Przeczytaj

bg‑azure

W jaki sposób można zlokalizować elektron?

Elektrony są cząstkami elementarnymi, które otaczają jądro atomowe i poruszają się w stosunku do niego w pewnej odległości. Lokalizacja elektronu może być podana jako prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym punkcie. Owo prawdopodobieństwo nazywane jest inaczej chmurą elektronową. Bardziej zagęszczona jest tam, gdzie prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest większe. Do opisu stanu elektronu w atomie wykorzystuje się liczby kwantoweliczby kwantoweliczby kwantowe. Liczb tych jest pięć, ale ponieważ jedna z nich przyjmuje zawsze tę samą wartość liczbową, to zazwyczaj posługujemy się tylko czterema liczbami do opisu stanu elektronu w atomu.

Polecenie 1

Rqrtsz6euCb8O1

Połącz pojęcia z ich definicjami.

określa wewnętrzny moment pędu elektronu; wartość tej liczby kwantowej dla każdego elektronu jest równa <math><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></math>., <math><mi>n</mi></math> może przyjmować wartości 1, 2, 3, 4, 5, 6,... i jest równa co do wartości liczbowej numerowi powłoki, w której znajduje się dany elektron; im wyższa wartość głównej liczby kwantowej, tym większa energia elektronu oraz większy rozmiar orbitalu., <math><mi>l</mi></math> może przyjmować wartości <math><mn>0</mn><mo>≤</mo><mi>l</mi><mo>≤</mo><mfenced><mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></mfenced></math>; określa, w której z podpowłok elektronowych znajduje się elektron: podpowłoce <math><mi>s</mi></math> odpowiada bowiem wartość l=0, podpowłoce <math><mi>p</mi></math> wartość l=1, a podpowłoce <math><mi>d</mi></math> wartość l=2., <math><msub><mi>m</mi><mi>s</mi></msub></math> może przyjmować wartości ½ lub -½; określa kierunek spinu (wewnętrznego momentu pędu) elektronu., <math><mi>m</mi></math> może przyjmować wartości od –<math><mi>l</mi></math> do <math><mi>l</mi></math> (włącznie z zerem); określa, na którym poziomie orbitalnym znajduje się elektron oraz kształt i orientację przestrzenną orbitalu.

Główna liczba kwantowa
Poboczna liczba kwantowa
Magnetyczna liczba kwantowa
Magnetyczna spinowa liczba kwantowa
Spinowa liczba kwantowa

bg‑azure

Zakaz Pauliego

W $1925$ roku Wolfgang Pauli zaproponował zasadę, zgodnie z którą w jednym atomie lub jonie nie mogą istnieć dwa elektrony o takich samych stanach kwantowych, czyli o takich samych wartościach czterech liczb kwantowychliczby kwantoweliczb kwantowych, ponieważ każdy elektron różni się od innych energią całkowitą. Zasada została nazwana zakazem Pauliego. Poszczególne powłoki i podpowłoki mieszczą ograniczoną liczbę elektronów.

Skoro z zakazu Pauliego wynika, że elektrony muszą się różnić wartością przynajmniej jednej liczby kwantowej ( $n$ , $l$ , $m$ lub $m_{s}$ ), to tworząc odpowiednie kombinacje wszystkich czterech liczb kwantowych, można określić położenie elektronów na poziomach kwantowych oraz określić maksymalną liczbę elektronów na powłokach i podpowłokach.

RDdRTdr6J9sUq1

Na ilustracji jest układ okresowy pierwiastków z podziałem na bloki energetyczne. Po lewej stronie jest zaznaczony kolorem różowym blok s - obejmuje 1 i 2 grupę, z góry na dół zaznaczono kolejno rzędami zapełnianie orbitali: 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s. Na środku jest niebieski blok d - obejmuje grupy od 3 do 12, w kolejności od góry na dół rzędami zaznaczono zapełnianie orbitali: 3d, 4d, 5d, 6d. Po prawej stronie jest pomarańczowy blok p - od 13 do 18 grupy. Rzędami od góry na dół zaznaczono zapełnianie orbitali w kolejności: 1s (hel należący do pierwszego okresu), następnie 2p, 3p, 4p, 5p, 6p, 7p. Na dole jest żółty blok f. Zalicza się do tej grupy 28 pierwiastków z 6 i 7 okresu. Pierwszy rząd to lantanowce, w których zapełniany jest orbital 4f, w drugim rzędzie są aktynowce - zapełniany jest orbital 5f. — Układ Okresowy Pierwiastków Chemicznych z zaznaczeniem bloków energetycznych
Źródło: dostępny w internecie: wikimedia.org., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Obliczanie stanów kwantowych

Maksymalną liczbę elektronów, które mogą zajmować daną powłokę elektronową, czyli liczbę stanów kwantowych, można wyznaczyć ze wzoru:

Maksymalna liczba elektronów = 2 n^{2}

gdzie:

$n$ – główna liczba kwantowa.

