2009-11-24

1

Chemia III

Powłoki

elektronowe

Powłoki elektronowe

• Elektrony tworzące chmurę elektronową

poruszają się wokół jądra w pewnych ściśle

określonych obszarach tzw. orbitalach

(powłokach) elektronowych.

• Elektrony wchodzące w skład powłoki posiadają

zbliżone wartości energii (kinetycznej ruchu

wokół jądra i potencjalnej w stosunku do jądra).

• Obszary poza powłokami są dla elektronów

niedozwolone.

• Im powłoka leży w większej odległości od jądra

tym energia elektronów należących do tej

powłoki jest większa.

2009-11-24

2

• Na każdej powłoce elektronowej może

znajdować się ściśle określona ilość

elektronów, które nie może przekroczyć

liczby równej:

2xn

2

n jest numerem powłoki licząc od jądra.

• Elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce

elektronowej nazywajÄ… siÄ™ elektronami
walencyjnymi.

• Ich ilość i rozmieszczenie ma decydujący wpływ

na własności chemiczne danego pierwiastka.

Równanie Schrodingera

(funkcja falowa ψ,):

Jeśli układ ma stałą w czasie energię E (stan

stacjonarny), to funkcję falową takiego stanu możemy

przedstawić następująco:

Ψ(x,y,z,t) = ψ(x,y,z) exp(-iEt/ħ)

Funkcja falowa, w najogólniejszej postaci funkcja
zespolona, nie ma bezpośredniego sensu
fizycznego. Dopiero jej kwadrat interpretujemy jako
gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki.

2009-11-24

3

• Właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w

mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku

kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne

ściśle określone wartości.

• Np. elektrony w atomie znajdują się na ściśle

określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam,

z dokładnością określoną przez

zasadÄ™

nieoznaczoności

. Z kolei każdej orbicie odpowiada

pewna energia.

• W podobny sposób zachowują się także inne

wielkości np.

pęd

,

moment pędu

czy

moment

magnetyczny

.

• Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem

było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych

wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to

właśnie liczby kwantowe.

Równanie Schrodingera

(funkcja falowa ψ,):

• Liczby kwantowe:
Główna (n): 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Poboczna (

l ≤ n-l): 0, 1, 2, 3, 4, …, n-1

Magnetyczna (m = -l

÷ +l): -l, 0, l

Spinowa(s): -1/2, +1/2

n -

nr okresu (powłoki)

l

–typ podpowłoki

m

–typ orbitala

2009-11-24

4

Liczby kwantowe

• Główna liczba kwantowa (n)

-

przyjmuje wartości kolejnych liczb naturalnych

1, 2, 3, ... (wg Bhora K, L, M, ...);
-

od niej zależy energia danego elektronu;

- decyduje o rozmiarach orbitali -

im większa

wartość n, tym większy jest orbital;
-

maksymalna ilośc elektronów w powłoce

wynosi 2m2 (kwadrat)

Poboczna

• Poboczna liczba kwantowa (l)

-

przyjmuje wartości liczb całkowitych od 0

do n-

1 włącznie;

-

precyzuje dokładniej stan energetyczny

danej powłoki;
-

liczba stanów kwantowych wyraża się

wzorem 4l + 2

2009-11-24

5

Magnetyczna

Magnetyczna liczba kwantowa (m)

-

przyjmuje wartości liczb całkowitych takich, że -

1 jest mniejsze bądź równe n, które jest

mniejsze bądź równe +1

-1< n >+1;

-

określa rzut momentu pędu na wyróżniony
kierunek;

-

decyduje o wzajemnych ułożeniu orbitali w
przestrzeni

Magnetyczna spinowa

Magnetyczna spinowa liczba kwantowa

(ms)

-

charakteryzuje rut spinu na wyróżniony

kierunek w przestrzeni;

-

może przyjmować tylko dwie wartości

+1/2 lub -1/2

2009-11-24

6

Poziomy i orbitale

•

n

l

1 = K
2 = L
3 = M
4 = N
5 = O
6 = P
7 = Q

0 = s
1 = p
2 = d
3 = f
4 = g
5 = h
6 = i

Elektron zajmuje ten spośród wolnych stanów (orbitali), który ma

mniejszą wartość sumy głównej i pobocznej liczby kwantowej

n+l, a jeżeli wolne są dwa stany o takiej samej wartości n+l, to

elektron zajmuje stan o niższej wartości n.

