Atomul cu mai multi electroni - modele atomice

Istoric

Incepand cu Democrit folozofii greci au dezvoltat o teorie filozofica care incerca sa explice conceptia lor despre univers. Conform acesteia, materia este compusa din particule foarte mici, indivizibile, denumite atomi (denumire care provine de la termenul atomos care in limba greaca inseamna indivizibil). Atomul ar reprezenta, cea mai mica particula componenta a materiei. In conformitatea cu teoria vechilor greci, toti atomii sunt formati din aceleasi materiale de baza, dar prin forma, dimensiunea si aranjamentul lor imprima elementelor proprietati diferite.

Chimistul britanic J. Dalton a prezentat cateva caracteristici legate de

adevarata natura a atomului. El a studiat cantitatile in care se combina diferite elemente, pentru a forma diferite substante (ex. combinatia dintre hidrogen si oxigen pentru formarea apei). In cartea sa, Noul sistem al filosofiei chimice (1808), a inserat doua postulate, conform

carora :

atomii aceluiasi element sunt identici, dar diferiti intre elemente

atomii diferitelor elemente se pot combina intre ei, formand substante

complexe

STRUCTURA

Atomul este cea mai mica particula ce caracterizeaza un element chimic, respectiv este cea mai mica particula dintr-o substanța care prin procedee chimice obișnuite nu poate fi fragmentata in alte particule mai simple. Acesta consta intr-un nor de electroni care inconjoara un nucleu atomic dens.

Cei mai mulți atomi sunt compuși din trei tipuri de particule subatomice care guverneaza proprietațile lor externe:

• electronii, care au o sarcina electrica negativa și sunt cele mai puțin masive particule subatomice;

• protonii, care au o sarcina electrica pozitiva și sunt de aproape 1836 ori mai masive decat electronii;

• neutronii, care nu au sarcina electrica și care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decat electronii.

Protonii și neutronii creeaza un nucleu atomic dens și masiv, ei fiind numiți și nucleoni. Electronii formeaza un larg nor electronic ce inconjoara nucleul.

NUCLEUL

Nucleul conține sarcini electrice incarcate pozitiv (protoni) și sarcini electrice neutre (neutroni).

Un pas inainte in stabilirea structurii nucleului a fost facut in momentul descoperirii

protonului de catre Ernest Rutherford. Iar in anul 1928, fizicianul german Walther Bothe si studentul lui Herbert Beckers au descoperit neutronului. Ei au bombardat atomul de beriliu cu particule alfa emise de atomul de poloniu si au obtinut o radiatie neutra din punct de vedere electric, cu putere mare de penetrare, pe care au considerat-o ca find fotoni de tip gama.

Atomii pot sa difere prin numarul fiecarui tip de particule subatomice pe care ei le conțin. Atomii aceluiași element au același numar de protoni (numit și numar atomic). Pentru unul și același element, numarul de neutroni poate sa varieze determinand izotopii acelui element. Numarul de protoni (și neutroni) in nucleul atomic poate fi modificat prin intermediul fuziunii nucleare, a fisiunii nucleare sau a dezintegrarii radioactive, cazuri in care atomul nu mai ramane elementul care era la inceput.

Nucleele atomice pot suferi transformari care afecteaza numarul de protoni și neutroni pe care ii conțin, proces numit dezintegrare radioactiva. Daca transformarile nucleelor au loc spontan, procesul se numește radioactivitate. Transformarile radioactive au loc intr-un numar mare de moduri, dar cele mai comune sunt dezintegrarea alfa (emisia unui nucleu de heliu) și dezintegrarea beta (emisia unui electron). Dezintegrarile ce implica electroni sau pozitroni sunt datorate interacțiunilor nucleare slabe.

In plus, ca și electronii din atom, și nucleonii din nucleu pot fi aduși intr-o stare excitata de inalta energie. Totuși, aceasta tranziție cere de sute de ori mai multa energie decat excitația electronilor. La revenirea in starea fundamentala, nucleul emite un foton de energie foarte inalta, numit și radiație gamma.

Transformarile nucleare au loc de asemenea și in cadrul reacțiilor nucleare. In fuziunea nucleara, doua nuclee ușoare se unesc intr-un singur nucleu mai greu. In fisiunea nucleara, un nucleu greu se divide in doua sau mai multe nuclee.

