STRUKTURA ELEKTRONOWA ATOMU Struktura elektronowa atomu określa jak rozmieszczone są elektrony w atomie. To określa właściwości chemiczne danego atomu. Koniec XVII wieku – Christian Huyghens – teoria falowa światła. Początek XVIII wieku - Isaac Newton – teoria korpuskularna światła. Pierwsza połowa XIX wieku – Thomas Young i Augustin Fresnel, dyfrakcja i interferencja światła. Potem zjawiska załamania i polaryzacji światła spowodowały odrzucenie teorii korpuskularnej. Dalsze potwierdzenie teorii falowej światła przyniosły prace Maxwella i Hertza. Określono c = 3·108 m·s–1. c = λν, ν = c/λ 1900 Max Planck, światło jest pochłaniane i emitowane przez ciało doskonale czarne tylko w porcjach o energii E zależnej od ν. Emitowanie w postaci oddzielnych porcji to znaczy kwantowanie. E = hν h = 6,626·10-34 J·s Energia fotonu światła zielonego 500 nm = 500·10-9m=5·10-7m m s c / λ = 5 10 7 m = 6·1014s–1 3 10 8 ν= E (dla 1 fotonu) = 6,626·10-34J·s·6·1014s-1 = 4·10-19J [=2,5eV] Energia 1 mola fotonów 4·10-19J·6,023·1023 = 240000 J = 240 kJ Jest to energia wystarczająca do rozerwania wiązania chemicznego. 1 10-14 prom. kosm. 3x 10-10 1020 x 10-6 UV 1016 3x długość fali (m) 10-2 IR mikr. TV 3x1012 częstotliwość (Hz = s-1) 3 x108 nano = 10-9 m = 10-6 m Światło widzialne fioletowe zakres czerwone 420 nm 700 nm Zjawisko fotoelektryczne – poprawna interpretacja opiera się o postulat Planck’a Energia elektronu zależy od barwy światła. Częstotliwość > 0 (progowe) h h = h 0 + 1 mev2 2 Szybkość elektronów zależy od długości fali (częstotliwości) padającego światła i od rodzaju materiału. Ilość elektronów zależy od natężenia padającego światła. Wzbudzony wodór (wyładowania elektryczne) emituje promieniowanie elektromagnetyczne w postaci dyskretnych linii. Nie jest to widmo ciągłe. Jest to widmo emisyjne wodoru H2 H + H* wzbudzenie H* H emisja 2 En En 3 2 2 2 absorpcja emisja En 1 1 E seria Balmera seria Paschena seria Lymana 410,2 486,1 954,6 656,3 434,0 długość fali, nm 121,6 światło widzialne nadfiolet podczerwień RH 1 n12 n12 2 102,6 97,3 n1 = 1 seria Lymana (UV) n1 = 2 seria Balmera (Vis) RH = stała Rydberga 3,29·1015Hz hυ = E2 – E1 3 n1 = 3 seria Paschena (IR) Wniosek. Tylko niektóre stany energetyczne elektronów w atomie wodoru są dozwolone. Model atomu w. g. Bohra (planetarny) tylko historyczne znaczenie. Dualizm falowo – korpuskularny. Praca doktorska de Broglie. Założył on, że jeżeli promieniowanie wykazuje właściwości korpuskularne to cząstki materii wykazują właściwości falowe. (1923 L. de Broglie ) każdej cząstce materii o masie m, poruszającej się z prędkością v możemy przypisać falę o długości = h mv dla 1 g i 100 km/s = 100 103 m/s = 105 m/s = h mv = 6,63 10-34 J s 10-3 kg 105 m/s = 6,63 . 10-36 m J = kg . m2. s-2 niezwykle krótka fala - nie widać efektów falowych. Dla przedmiotów makroskopowych efekty falowe są bez znaczenia. 4 dla elektronu w atomie v = 2,2 . 