Ze wzoru wynika, że np. powłokę $K (n = 1)$ mogą zajmować maksymalnie $2 \cdot 1^{2} = 2$ , czyli dwa elektrony. Jest to już dla nas zrozumiałe, ponieważ dowiedzieliśmy się wcześniej, że powłoka ta składa się z tylko z podpowłoki typu $s (l = 0)$ , która zawiera z kolei tylko jeden orbital $s (m = 0)$ . Orbital ten obsadzić mogą tylko dwa elektrony o przeciwnych spinach (czyli o przeciwnych wartościach magnetycznej spinowej liczby kwantowej: $\frac{1}{2}$ lub $(- \frac{1}{2})$ )

$n$	$l$	$m$	$m_{s}$	Liczba elektronów w podpowłoce elektronowejpodpowłoka elektronowapodpowłoce elektronowej $s$	Liczba elektronów w powłoce elektronowejpowłoka elektronowapowłoce elektronowej $K$
$1$	$0$	$0$	$\frac{1}{2}$	$2$	$2$
$1$	$0$	$0$	$(- \frac{1}{2})$	$2$	$2$

Podobnie oblicza się liczbę elektronów w powłokach dla wyższych stanów energetycznych, np. dla $n = 2$ itd. Poniższa tabela pokazuje, jaka liczba elektronów może obsadzić każdą powłokę oraz jakie możliwe wartości przyjmują poszczególne liczby kwantowe w przypadku tych powłok. Analizując tabelę, weź pod uwagę, że każdy poziom orbitalny obsadzić mogą dwa elektrony o przeciwnej wartości magnetycznej spinowej liczby kwantowej ( $\frac{1}{2}$ lub $- \frac{1}{2}$ ). Innymi słowy, każdej wartości liczby m możesz przypisać dwie wartości liczby $m_{s}$ .

Rozmieszczenie elektronów na poziomach energetycznych

Główna liczba kwantowa i odpowiadające jej poboczne liczby kwantowe

Głowna liczba kwantowa	Powłoka elektronowa	Poboczna liczba kwantowa	Orbital atomowy (podpowłoka elektronowa)	Magnetyczna liczba kwantowa	Liczba elektronów
Głowna liczba kwantowa	Powłoka elektronowa	Poboczna liczba kwantowa	Orbital atomowy (podpowłoka elektronowa)	Magnetyczna liczba kwantowa	$n = 1$	$K$	$l = 0$	$s$	$m = 0$	$2$	$2$
$n = 2$	$L$	$l = 0$ $l = 1$	$s$ $p$	$m = 0$ $m = - 1$ , $0$ , $1$	$2$ $6$	$8$
$n = 3$	$M$	$l = 0$ $l = 1$ $l = 2$	$s$ $p$ $d$	$m = 0$ $m = - 1$ , $0$ , $1$ $m = - 2$ , $- 1$ , $0$ , $1$ , $2$	$2$ $6$ $10$	$18$
$n = 4$	$N$	$l = 0$ $l = 1$ $l = 2$ $l = 3$	$s$ $p$ $d$ $f$	$m = 0$ $m = - 1$ , $0$ , $1$ $m = - 2$ , $- 1$ , $0$ , $1$ , $2$ $m = - 3$ , $- 2$ , $- 1$ , $0$ , $1$ , $2$ , $3$	$2$ $6$ $10$ $14$	$32$

Polecenie 2

Opisz stan kwantowy elektronów walencyjnych atomu wanadu (symbol $V$ ). Wanad to pierwiastek należący do bloku $d$ układu okresowego (czwarty okres, piąta grupa). Posiada pięć elektronów walencyjnych.

RS9E8XBh9SMXc

Na ilustracji jest zapis klatkowy konfiguracji elektronowej wanadu. Ma symbol V, liczbę atomową 23. Ma podpowłoki: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d. Od podpowłoki 1s do 4s wszystkie klatki są zapełnione - są w nich pionowe strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach. Podpowłoki 2p i 3p mają po trzy klatki, podpowłoka 3d pięć, pozostałe po jednej. Podpowłoka 3d w trzech pierwszych klatkach ma po jednej strzałce skierowanej w górę, dwie ostatnie klatki są puste. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R15rklJ392DeQ

$n$ , $l$ , $m$

Liczba kwantowa	Elektron 1	Elektron 2	Elektron 3	Elektron 4	Elektron 5
$n$
$l$
$m$

bg‑azure

Zapamiętaj

Stan elektronu w atomie można opisać za pomocą czterech liczb kwantowych.
Każdy orbital atomowy może opisywać dwa elektrony o takiej samej energii, ale o przeciwnym spinie (przeciwnej wartości liczby kwantowej $m_{s}$ ).
W zależności od rodzaju powłoki elektronowej, może ona zawierać maksymalnie po jednym orbitalu typu $s$ , trzy orbitale typu $p$ , pięć orbitali typu $d$ oraz siedem orbitali typu $f$ .

Słownik

powłoka elektronowa

zbiór elektronów o zbliżonych energiach i jednakowej wartości głównej liczby kwantowej

podpowłoka elektronowa

zbiór elektronów o jednakowych energiach, czyli opisanych tymi samymi liczbami $n$ i $l$

poziom orbitalny

stan kwantowy o takiej samej wartości liczb kwantowych $n$ , $l$ , $m$

orbital atomowy

funkcja falowa psi opisująca stan energetyczny elektronu w atomie

spin

wielkość fizyczna, która określa właściwości magnetyczne elektronu, wynikające z jego ruchu wewnętrznego

liczby kwantowe

parametry, które określają stan elektronu w atomie

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Penkala T., Podstawy Chemii Ogólnej, Warszawa 1982.

Trzebiatowski W., Chemia Nieorganiczna, Warszawa 1978.

Wprowadzenie

Film samouczek

W jaki sposób można zlokalizować elektron?

Zakaz Pauliego

Obliczanie stanów kwantowych

Rozmieszczenie elektronów na poziomach energetycznych

Zapamiętaj

Słownik

Bibliografia