Elektrony w atomie

Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Powłoki elektronowe / Elektrony walencyjne / Konfiguracje elektronowe / Zmiana poziomów energetycznych i towarzyszące im zjawiska /

Powłoki elektronowe

Co to jest elektron?

Kwestia budowy materii była pierwszym zagadnieniem, z którym przyszło zmierzyć się ludzkiej myśli naukowej. Można by też śmiało powiedzieć, iż doprowadziła ona do powstania nauki. Początkowe pomysły na rozwiązanie tego zagadnienia był bardzo prymitywne. Tales na przykład twierdził, że wszystko składa się z wody. Inny wielki starożytny myśliciel: Arystoteles, sądził natomiast, że cała materia we wszechświecie składa się z czterech podstawowych elementów: ziemi, powietrza, ognia i wody. Na te cztery elementy działają dwie siły: grawitacja, czyli skłonność ziemi i wody do opadania, oraz lewitacja, czyli skłonność powietrza i ognia do unoszenia się.
W dzisiejszych czasach pogląd na budowę materii uległ drastycznym zmianom. Najnowsza fizyka odkrywa przed naszymi oczyma świat tak strasznie dziwny i skomplikowany, że trudno jest go podporządkować naszemu logicznemu umysłowi. Tymi dziwnymi rzeczami są cząstki elementarne, podstawowe składniki materii. Taką cząstką jest również i elektron. Gdyby zapytać naukowca (fizyka, chemika): co to jest cząstka elementarna, to nie potrafiłby on dokładnie odpowiedzieć nam na to pytanie. Mógłby on nam powiedzieć tylko tyle, że jest to coś, co w pewnych warunkach zachowuje się tak i tak, a w innych tak i tak. Ale na pytanie, co to jest za byt i jak on istnieje, żaden naukowiec nie jest w stanie udzielić odpowiedzi.
Elektrony nie dają się zaobserwować tak jak przedmioty, które nas otaczają. Nie mają one żadnej barwy, długość fali światła ma do tego celu zbyt dużą wartość. Wiemy więc o nich tylko pośrednio z różnych doświadczeń. Doświadczenia te pokazują nam jednak zadziwiający obraz mikroświata. Cząstki elementarne takie jak elektrony są to byty, które nie przypominają w żaden sposób przedmiotów naszego życia codziennego. Nie mają one określonego miejsca w przestrzeni. Wspólczesna defincja elektronu jest następująca.

Rys. 1 Barwienie płomienia przez pierwiastki 1 grupy

W czasie badań elektronów atomów różnych pierwiastków wykazano, że elektrony posiadają różne energie. Tę wiedzę uzyskano dzięki badaniu światła wysyłanego przez atomy, pobudzane działaniem wysokiej temperatury, łuku elektrycznego lub iskry. Światło emitowane przez atomy składa się z linii o określonych częstotliwościach drgań; określa się je jako widmo liniowe atomu. Dobrze jest to widoczne na rysunku 1, gdzie w ogniu palnika wygrzewane są związki chemiczne litu, sodu, potasu, rubidu i cezu. Na rysunku wyraźnie widać, że każdy z pierwiastków barwi płomien palnika na inny kolor. Podwaliny pod wyjaśnienie tego zjawiska dał w 1913 roku N.Bohr, opracowując pierwszy model atomu uwzględniający rozmieszczenie elektronów wokół jądra atomu.

Pózniejsze odkrycia z fizyki zmieniły model Bohra ale nie spowodowały istotnych zmian w poglądach na rozmieszczenie elektronów wokół jądra. Nowa teoria wzbogacona aparatem matematycznym dała nam pełny obraz budowy atomu, zjawisk jakie obserwujemy podczas reakcji chemicznych i budowy cząsteczek.
Zgodnie ze współczesnymi poglądami, elektron w swojej naturze ma on cechy falowe i materialne, dlatego nie jesteśmy w stanie dokładnie określic jego położenia w atomie. Przyjęto, że elektrony rozmieszczone są na "powłokach", a elektron spostrzegany jest jako "chmura elektronowa", która posiada swoją energię. Każda z powłok ma swój numer. Ta najbliższa jądru ma numer n = 1, kolejna n = 2, n = 3, n = 4.....itd.

Powłoki oprócz oznaczeń cyfrowych opisuje się często symbolami literowymi (patrz tabela)

Wartość n	1	2	3	4	5	6
Symbol literowy	K	L	M	N	O	P

Oznaczenia K, L, M, N, O, P są obecnie traktowane jako historyczne i nie zaleca się ich stosować.