106 m/s me = 9,1 . 10-31kg 6,63 .10-34 = 3,3 10-10 m = . . 6 . -31 2,2 10 9,1 10 (długość porównywalna z wielkością atomu) Atom wodoru 110 pm = 110·10–12 m = 1,1·10–10 m Zatem można się spodziewać efektów falowych przy badaniu elektronów w atomie (1927 - Davisson, Germer) - elektrony ugięte na krysztale dają obraz podobny jak promienie świetlne na siatce dyfrakcyjnej (1927 - Werner Heisenberg ) Zasada nieoznaczoności. Nie można jednocześnie dokładnie określić współrzędnych cząstki (położenia w przestrzeni oraz jej pędu p=mv ) mΔvx – nieoznaczoność pędu wzdłuż osi x Δx – nieoznaczoność położenia na osi x (m . vx) x > h/2 (1,046 10-34 J s) m = 1g x = 10-10 m jaki jest błąd .pomiaru v 10-3 kg v.10-10 m > 1,046 .10-34kg m/s2 . s v > 1,046 .10-21 m/s 5 elektron me = 9,1 .10-31 kg v = 1,15 . 106 m/sek. x = 10-10m b. niedokładnie Zatem Elektronowi nie można przypisać dokładnego położenia i pędu. Można podać tylko prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w przestrzeni. Metody fizyki klasycznej źle opisują materię w skali atomowej. Erwin Schrödinger – mechanika falowa (mechanika kwantowa). Ruch elektronu w atomie można opisać ogólnym równaniem dla ruchu falowego, przyjmując dla niego falę o długości wynikającej z zależności de Broglie. Prowadzi to do równań Schrödingera. Rozwiązaniami równań Schrödingera są funkcje zwane funkcjami falowymi (orbitalami) Ψ (psi). Kwadrat wartości funkcji falowej w jakimś miejscu przestrzeni Ψ2 określa prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w danym obszarze przestrzeni Ψ2 – gęstość prawdopodobieństwa. W mechanice kwantowej posługujemy się tylko prawdopodobieństwem znalezienia się elektronu w danym punkcie przestrzeni. 6 x x Dla atomu mamy szereg funkcji falowych (orbitali) i odpowiadające im energie. Tylko niektóre funkcje falowe mają sens fizyczny. Tym funkcjom falowym odpowiadają parametry zwane liczbami kwantowymi. Trzy liczby kwantowe n, l i m opisują dany orbital n główna liczba kwantowa: 1, 3, 3 ... powłoki K, L, M .... Im n większe tym energia elektronu większa; n → ∞, E → 0 Elektrony o tej samej wartości n zajmują tę samą powłokę elektronową. hR H E = – n2 h = stała Planck’a. RH = stała Rydberg’a. l - poboczna liczba kwantowa 0,1,2,3.....n-1 (s,p,d,f ) określa kształt orbitalu,określa podpowłokę Dla atomów (jonów) zawierających więcej niż jeden elektron także ma wpływ na energię elektronu. 7 m - magnetyczna liczba kwantowa -l......0.....+l określa przestrzenne położenie orbitali (funkcji falowych) danej podpowłoki elektronowej. W polu magnetycznym także wpływa na energię elektronu. Sumarycznie dla danego n liczba orbitali = n2. (1920) Stern - Gerlach udowodnienie spinu elektronu Ag ......... 