bg‑azure

Stan podstawowy i stan wzbudzony

O kolejności obsadzania orbitali atomowych decydują różnice w wartościach energii poszczególnych orbitali. Określa to zasada rozbudowy powłok elektronowych. Zgodnie z nią elektrony zajmują kolejne orbitale w porządku wzrastającej energii, zaczynając zatem od orbitalu o najniższej energii.

RfBziurcZmpH7
Diagram poziomów energetycznych dla atomu tlenu
n – numer powłoki elektronowej
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Z rysunku powyżej wynika, że elektrony, znajdujące się na orbitalu 1s (najbliżej jądra atomowego), mają najniższą energię, a ich siła rośnie w miarę oddalania się od jądra. Ponadto różnice energii orbitali atomowych z kolejnych powłok są, w miarę wzrostu numeru powłoki, coraz mniejsze.

Atom nie wydziela energii, jeśli jego elektrony rozmieszczone są zgodnie z zasadą rozbudowy powłok elektronowych. W takim przypadku atom znajduje się bowiem w stanie podstawowymstan podstawowystanie podstawowym (stan trwały), a wartość jego energii jest najmniejsza. Może jednak zostać wzbudzonywzbudzeniewzbudzony po przyjęciu odpowiedniej porcji energii. Dzieje się tak, kiedy energia ta powoduje, że elektron „przeskakuje” na wolny orbital o wyższej energii z tej samej lub innej powłoki elektronowej. Atom znajdujący się w stanie wzbudzonymstan wzbudzonystanie wzbudzonym posiada wyższą energię niż atom w stanie podstawowym.

Przykład 1

Stan podstawowy i wzbudzony atomu fosforu.

W stanie podstawowym atom fosforu posiada konfigurację elektronową:

P15: 1s22s22p63s23p3

Obsadzenie orbitali przez elektrony w atomie fosforu można przedstawić na diagramie energetycznym.

RII69SRiwNY13
Obsadzenie orbitali atomowych elektronami w stanie podstawowym
E – energia orbitali atomowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na skutek wzbudzenia atomu fosforu następuje przeskok elektronu, np. z podpowłoki 3s na podpowłokę 3d. W takiej sytuacji, w stanie wzbudzonym atom fosforu posiada konfigurację elektronową:

P*15: 1s22s22p63s13p33d1

Obsadzenie orbitali przez elektrony w tym stanie można zaprezentować na poniższym diagramie energetycznym.

RFtofIakhzZTp
Obsadzenie orbitali atomowych elektronami w stanie wzbudzonym
E – energia orbitali atomowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na skutek wzbudzenia atomu fosforu, na wyżej energetyczny orbital może zostać przeniesiony również inny elektron, np. z podpowłoki 3p na podpowłokę 4s. W takiej sytuacji w stanie wzbudzonym atom fosforu posiada konfigurację elektronową:

P*15: 1s22s22p63s23p24s1

Obsadzenie orbitali przez elektrony w tym stanie można zaprezentować na poniższym diagramie energetycznym.

RnCnb13fJkZrk
Obsadzenie orbitali atomowych elektronami w stanie wzbudzonym
E – energia orbitali atomowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na skutek wzbudzenia atomu fosforu na wyżej energetyczny orbital może zostać przeniesiony również inny elektron, np. z podpowłoki 3s na podpowłokę 4s. W takiej sytuacji w stanie wzbudzonym atom fosforu posiada konfigurację elektronową:

P*15: 1s22s22p63s13p34s1

Obsadzenie orbitali przez elektrony w tym stanie można zaprezentować na poniższym diagramie energetycznym.

RvVYiAOwobOag
Obsadzenie orbitali atomowych elektronami w stanie wzbudzonym
E – energia orbitali atomowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ważne!

Jak wynika z powyższych ilustracji, przeniesienie elektronu z podpowłoki 3s na podpowłokę 4s wymaga dostarczenia większej ilości energii niż przeniesienie elektronu z podpowłoki 3p na podpowłokę 4s.

Zauważ również, że atom, znajdujący się w stanie podstawowym, może przenieść na wyżej energetyczne orbitale właściwie dowolny elektron, zależnie od tego, jak duża porcja energii zostanie przez ten atom pochłonięta.