Rys. 2 Rozmieszczenie powłok

Rozmieszczenie powłok 1(K), 2(L), 3(M), 4(N) w atomie przedstawia rysunek 2. Każdy z poziomów energetycznych może pomieścić maksymalnie ściśle określoną ilość elektronów, która odpowiednio wynosi; Poziom energetyczny Maksymalna ilość elektronów 1-szy 2 2-gi 8 3-ci 18 4-ty 32 5-ty 50

Elektrony walencyjne

Rys. 3 Model atomu sodu 1123Na Rys. 4 Model atomu magnezu 1224Mg

Zapełnianie powłok elektronami następuje od powłok najbliżej położonych jądra, tj. powłoki 1, dalej 2, itd. Na zewnętrznej ostatniej powłoce znajdują się elektrony słabo związane z jądrem atomu. Elektrony te nazywamy elektronami walencyjnymi. Znając ilość elektronów w atomie, kolejność zapełniania powłok i ich maksymalną pojemność, jesteśmy w stanie zbudować modele atomów. Przykładem są modele atomów sodu (Na) i magnezu (Mg) (patrz rysunki 3 i 4). Ilości elektronów walencyjnych w przedstawionych modelach odpowiednio wynoszą; 1 elektron walencyjny dla sodu (Na) 2 elektrony walencyjne dla magnezu (Mg). Konfiguracje elektronowe Często rozmieszczenie elektronów w atomie przedstawia się za pomocą tzw. konfiguracji elektronowej, która podaje w jaki sposób rozmieszczone są elektrony na powłokach. Przykład Na - (2,8,1), Mg - (2,8,2) Konfiguracja elektronowa, czyli rozmieszczenie elektronów w atomie, daje chemikowi cenne informacje, pozwalające przewidywać właściwości i zachowanie się pierwiastka w różnych warunkach oraz reakcje chemiczne, w jakie może wchodzić.

W tabeli zamieszczonej niżej przedstawiono konfiguracje elektronowe pierwiastków o liczbach atomowych od 1 do 20.

Konfiguracje elektronowe pierwiastków
Numer grupy Okres	1	2	13	14	15	16	17	18
1	1H (1)							2He (2)
2	3Li (2,1)	4Be (2,2)	5B (2,3)	6C (2,4)	7N (2,5)	8O (2,6)	9F (2,7)	10Ne (2,8)
3	11Na (2,8,1)	12Mg (2,8,2)	13Al (2,8,3)	14Si (2,8,4)	15P (2,8,5)	16S (2,8,6)	17Cl (2,8,7)	18Ar (2,8,8)
4	19K (2,8,8,1)	20Ca (2,8,8,2)

Symboliczne przedstawianie elektronów walencyjnych

Często ilości elektronów walencyjnych rysuje się kropkami przy symbolu pierwiastka (patrz rysunek).

Dlaczego atomy barwią płomień palnika?

Rys. 5 Emisja światła

Otóż odpowiedź jest prosta - elektrony w atomie zajmują ściśle określone poziomy energetyczne a przy zmianie poziomu następuje zmiana energii elektronu DE. Jeżeli elektron przechodzi z wyższego poziomu na niższy, wtedy następuje emisja energii DE.. Chcąc przenieść elektron z poziomu niższego na wyższy musimy dostarczyć energie DE do atomu (rys. 5). A dlaczego płomień palnika staje sie barwny Podgrzewając atom, dostarczamy energię DE, która przenosi elektrony na wyższy poziom. Po pewnym czasie elektrony wracają na niższą powłokę emitując porcję energii. Energia jest emitowana w postaci promieniowania, które ma ściśle określoną długość fali świetlnej. Z tą długością fali związane jest spostrzeganie barw.

Ponieważ każdy pierwiastek emituje charakterystyczne dla siebie długości fal świetlnych, stąd i różne barwienie płomienia palnika gazowego, przez pierwiastki pierwszej grupy (rys.1)

Ważne pojęcia

Powłoka elektronowa - miejsce znajdowania się elektronów o jednakowej energii. Elektrony walencyjne - to elektrony ostatniej powłoki. Konfiguracja elektronowa - przedstawienie rozmieszczenia elektronów z wykorzystaniem symboli powłok elektronowych

POWRÓT

DALEJ