2 prążki Srebro liczba atomowa 47 zatem 47 e 46 elektronów sparowanych 1 elektron niesparowany zachowuje się jak magnes zachowuje się Elektron posiada wewnętrzną cechę zwaną spinem. Jest kwantowana i opisana przez spinową liczbę kwantową przyjmującą wartość s = ½ i s = - ½. Zatem każdy elektron w atomie opisany jest przez 4 liczby kwantowe: n, l, m i s. Sumarycznie dla danego n liczba stanów elektronowych = 2n2. 8 Układ powłok, podpowłok i orbitali w atomie m l n n=3 l=2 d +2 +1 0 -1 -2 l=1 p +1 0 -1 l= 0 s 3d 3p 3s 0 l=1 p +1 0 -1 l=0 s 0 2s l=0 s 0 1s 2p n=2 n=1 Schemat ten pokazuje zasadę rozbudowy powłok ale nie pokazuje energii elektronów obsadzających poszczególne orbitale. Kształt orbitali Orbitale s, powierzchnia graniczna 1s n=1 2s n=2 l=0 R(v)2r dv = S(r) r A Orbitale p. 9 l=0 2px + x x n=2 l=1 m = -1, 0, 1 m=1 (x ) m=0 (y ) m = -1 (z) przyjęto dowolnie jako px, py i pz. Z Py -- + Y Kontur przestrzenny funkcji falowej X z Py Kontur przestrzenny kwadratu funkcji falowej 2 + x y + Kontur przestrzenny chmury elektronowej (pr. np. 90% ) 10 Orbitale d Orbitale 3d n=3 l=2 m= -2, -1, 0, 1, 2 z + - na płaszczyznach xz i yz + gdy x i y dodatnie + x i y ujemne + y dxy x na płaszczyznach x y i z y podobny dxz z z + + - - y + - x + x 3dx2 - y2 3 d z2 - r2 na osi x dodatni na osi y ujemny x=y ( 3 dz2 ) wzdłuż osi z dodatnie 0 11 y STRUKTURY ATOMÓW WIELOELEKTRONOWYCH. ZAKAZ PAULIEGO W atomie nie ma dwóch elektronów o jednakowym zbiorze czterech liczb kwantowych. Orbital = f ( n, l, m ) może opisać stan dwóch elektronów, ale muszą się one różnić spinem. Na jednym orbitalu możemy obsadzić dwa elektrony, ale one różnić spinem. REGUŁA HUNDA Jeżeli w ramach podpowłoki jest dostępnych więcej niż jeden orbital, to obsadzanie jest takie, aby jak najwięcej elektronów było niesparowanych, a ich spiny równoległe S + 1 1 i 2 2 równoległe i antyrównoległe Dostępne orbitale muszą być zdegenerowane to znaczy muszą mieć taką samą energię. 12 Zasada rozbudowy powłok elektronowych Elektrony obsadzają orbitale w miarę wzrastającej energii. Stan podstawowy - obsadzone są orbitale o najniższej energii: He 1s2; wzbudzony 1s12s1. 1s2 2s2 2p3 7 elektronów 7N [ He ] 2s2 2p3 klatki reprezentują orbitale (poziomy orbitalne). Każdy może być obsadzony przez 2 elektrony różniące się spinem 1s2 2s2 Jon F 2px1 2py1 2p1z 9e + 1e = 10e 9F + 1e 1s2 Mg2+ 2s2 12Mg 2p6 = [ Ne ] Każda klatkaorbital 12e - 2e = 10e - 2e 1s2 2s2 2p6 = [ Ne ] 13 Energia orbitali - zależy od przyciągania elektronów - + H +++ - efektywny ładunek jądra Z* = z - s 3Li s= j j - stała ekranow. Reguły Slatera: 1. Ładunek działający na elektron zależy od typu orbitalu obsadzonego przez ten elektron oraz od pozostałych elektronów w atomie. Dla danej liczby n najbardziej trwały (najniższa energia) jest orbital s, dalej p, d i na końcu f. 2. Elektrony na poziomie wyższym od badanego elektronu nie ekranują. 3. Udział elektronów o tej samej liczbie kwantowej wnosi do liczby σ 0.35 ilości elektronów, udział elektronów z powłoki n-1 wynosi 0,85 ilości elektronów. 