Przykład 2

Stan podstawowy i wzbudzony atomu siarki.

Konfiguracja elektronowa atomu siarki w stanie podstawowym: S16: 1s22s22p63s23p4

Poniżej przedstawiono przykładowe stany wzbudzone atomu siarki: S*16: 1s22s22p63s23p34s1

S*16: 1s22s22p63s23p33d1

S*16: 1s22s22p63s13p33d2

bg‑gray1

Absorpcja a emisja

Przejściu elektronu z jednej powłoki lub podpowłoki na inną towarzyszy emisjaemisja promieniowaniaemisja lub absorpcjaabsorpcja promieniowaniaabsorpcja energii (rysunek poniżej).

R1Ul970uSRQCd
Zmiany poziomów energetycznych elektronów wraz z towarzyszącymi im efektami emisji i absorpcji energii
n – numer powłoki elektronowej
E – energia orbitali atomowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

stanie wzbudzonymstan wzbudzonystanie wzbudzonym atomu energia elektronów jest wyższa niż w stanie podstawowym. Taki stan cechuje się jednak niewielką trwałością, dlatego elektron samorzutnie oddaje nadmiar energii (najczęściej w postaci światła) i powraca na niższy poziom energetyczny. Następuje wówczas emisjaemisja promieniowaniaemisja energii, np. w postaci promieniowania. Najlepszym przykładem tego procesu może być wybuch kolorowych fajerwerków lub emisja światła podczas ogrzewania soli w płomieniu palnika.

Zmiana energii elektronu ΔE (odpowiadająca kwantowikwantkwantowi energii) jest równa różnicy energii pomiędzy dwoma stanami stacjonarnymi elektronu: stanem podstawowym a stanem wzbudzonym, co wyraża się wzorem:

E=E2-E1=hv=hcλ

gdzie:

  • E1, E2 – energie elektronu na dwóch różnych poziomach;

  • h – stała Plancka;

  • ν – częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego;

  • λ – długość fali promieniowania elektromagnetycznego;

  • c – prędkość światła w próżni.

bg‑azure

Elektrony i światło

Tym, co wiąże widmo elektromagnetyczne z elektronami, jest energia – w tym przypadku energia kinetyczna elektronu i energia światła. W eksperymencie, który polega na przyłożeniu wysokiego napięcia (5000 V) do rurki, zawierającej czysty wodór w postaci gazowej pod niskim ciśnieniem, zaobserwowano wzbudzeniewzbudzeniewzbudzenie atomów wodoru obecnych w rurce. Zwróciły one pochłoniętą energię w postaci światła, które, wyemitowane w ten sposób, przepuszczono przez pryzmat, co ujawniło z kolei, że składało się z zaledwie kilku określonych częstotliwości, a nie całej gamy kolorów, jak pierwotnie przypuszczano. Widmo promieniowania, uwalnianego przez wzbudzony atom danego pierwiastka w czasie powrotu elektronów na niższe poziomy energetyczne, nazywane jest widmem emisyjnymwidmo emisyjnewidmem emisyjnym tego pierwiastka.

1
bg‑gray1

Co mogłoby wyjaśnić fakt, że widmo emisji wodoru składa się zaledwie z kilku linii?

Elektrony pochłaniają energię, przenosząc się tym samym na wyższe poziomy energetyczne, a gdy wracają do stanu o niższej energii, emitują ją w postaci światła o określonej częstotliwości. Elektrony zatem pochłaniają tylko konkretne porcje energii, równe co do wartości różnicy między poziomami energetycznymi, pomiędzy którymi ulegają przejściu. Podobnie, kiedy elektrony wracają do stanu o niższej energii, emitują znów tylko te konkretne porcje energii, uzyskując tylko światło odpowiadające różnicy energii pomiędzy tymi poziomami energetycznymi.

Ważne!

W przypadku widm emisyjnych, kluczowe znaczenie pełni numer powłoki, na którą opadają elektrony w związku z emisją energii. W przypadku opadania na powłoki o niższej energii, emitowane promieniowanie będzie charakteryzować się krótszymi długościami fal, a tym samym większą energią.