W myśl tej reguły orbital 4s (4+0) obsadzany

jest przed 3d (4+0 < 3+2), natomiast orbital
3d przed 4p (3+2 = 4+1).

n

l

s

p

d

f

1

2

3

4

5

0

0

0

0

0

1

1

1

1

2

2

2

3

3

2009-11-24

7

Sposób zapełniania orbitali w

atomie

Kształty orbitali

2009-11-24

8

• n =

2

• l=

0

1

•

m = 0

-1

0

1

•
• ± ½

±1/2

±1/2

±1/2

Konfiguracja elektronowa

• Konfiguracja elektronowa (struktura elektronowa)

pierwiastka

– uproszczony opis atomu polegający na

rozmieszczeniu

elektronów

należących do atomów

danego pierwiastka na poszczególnych powłokach,
podpowłokach i orbitalach. Każdy

elektron

znajdujÄ…cy siÄ™ w atomie opisywany jest przy pomocy
zbioru

liczb kwantowych

.

• Na podstawie konfiguracji elektronowej atomu

można określić położenie pierwiastka w układzie
okresowym i opisać jego właściwości chemiczne.

2009-11-24

9

Reguła Hunda:

1. W danej podpowłoce powinna być możliwie

największa liczba niesparowanych elektronów;

2. Niesparowane elektrony zajmujÄ…ce poziomy

orbitalne danej podpowłoki mają identyczny
spin;

3. Pary elektronów tworzą się dopiero po

zapełnieniu wszystkich poziomów orbitalnych
danej podpowłoki przez niesparowane
elektrony.

Regu Hunda:

Elektrony w atomie obsadzają najniższe dostępne

poziomy energetyczne

2009-11-24

10

Zakaz Pauliego

Określony poziom energetyczny atomu

obsadzony może być tylko przez jeden
elektron o takich samych 4 liczbach
kwantowych,

w jednym atomie dwa elektrony muszÄ…

różnić się wartością przynajmniej

jednej liczby kwantowej (np. w

jednym poziomie orbitalnym muszÄ…

mieć przeciwną orientację spinu).

•

7

X: [He]2s

2

2p

x

1

2p

y

1

2p

z

1

Zakaz Pauliego

2009-11-24

11

Rdzeń i elektrony walencyjne

• Rdzeń, czyli zrąb atomu, stanowi tę

część atomu, która uczestnicząc w reakcji

chemicznej

lub

w

wielu

kolejnych

reakcjach,

zachowuje

ilość

i

rodzaj

składników

• rdzeń

to

jÄ…dro

wraz

z

elektronami

niewalencyjnymi.

• Elektrony walencyjne to te elektrony,

które podczas reakcji chemicznej biorą

udział w tworzeniu wiązań chemicznych.

2

1

jÄ…dro

4

3

35

Br 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

3d

10

4s

2

4p

5

Elektrony

elektrony

rdzenia

walencyjne

2009-11-24

12

Konfiguracja walencyjna

jest

to

fragment

konfiguracji

elektronowej dotyczący elektronów

walencyjnych,

np.

35

Br 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

3d

10

4s

2

4p

5

Elektrony rdzenia

elektrony

walencyjne

35

Br [Ar] 3d

10

4s

2

4p

5

Elektrony

elektrony

rdzenia

walencyjne

Bloki w ukł. okresowym

2009-11-24

13

Podaj konfiguracjÄ™ elektronowÄ… atomu

pierwiastka o liczbie atomowej Z = 15.

•

15

X:1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

3

;

15

X:[Ne]3s

2

3p

3

• Pierwiastek
• bloku p,

niemetal

• 3 okres,

15 grupa,

• Stopień utlenienia: od -III do V

Podaj konfiguracjÄ™ elektronowÄ… atomu

pierwiastka o liczbie atomowej Z = 25.

•

25

X:1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

5

•

25

X:[Ar]4s

2

3d

5

Pierwiastek
• bloku d,

metal,

• 4 okres,

7 grupa

• Stopień utlenienia: od 0 do VII

2009-11-24

14

Ogólne zasady ustalania

konfiguracji

Elektrony zajmujÄ… kolejne orbitale na kolejnych

powłokach tak aby atom jako całość posiadał jak

najniższą energię.