4. Elektrony na głębszych powłokach oraz elektrony d i f wnoszą udział równy ilości elektronów. 5. Przesuwając się w okresie w prawo efektywny ładunek działający ma ostatni elektron jest coraz większy. 14 Li (Z = 3) σ = 2·0,85 = 1,7 Z* = 1,3 Be (Z = 4) σ = 2·0,85 + 0,35 = 2,05 Z* = 1,95 B (Z = 5) σ = 2·0,85 + 2·0,35 = 2,4 Z* = 2,60 C (Z = 6) σ = 2·0,85 + 3·0,35 = 2,75 Z* = 3,25 N (Z = 7) σ = 2·0,85 + 4·0,35 = 3,1 Z* = 3,9 O (Z = 8) σ = 2·0,85 + 5·0,35 = 3,45 Z* = 4,55 F (Z = 9) σ = 2·0,85 + 6·0,35 = 3,8 Z* = 5,20 Ne (Z = 10) σ = 2·0,85 + 7·0,35 = 4,15 Z* = 5,85 15 Rozbudowa powłok elektronowych dla atomu wodoru i atomu wodoropodobnego. 0 eV 4s 4p 4d 3s 3p 3d 2s 2p 4f Atom wodoru i wodoropodobny (1e) 1H 1s He+ tylko n określa energię orbitali - 13,6 eV Energia 4s = 4p = 4d = 4f (orbitale zdegenerowane ) Atom wodoropodobny - atom lub jon majacy tylko jeden elektron. Zaproponuj kolejny atom wodoropodobny. Elektrony obsadzają poszczególne poziomy energetyczne poczynając od najniższych. Schemat rozbudowy powłok dla atomów nie wodoropodobnych 16 6p 5d 5p 6s 4d 4p 3d 5s 4s 4f 3p W ramach podpowłok o 3s l = 1,2,3 orbitale są zdege2p nerowane. Energia ta sama dla różnych wartości m. 2s 7p 7s 6d 6p 6s 5f 1s Wyjątek 1 5 26Cr = [Ar] 4s 3d a nie [Ar] 4s2 3d4 5p 5s 4s 29Cu = [Ar] 4s13d10 a nie [Ar] 4s2 3d9 podobnie Ag i Au 4d 4p 4f 3d 42Mo= [Kr] 5s1 4d5 a nie [Kr] 5s2 4d4 5d 3p 3s 2p 2s 1s 17 Rozbudowa powłok elektronowych w atomach wieloelektronowych Podaj konfigurację stanu podstawowego Zr (Z=40) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2 [Kr] [Kr] 5s24d2 [Kr] 4d25s2 [Kr] 5s2 4d elektrony walencyjne Konfiguracje elektronowe kationów Au (Z = 79 ) [Xe] 6s2 4f14 5d9 [Xe] 4f145d106s1 Z = 54 Dla metali przejściowych usuwamy kolejno n s potem (n-1) d 18 Au+1 [Xe] 4f14 5d10 [Xe] 4f14 5d10 6s1 usuwamy walencyjne Au+3 [Xe] 4f14 5d8 Dla metali bloku p usuwamy kolejno elektrony np i ns [Xe] 4f145d10 6s26p Tl (Z =81) [Xe] 6s24f145d106p1 Tl+1 Tl+3 1 [Xe] 4f14 5d10 6s2 [Xe] 4f14 5d10 nie ma elektronów walencyjnych. Konfiguracje elektronowe anionów Dodajemy elektrony do osiągnięcia konfiguracji gazu szlachetnego As ( Z = 33) [Ar] 4s2 3d10 4p3 [Ar] 3d10 4s24p3 As-3 = [Ar] 3d10 4s24p6 = [Kr] walencyjne 3d nie są elektronami walencyjnymi Typowe jednoatomowe aniony: X– n. p. F–, X2– n. p. S2–, X3– n. p. P3–, X4– n.p. C4– 19 Układ Okresowy 1860 - Karlsruhe L. Meyer i D Mendelejew Właściwości pierwiastków powtarzają się okresowo, jeżeli uszereguje się je w kolejności rosnących liczb atomowych (Z) Bloki układu okresowego (s,p,d,f ) oznaczają ostatnie orbitale obsadzane zgodnie z zasadą rozbudowy powłok. Numer okresu - określa główną liczbę kwantową powłoki walencyjnej. s i p - grupy główne, obsadzane są odpowiednie orbitale s lub p, d grupa poboczna obsadzane są orbitale typu d (pierwiastki przejściowe). 