Dla atomu wodoru analiza widmowa umożliwiła zaobserwowanie zjawiska przenoszenia elektronów pomiędzy różnymi stanami energetycznymi, co można przedstawić w postaci poniższej grafiki.

R1QT0REU1ctcm
Przejścia elektronowe i wynikające z nich długości emitowanych fal dla atomu wodoru
Źródło: Szdori, zmienione, Wikipedia Commons, licencja: CC BY 2.5.

W przypadku atomu wodoru, widma emisyjne, które powstają poprzez opadanie elektronów na określone powłoki, określa się mianem serii. Jedną z nich jest seria Balmera – przedstawia ona widmo emisyjne powstające w wyniku opadania elektronów na drugą powłokę. W przypadku serii Balmera, widmo powstaje dzięki temu, że emitowane promieniowanie mieści się w zakresie światła widzialnego, więc jest łatwo obserwowalne dla badaczy. Innymi przykładami serii, obserwowanych dla wodoru, są m. in. seria Lymana (opadanie elektronów na pierwszą powłokę i emisja promieniowania w zakresie nadfioletu) czy seria Paschena (opadanie elektronów na trzecią powłokę i emisja promieniowania w zakresie podczerwieni).

1
Ciekawostka

Zorza polarna to fantastyczny pokaz świetlny, widoczny tylko na wysokości północnych szerokości geograficznych. Dawniej uważano, że przyczyną tego zjawiska jest odbicie światła od polarnych pól lodowych. Okazało się, że przyczyną zórz polarnych jest wiatr słoneczny, czyli strumień naładowanych cząstek (protonów i elektronów), które, uwięzione w polu magnetycznym Ziemi, przenikają do jonosfery. Tam cząstki zderzają się z cząsteczkami tlenu i azotu, po czym przekazują im energię. Ta z kolei powoduje przeskok elektronów w atomach na wyższy poziom energetyczny. Powrót elektronów do niższego poziomu skutkuje uwolnieniem pochłoniętej energii. Kiedy częstotliwości promieniowania leżą w zakresie światła widzialnego, mogą być postrzegane jako zorza polarna. Tlen atomowy emituje biało‑zielone światło, natomiast azot cząsteczkowy wydziela światło koloru czerwonego.

1

Słownik

stan podstawowy
stan podstawowy

stan, w którym elektrony rozmieszczone są w taki sposób, aby atom posiadał najmniejszą energię

stan wzbudzony
stan wzbudzony

każdy stan elektronu o energii wyższej od  energii stanu podstawowego; jest wynikiem przejścia elektronu (po pobraniu energii) z podpowłoki o niższej energii na podpowłokę o energii wyższej; jeśli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, dopisywany jest przy nim symbol gwiazdki *

wzbudzenie
wzbudzenie

proces, w czasie którego na skutek pochłonięcia energii następuje przeniesienie elektronu na wyższe poziomy energetyczne

absorpcja promieniowania
absorpcja promieniowania

(łac. absorptio „wchłanianie”) pochłanianie (całkowite lub częściowe) energii promieniowania elektromagnetycznego, fal sprężystych lub promieniowania korpuskularnego (elektronów, neutronów, cząstek alfa i innych) przez ośrodek, w którym rozchodzi się to promieniowanie

emisja promieniowania
emisja promieniowania

(łac. emissio „wypuszczanie’”) wysyłanie przez dany układ promieniowania elektromagnetycznego; jest wynikiem przejścia (np. atomu, cząsteczki) ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii

kwant
kwant

(łac. quantum „ile”) najmniejsza porcja, o jaką może się zmienić dana wielkość fizyczna określonego układu fizycznego

widmo emisyjne
widmo emisyjne

widmo liniowe powstające w wyniku przejścia cząstki ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii, czemu towarzyszy emisja energii

Bibliografia

Atkins P., Jones J., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2004.

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2004.

Encyklopedia PWN

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski W., Chemia 1. Podręcznik i zbiór zadań w jednym, Warszawa 2003.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.

Pazdro K., Zbiór zadań z chemii dla szkół ponadgimnazjalnych, Warszawa 2003.