INVELISUL ELECTRONIC

Comportarea chimica a atomilor este datorata interacțiunilor dintre electroni. Electronii unui atom raman in interiorul unor configurații electronice fixate, predictibile. Aceste configurații sunt determinate de mecanica (cinematica) cuantica a electronilor in potențialul electric al atomului; numarul cuantic principal determina invelișuri electronice particulare cu nivele distincte de energie. In general, cu cat este mai inalt nivelul de energie, cu atat este electronul mai indepartat de nucleu. Electronii de pe cel mai indepartat inveliș, numiți și electroni de valența, au cea mai puternica influența in comportarea chimica a atomului. Electronii de pe invelișurile interioare, (deci nu cei de valența) joaca și ei un rol cu efecte secundare datorate ecranarii sarcinii pozitive din nucleul atomic.

Un inveliș electronic poate avea pana la 2n² electroni, unde n este numarul cuantic principal al invelișului. Invelișul ocupat cu cel mai mare n este invelișul de valența, chiar daca acesta ar avea un singur electron. In cea mai stabila stare, de baza, electronii unui atom vor umple invelișurile acestuia in ordinea crescatoare a energiei. In unele circumstanțe, un electron poate fi excitat pe un nivel de energie mai mare (electronul absoarbe energie de la o sursa externa și sare pe un inveliș mai inalt) lasand un loc "gol" in invelișul energetic inferior. Electronii unui atom excitat vor cadea in mod spontan pe nivelul inferior, emițand energia excedenta sub forma de fotoni, pana la revenirea la starea de baza

Pe langa numarul cuantic principal n, unui electron i se mai asociaza inca trei numere cuantice: numarul cuantic orbital l (numar cuantic azimutal, ce descrie momentul unghiular orbital), numarul cuantic magnetic m (ce descrie direcția vectorului moment unghiular) și numarul cuantic de spin s (ce descrie direcția momentului unghiular intrinsec al electronului). Electronii cu valori diferite pentru numerele cuantice l și m au invelișuri distincte, evidențiate prin notația spectroscopica (configurații s, p, d și f). In cei mai mulți atomi, orbitalii cu numere l diferite nu sunt degenerate exact ci separate printr-o structura fina. Orbitalii cu numere m diferite sunt degenerate dar pot fi separate doar aplicand un camp magnetic, ceea ce se numește efect Zeeman. Electronii care ocupa un strat electronic se caracterizeaza prin numere cuantice orbitale l, diferite. Deoarece l s [0, (n-1)], rezulta ca intr-un strat pot exist mai multe tipuri de orbite. Pentru l = 0, orbita este sferica, iar pentru l > 0, orbitele sunt eliptice. Toate orbitele dintr-un strat (valori diferite ale lui l, dar aceeasi valoare a lui n), formeaza substraturi electronice. Electronii din acelasi substrat, difera intre ei prin numarul cuantic magnetic, m, care poate lua valori in intervalul m s (-l, 0, +l). Deci in fiecare substrat exista 2l +1 orbite (orbitali).

Document online: Structura sistemelor vitroase Document online: Parasimpatomimeticele - medicamentele parasimpatomimetice si acetilcolina

Electronii cu numere s diferite prezinta diferențe energetice foarte slabe, caracterizand așa-numita structura (despicare) hiperfina. Miscarea de spin este de asemenea cuantificata prin numarul cuantic de spin, s, care poate lua doua valori: s = +1/2 pentru rotatia electronului in jurul propriei axe in acelasi sens cu miscarea lui pe orbita s = - ½ pentru rotatia electronului in jurul propriei axe in sens contrar miscarii lui pe orbita

Atomii sunt electric neutri daca au același numar de protoni și electroni. Atomii care au un deficit sau un surplus de electroni se numesc ioni. Electronii care sunt departe de nucleu pot fi transferați unui atom din apropiere sau pot fi folosiți in comun de doi sau mai mulți atomi. Prin intermediul acestui ultim mecanism atomii sunt legați in molecule și alte tipuri de compuși chimici cum ar fi rețelele cristaline ionice și covalente.