20 pierwiastki w grupie - odpowiednio podobne elektrony walencyjne N 2s2 2p3 P 3s2 3p3 Sb 5s2 5p3 Bi 6s2 6p3 As 4s2 4p3 Naiważniejsze jest okresowe powtarzanie się cech charekteryzujących dane pierwiastki (przesuwając się w dół grupy). Istotne są charakterystyczne zmiany właściwości pierwiastków przesuwając się w prawo w okresie. Właściwości pierwiastków zależą w istotny sposób od: rozmiarów atomów, energii jonizacji tych atomów, powinowactwa elektronowego tych atomów Rozmiary atomu, promień kowalencyjny i van der Waalsa. Promienie atomu - np. w krysztale metalu. W układzie regularnym można przyjąć , że atomy się ze sobą stykają. Stąd określamy promienie kowalencyjne dla metalu Promienie jonu np. I Przeważnie bada się tlenki I I I I r(Li+) + r(I-) 2r 21 LiI Li Promień kowalencyjny (rkow) Promień van der Waalsa (rvdW ) 2rvdW 2rkow Promień van der Waalsa jest większy od promienia kowalencyjnego atomu 2rAkow 2rBkow rAkow + rBkow Promień kowalencyjny odległość w A2 między środkami A — A = 2 rA (kowalencyjne) Długość wiązania A — B = rA + rB 22 Promienie kowalencyjne atomów rkow (pm) 300 Duże promienie Li, Na,K, Rb, Cs Cs Rb K Eu Na 200 Yb Pb Ac Zn Li Am I 100 Cl F Po Br Małe promienie F, Cl, Br, I Z 0 20 40 60 80 100 POTENCJAŁ JONIZACJI: określa łatwość oderwania elektronu od atomu, czy też jonu. Określa się go jako energię potrzebną do usunięcia elektronów z 1 mola atomów czy też jonów będących w stanie podstawowym w fazie gazowej. 23 Potencjały jonizacji (dostarczamy energię ) E+(g) + e E (g) I- potencjał jonizacji E + (g) -E2+ (g) + e -II- potencjał jonizacji Na (Z=11) -I IP = 496 KJ/mol II IP = 4562 KJ/mol 30 1eV = 1,60218 . 10-19 C 1V . 10-19 J = 1,60218 . na mol = NA. 1,60218 . 10-19 J =6,023 . 1023/mol . 1,60218 . 10-19 = 96,485 KJ / mol IP ( eV ) He Ne 20 ) III IP = 6912 KJ/mol Ar Kr Zn 10 B Li 0 Al Na K 20 Xe Hg Cd Rn In Ga Rb Cs 40 60 Lu Tl 80 Ra Pu 100 1e na powłoce n - dlatego duże r, w połączeniu z małym ładunkiem efektywnym jądra, łatwa jonizacja Niskie potencjały jonizacji Li, Na, K, Rb, Cs, ale także niskie Al, Ga, In, Lu, Tl (łatwo tworzą kationy E+) 24 Z Wzrost ładunku jądra przesuwając się w prawo w okresie powoduje zmniejszenie promienia kowalencyjnego. Elektrony są silniej wiązane i energie jonizacji dla fluorowców i gazów szlachetnych są bardzo duże. KJ mol-1 2400 2000 1600 IP He 1s2 (1,34) - Ne - 1s1 H (1) 2s2 (1,66) Be 800 - I 1 I 1 Li 2s (1,26) I I 3 2s22p6 (2,52) 2s22p5 (2,26) F 2s22p3 (2,07) N - 1200 - 400 efektywne ładunki jądra C 2s22p2 O (2,00) (1,82) Mg 3s2 (2,25) B 2s22p1 (1,56) Na 3s1 I 5 I I 7 I I 9 (1,84) I I 11 I Wysokie potencjały jonizacji dla zapełnionych powłok He 1s2 Ne 2s22p6 łatwo usunąć 2s1 ( Li+ i Be+) oraz 3s1 (Na+ i Mg+) łatwo jest usunąć 2p1 ( B+ ), energia 2p jest wyższa niż orbitalu 2s trwała jest konfiguracja N O+ 25 Z Powinowactwo elektronowe E(g) + e- → E-(g) [kJ · mol-1] Entalpia przyłączenia elektronu E(g) + e- → E-(g) + ΔHo (EA= - ΔHo) Ilość energii wydzielana na skutek przyłączenia 1 mola elektronów w fazie gazowej do 1 mola obojętnych atomów (powinowactwo elektronowe z reguły dodatnie, ΔHo ujemne). F Cl Br I At S Se Te Po C O Duże powinowactwo elektronowe F, Cl, Br, I i At – tendencja do tworzenia anionów E- (np. F-) Dość duże powinowactwo elektronowe O, S, Se, Te i Po – dodatnia wartość powinowactwa elektronowego i łatwe tworzenie anionów E(np. O-). 