 x 2 x 2, 3 x 2 x 6, 5 x 2 x 10 electroni și 7 x 2 x 14 electroni.

În total, în stratul cu numărul 4, vom avea un număr maxim de 32 electroni.

Și ce putem face noi cu toate aceste informații?

Orbitalii și straturile și substraturile sunt foarte importanti pentru a determina configurația electronică a elementelor chimice,

adică pentru a ști fiecare electron unde se găsește cu probabilitatea cea mai mare.

Asta ne va ajuta să înțelegem mai departe proprietățile elementelor și mai ales să înțelegem felul în care acestea reacționează.

Așadar, vom continua cu o lecție despre configurația electronică.