Paturi si subpaturi

Pentru a da o denumire prescurtata a paturillor se utilizeaza urmatoarele simboluri - paturile principale se numesc k(n=1) , L(n=2) , M(n=3) etc. subpaturile caracterizate prin numarul orbital l se numesc s(l=0) ;  p(l=1) ; d(l=2) , f(l=3) etc.

numarul electronilor care au aceleasi numere cuantice n si l, numiti electroni echivalenti, este egal cu 2 (2l+1) facand l=0_L1,2 . se obtine numarul electronilor s (in numar de 2) s (in numar de 6) d ( in numar de 10) care pot intra intr-o anumita patura electronica a moleculei.

Despre electronii care fac parte din  aceeasi patura si sunt caracterizati de o anumita valoare a lui l se spune ca formeaza o natura electronica sau substrat electronic. Toti electronii dintr-o subpatura cu aceeasi energie deoarece diferenta energiei de numerele cuantice m si ms este mica. Subpaturile si paturile care contin numarul maxim de electroni (2n²) se numesc complete (induse sau ocupate). Fiecare subpatura completa se caracterizeaza printr-o distributie sfericasimetrica a sarcinii electrice , iar momentele totale orbitale si de spin ale electronilor sunt nule.

Calculul energiilor pentru diferiti electroni intr-un atom cu mai multi electroni arata ca pentru n>3 unghiurile unei paturi se intrepatrund cu acele ale unei alte paturi.Acest fapt este important deoarece explica ordinea de ocupare de catre electronii a paturilor electronice pentru fiecare element pe masura ce z creste.

Numarul electronilor dintr-o patura sau subpatura se indica printr-un indice sus , in dreapta starii electronice . pentru cei 2 e- 1s ai paturii k se scrie 1s² . A doua perioada incepe cu completarea cu e- a paturii L (n=2) iar primul element din perioada este Li cu 2e- in starea 1s si 1e- in starea 2s. comfiguratia electronica a Li 1s2 2s1. Al patrulea element Be mai poate primi un electron de spin opus in starea 2s si deci va avea comfig. Electronica 1s2 2s2. La al cincelea element nu se mai pot adauga e- in starea 2s , deoarece posibilitatea de ocupare a starii 2s sau epuizat. Nu incepe o noua patura intrucat nr. cuantic principal n=2 mai permite si numarul cuantic orbital l=1 , iar acesta, la randul lui, numerele cuantice magnetice m=-1,0,+1 astfel , dupa completarea subpaturii 2s a paturii L incepe ocuparea subpaturii 2p a paturii L cu cate 1e- pana se ajunge la elementul cu nr. 10 (Ne) cand se termina ocuparea starilor cuantice ale paturii L.

Modele atomice

1. MODELUL LUI J.J. THOMPSON

Descoperirea razelor catodice (electronii) si stabilirea faptului ca acestia sunt

incarcati su sarcina electrica negativa, l-au determinat pe J.J. Thompson

sa propuna, in anul 1904, primul model al atomului. Problema de care s-a lovit a fost legata de faptul ca mentinerea in acelasi atom a electronilor implica neutralizarea lor, respective existenta unei sarcini pozitive. In acest scop, a propus urmatoarea solutie: a considerat atomul ca fiind o structura sferica cu o sarcina electrica pozitiva distribuita uniform, prin care se misca electronii. Acest model este denumit Cozonacul cu stafide.

MODELUL LUI RUTHERFORD

Rutherford a propus un model al atomului, in care, sarcina electrica

pozitiva este amplasata in centrul atomului . nucleul, iar sarcina electrica negativaeste amplasata in jurul nucleului. Electronii se rotesc in jurul nucleului pe traiectoriicirculare, denumite orbite, fiind mentinuti pe traiectorie de actiunea

a doua forte: forta centrifuga, aparuta ca urmare a miscarii electronului pe o traiectoriecirculara si forta de atractie coulombiana intre sarcina electrica pozitiva a nucleului sisarcina electrica negativa a electronilor, cele doua forte compensandu-se reciproc.

3. MODELUL LUI BOHR

Fizicianul danez Niels Bohr a propus in anul 1913 un model al atomului, care este de fapt o extindere a modelului lui Rutherford, in care se pastreaza egalitatea celor doua forte care asigura electronul in miscarea circulara pe orbita. In plus, Bohr a introdus doua postulate, conform carora Electronul se poate roti in jurul nucleului numai pe anumite orbite, considerate circulare, numite orbite permise, orbite stationare, orbitali sau invelisuri . In miscarea sa pe orbitele permise, electronul nu emite si nu absoarbe energie.