26 Ze względu na tendencję do zapełniania powłok elektronowych tworzą się także jony E2– mimo że E–(g) + e- → E2–(g) zdecydowanie ujemne. Energia sieci krystalicznej umożliwia istnienie jonów np. O2- i S2-. O(g) + e = O-(g) ΔHo = -142 kJ·mol-1, O-(g) + e = O2-(g) ΔHo = 844 kJ · mol-1, Sumarycznie O(g) + 2e = O2-(g) ΔHo = 702 kJ·mol-1, Dodatnia wartość ΔHo. Dla hipotetycznej reakcji 2Na + O → 2 Na+ + O2– ΔHo = 702 kJ·mol-1 + 2· 496 kJ·mol-1 Energia sieci krystalicznej umożliwia istnienie jonów np. O2- i S2-. Elekroujemność – tendencja atomu w cząsteczce do przyciągania ku sobie elektronów. Gdy dwa atomy mają dużą różnicę elektroujemności wiązanie ma charakter jonowy. Pojęcie bardzo przydatne dla dyskusji charakteru wiązań niemetali, mało przydatne dla metali bloku d. Wg Paulinga: χA – χB = 0,102 D χH = 2,2 ( z definicji) DA-B, DA-A i DB-B są energiami wiązań w cząsteczkach A-B, A-A i B-B. D = DA-B - D( A A) D( B B) , χb > χa + A AB B 27 F O Cl Br N I Li Na K Rb Cs Fr Duża jest elektroujemność dla F (4.0), O, Cl, N, Br – pierwiastki elektroujemne. Mała jest dla Li, Na, K, Rb i Cs (0,79) – pierwiastki o niskiej elektroujemności. Δ χA – χB HCl(g) 1,5 (raczej kowalencyjny charakter wiązania A-B) – Δ χA– χB 2,0 ( jonowy charakter wiązania A-B) - LiF Elektroujemność wzrasta przesuwając się w prawo w okresie. Elektroujemność maleje przesuwając się w dół grupy. 28 Metale : dobre przewodnictwo elektryczne, dobre przewodnictwo cieplne, kowalne, ciągliwe, połysk metaliczny, mają zasadowe tlenki, tworzą kationy, tworzą jonowe halogenki. Są to pierwiastki bloku s, bloku d, bloku f i niektóre pierwiastki bloku p. Są to ciała stałe z wyjątkiem Hg, (Cs i Ga t. t. około 30 ºC) Metaloidy: mają wygląd metalu, a właściwości chemiczne niemetalu. Si – Ge, As – Sb, Te – Po (ciała stałe) Niemetale: złe przewodniki elektryczności, złe przewodniki ciepła (oprócz diamentu), kruche, brak połysku metalicznego. Tworzą kwasowe tlenki, tworzą kowalencyjne halogenki. Są to gazy, ciecz (Br2) oraz ciała stałe. EFEKT BIERNEJ PARY ELEKTRONOWEJ Dla pierwiastków bloku p, szczególnie dla ich cięższych przedstawicieli obserwowany jest tak zwany efekt biernej (nieczynnej) pary elektronowej. W dalszych okresach bloku p elektrony ns2 mają zdecydowanie niższą energię niż npx, gdyż są słabo ekranowane od jądra. Dlatego łatwo uzyskać jest jon Tl+, natomiast trudno jest otrzymać Al+. Jest to tendencja pierwiastków bloku p do tworzenia kationów o ładunku o dwie jednostki mniejszym niż by to wynikało z numeru grupy. 29