W przypadku pierwiastków z grup głównych

układu

okresowego

teoretyczne obliczenie energii

elektronów na poszczególnych orbitalach jest

stosunkowo proste.

Dlatego można tu podać ogólne reguły zapełniania

kolejnych orbitali, dzięki której znając

liczbÄ™

atomowÄ…

danego pierwiastka można łatwo

samemu ustalić jego konfigurację

Reguły te to:

• 1. Zapełniene są orbitale w kolejności: "s", "p",

"d" i "f"

• 2. Orbitale z wyższych poziomów są

zapełniania dopiero po całkowitym zapełnieniu

niższych.

• 3. Maksymalna liczba elektronów na orbitalach

to: s - 2, p - 6, d – 10, f - 14

• 4. Pierwsza powłoka zawieta tylko orbital s,

druga orbitale s i p, trzecia i czwarta sÄ… a w

piąta i szósta orbitale s, p, d i f.

2009-11-24

15

Warunki pisania konfiguracji

elektronowej:

- reguła Hunda

- elektrony w stanie

stacjonarnym rozmieszczane sÄ… w

podpowłokach i powłokach, zaczynając od

najniżej energetycznych.

- W przypadku ciężkich metali z grup

pobocznych oraz lantanowców reguły te

zawodzą. Np. przed pełnym obsadzeniem

orbitali z powłoki drugiej, zaczynają już się

zapełnianiać orbitale s i p powłoki trzeciej

Rozkład poziomów

energetycznych powłok

elektronowych w atomie

2009-11-24

16

Konfiguracja elektronowa

pierwiastków

[

1

H] = 1s

1

[

2

He]

= 1s

2

[

3

Li] = 1s

2

2s

1

= [

2

He] 2s

1

[

4

Be] = 1s

2

2s

2

= [

2

He] 2s

2

[

5

B] = 1s

2

2s

2

2p

1

= [

2

He] 2s

2

2p

1

[

6

C] = 1s

2

2s

2

2p

2

= [

2

He] 2s

2

2p

2

[

7

N] = 1s

2

2s

2

2p

3

= [

2

He] 2s

2

2p

3

[

8

O] = 1s

2

2s

2

2p

4

= [

2

He] 2s

2

2p

4

[

9

F] = 1s

2

2s

2

2p

5

= [2He] 2s

2

2p

5

[

10

Ne]

= 1s

2

2s

2

2p

6

Okres IV

[

19

K] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

1

= [

18

Ar] 4s

1

[

20

Ca] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

= [

18

Ar] 4s

2

[

21

Sc] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

1

= [

18

Ar] 3d

1

4s

2

[

22

Ti] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

2

= [

18

Ar] 3d

2

4s

2

[

23

V] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

3

= [

18

Ar] 3d

3

4s

2

[

24

Cr] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

1

3d

5

= [

18

Ar] 3d

5

4s

1

(!

promocja elektronu)

[

25

Mn] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

5

= [

18

Ar] 3d

5

4s

2

[

26

Fe] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

6

= [

18

Ar] 3d

6

4s

2

[

27

Co] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

7

= [

18

Ar] 3d

7

4s

2

[

28

Ni] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

8

= [

18

Ar] 3d

8

4s

2

[

29

Cu] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

1

3d

10

= [

18

Ar] 3d

10

4s

1

(!promocja elektronu)

[

30

Zn] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

= [

18

Ar] 3d

10

4s

2

[

31

Ga] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

1

= [

18

Ar] 3d

10

4s

2

4p

1

[

32

Ge] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

2

= [

18

Ar] 3d

10

4s

2

4p

2

2009-11-24

17

Lantanowce

[

54

Xe] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

6

5s

2

4d

10

5p

6

[

57

La] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

6

5s

2

4d

10

5p

6

6s

2

5d

1

= [

54

Xe] 5d

1

6s

2

[

58

Ce] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

6

5s

2

4d

10

5p

6

6s

2

4f

2

= [

54

Xe] 4f

2

6s

2

[

59

Pr] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

6

5s

2

4d

10

5p

6

6s

2

4f

3

= [

54

Xe] 4f

3

6s

2

[

60

Nd] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

6

5s

2

4d

10

5p

6

6s

2

4f

4

= [

54

Xe] 4f

4

6s

2

[

61

Pm] = 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

3d

10

4p

6

5s

2

4d

10

5p

6

6s

2

4f

5

= [

54

Xe] 4f

5

6s

2