2. In cazul atomilor excitati in urma absorbtiei de energie, electronii pot trece de

pe orbita permisa, caracterizata de o energie scazuta, pe o alta orbita permisa,

caracterizata de o energie mai mare. Deoarece aceasta structura este instabila,

electronii pot reveni pe orbita initiala sau pe orbita intermediara prin emiterea uneicuante luminoase, a carei energie este egala cu diferenta energiilor orbitelor intre care s-a deplasat electronul

4. Modelul lui Sommerfeld

Fizicianul german Arnold Sommerfeld, in incercarea de a

explica mai bine spectrele complexe ale unor elemnte chimice, dezvolta modelul

atomic propus de Bohr, prin introducerea ipotezei conform careia, o parte din orbitele permise pe care se misca electronii in jurul nucleului au forma eliptica, care admit ca focar, centrul de masa al atomului (nucleul). In acest caz, pozitia electronului in jurul nucleului la un moment dat, este indicata de raza vectoare variabila a elipsei si unghiul de rotatie.In aceasta situatie, pentru pozitionarea elevctronului este necesara introducerea unui nou parametru, denumit numar cuantic orbital sau numar cuantic secundar l, care poate lua valori in intervalul:

l s [0÷ (n-1)] Pentru n = 1, l = 0 si orbita are forma sferica. Incepand de la n = 2, orbitele permise pe care se deplaseaza electronul au forma eliptica. Conform teoriilor Bohr-Sommerfeld, electronul parcurge in miscarea sa in jurul

nucleului o traiectorie inchisa, generand propriului atom un camp magnetic. Daca

atomul este amplasat sub actiunea unui camp magnetic exterior, are loc o actiune de orientare spatiala a orbitelor, pozitiile pe care acestea le pot ocupa fiind definite prinintermediul numarului cuantic magnetic, m. Valoarea numarului cuantic magnetic este cuprinsa in intervalul: m s (.l, 0, +l)

Modelul ondulatoriu staționar al atomului

In anul 1926, Schrödinger elaboreaza prima lucrare de mecanica ondulatorie, in care apare Ecuația lui Schrödinger, prin care arata: caracterul ondulatoriu al mișcarii electronului in atom, descris de o funcție de unda, arata in termenii mecanicii cuantice ca energia totala a unei particule (electronul) cu o anumita masa, care se mișca in spațiu, este suma dintre energia cinetica și energia potențiala; ecuația are soluții numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezinta energiile electronului in starile staționare, stari caracterizate de numerele cuantice, energia in atom fiind cuantificata.

OCUPAREA ORBITALILOR CU ELECTRONI

Ocuparea orbitalilor cu electroni se face pe baza urmatoarelor reguli:

Principiul stabilitatii

In starea fundamentala a atomului, electronii tind sa ocupe orbitalii caracterizati de energia cea mai mica, de la nucleu (n = 1) spre exterior.

Principiul de excludere a lui Pauli

Doi electroni apartinand aceluiasi atom nu pot fi caracterizati de aceleasi numere cuantice n, l, m si s. Chiar daca au identice numerele cuantice n, l si m, ei trebuie sa difere prin sensul rotatie, respectiv numarul cuantic de spin. Deoarece numarul cuantic de spin are doar doua valori, +1/2 si -1/2, prin extrapolare, rezulta ca pe un orbital nu se pot amplasa decat maxim doi electroni (care difera prin valoarea lui s).

Un sistem de particule este stabil atunci cand energia sa este minima. Principiul lui Pauli este un acord cu cerintele mecanicii cuantice moderne si are o importanta deosebita in teoria atomilor cu mai multi electroni pentru fundamentarea teoretica a sistemelor periodic al elementelor.

Regula lui Hund

Electronii se distribuie in invelisul electronic astfel incat numarul electronilor cu spin paralel (necuplati) pe orbitalii cu acceasi energie (au aceleasi numere cuantice n si l) sa fie cat mai mare. Reformulata, regula arata ca in cazul orbitalilor degenerati din acelasi strat (au energii egale) amplasarea

electronilor se face ocupand fiecare orbital degenerat cu cate un electron si apoi, daca inca mai exista electroni, se realizeaza cuplarea de spin a acestora. Doi electroni situati pe orbitali diferiti dar echivalenti au spiniparaleli in starea fundamentala , starea cu cea mai joasa energie .prin urmare ordinea de ocupare a subpaturilor electronice este urmatoarea 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,,5p,6s,4f,5d,6p.

LEGATURI CHIMICE

Majoritatea substantelor cunoscute astazi sunt combinatii ale diferitelor

elemente chimice. Formarea acestora are loc in urma unor interactiuni intre atomii elementelor, respectiv prezenta unei forte care mentine atomii blocati in combinatia respectiva. Aceasta forta poarta numele generic de legatura chimica.

Modul de formare a legaturii chimice a inceput sa fie inteles doar dupa ce au

fost elucidate o serie de aspecte legate de structura atomului. Cercetarile au aratat ca legatura chimica se afla intr-o corelatie stransa cu invelisul exterior al at atomilor care participa la formarea ei. Studiul configuratiei electronice a elementelor a aratat ca doar gazele rare au configuratia completa a ultimului strat, ceea ce le confera o inertie chimica ridicata. Atomii acestor gaze nu reactioneaza intre ei si se comporta ca niste sfere care, in miscarea lor dezordonata se ciocnesc elastic. Atomii celorlalte elemente

chimice tind sa isi formeze configuratie completa pe ultimul strat, iar atunci cand vin in contact unii cu altii, isi modifica invelisul exterior al atomului si se leaga unii de altii formand agregate atomice denumite compusi chimici. Deformarea invelisului atomic exterior determina aparitia fortelor de interactiune dintre atomi, respectiv legatura chimica.

Formarea configuratiei complete a stratului de valenta, se poate realiza de catre

atomi prin una din variantele:

primind unul sau mai multi electroni de la un alt atom/atomi

cedand catre alt atom/atomi unul sau mai multi electroni

punere in comun cu alt atom/atomi a unuia sau mai multi electroni

In functie de modul in care atomii isi formeaza configuratia completa a ultimului

strat, interactiunile dintre ei (legaturile chimice) sunt diferite.

Legaturile chimice cunoscute astari se clasifica astfel:

Legaturi intramoleculare, care se stabilesc intre atomii componenti ai

unei combinatii chimice. In cadrul acestor tipuri de legaturi sunt incluse:

● Legatura ionica

● Legatura covelanta

● Legatura coordinativa

● Legatura metalica

Legaturi intermoleculare, care se stabilesc intre molecule deja formate.

Dintre acestea, cele mai importante sunt:

● Legatura de hidrogen

● Legatura van der Waals

Atomii și moleculele

Cele mai multe molecule sunt pluri-atomice; de exemplu, molecula de apa este formata din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen. Termenul "molecula" a fost utilizat inițial ca un sinonim pentru "molecula fundamentala" de gaz, indiferent de structura acestuia. Aceasta definiție corespunde doar pentru cateva tipuri de gaze (de exemplu, elementele chimice inerte care nu formeaza compuși, cum ar fi heliu), avand "molecule" formate dintr-un singur atom.

Sistemul periodic al elementelor

Prima ordonare a elementelor chimice a fost facuta de Mendeleev in 1869 si reprezinta o sucesiune a elementelor dupa masa atomica si asemanarile chimice. Intocmirea acestui tabel a permis lui Mendeleev sa corecteze caracteristicile unor elemente si sa prevada existenta altora care au fost descoperite mai tarziu.

Mendeleev a aratat ca atunci cand aranjam elementele in ordinea greutatilor atomice (cu un numar mic de exceptii) proprietatile lor fizice si chimice se repeta periodic. Astazi stim ca elementele din tabelul lui mendeleev nu sunt asezate dupa greutatile lor atomice, ci dupa numarul atomic Z. Cele doua moduri de ordonare coincid. Periodicitatea in proprietatile elementelor se explica prin faptul ca electronii se dispun in paturi si subpaturi de un anumit fel.

Toti electronii care intra in structura aceleiasi paturi au acelasi numar cuantic principal. Fiecare perioada incepe cu completarea cu electroni a unei noi paturi . Proprietatile fizico chimice ale elementelor sunt determinate de numarul si de pozitia electronilor de valenta. De aceea completarea periodica anoilor paturi duce la periodicitatea prioritatilor atomilr. Asadar , periodicitatea proprietatiloe elementelor reflecta periodicitatea electronilor din atom.