Structura atomului

1

STRUCTURAATOMULUI

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-e-e-

e-

e-

+

++

++

+n

+

++

+

+

+ +

n

n

n

nn n

n n

n

n n

n

n

ISTORIA ATOMULUI• Democrit (secolul V î.Hr.) – lumea

înconjurătoare este alcătuită din atomi = particule indivizibile şi veşnice (în limba greacă, atomos = indivizibil).

• 1803 J. Dalton, fizician şi chimist englez teoria atomică proprie: explică legea proporţiilor multiple afirmând că din moment ce substanţele se combină numai în proporţii integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.

2

• În secolul al XIX-lea s-au făcut progrese în concepţia atomistă prin: – descoperirea radioactivităţii naturale (1896 de

către A.H. Becquerel, premiul Nobel pentru fizică în 1903)

– descoperirea electronului (1897 de către J.J. Thomson, premiul Nobel pentru fizică în 1906).

• Despre structura atomului redată de “fizica atomică”, în sens propriu, se poate vorbi abia de la începutul secolului XX, când au fost elaborate primele modele atomice.

ISTORIA ATOMULUI

Sfârşitul secolului XIX• Lumina (radiaţiile X, ultraviolete, vizibil, infraroşu) se

propagă în spaţiu având proprietăţi de undăelectromagnetică: reflexia, refracţia, interferenţa, polarizarea.

• Materia şi energia - considerate noţiuni total distincte:– Materia – particule caracterizate prin masă şi poziţie bine

definite în spaţiu– Undele – manifestarea a energiei, fără masă şi

delocalizate în spaţiu• Electronul şi protonul sunt cunoscuţi.• Nu se ştia de existenţa neutronului, acesta urma să

fie descoperit în 1932 de James Chadwick.• Atomul divizibil era cunoscut, nu se cunoştea cu

precizie structura sa.

3

MODELE ATOMICE

1. 1904 – J.J. Thomson – „cozonac cu stafide” – atomul era reprezentat ca o sferă cu sarcină electrică pozitivă distribuită în tot volumul, iar în aceasta „înoată” electronii negativi.

MODELE ATOMICE2. 1911 – E. Rutherford

(premiul Nobel pentru chimie în 1908) –modelul planetar –atomul are în centru nucleul încărcat pozitiv (dimensiuni reduse), care conţine practic toată masa atomului; în jurul nucleului se rotesc peorbite circulare e–, în număr egal cu sarcinile pozitive din nucleu (analogie: Soare = nucleu, planete = electroni).

4

3. 1913 – N. Bohr (premiul Nobel pentru fizică în 1922) – pentru atomul de hidrogen preia modelul planetar al lui Rutherford, căruia îi aplică teoria cuantelor.

4. 1915 – A. Sommerfeld „perfecţionează”modelul lui Bohr

5. după 1925 – modelul ondulatoriu staţionar – elaborat ca urmare a rezultatelor cercetărilor unor renumiţi fizicieni, laureaţi ai premiului Nobel: L. de Broglie(1929), W. Heisenberg(1932), E. Schrodinger (1933).

MODELE ATOMICE

Care sunt cunoştinţele elementare ale “publicului larg” despre atom?

• Atomul este format dintr-un nucleu în jurul căruia se rotesc electronii.

• Particulele elementare din nucleu, protonii au sarcină electrică pozitivă, iar neutronii sunt neutrii d.p.d.v. electric.

• Electronii care gravitează în jurul nucleului au sarcinăelectrică negativă.

• Protonii şi electronii se atrag prin forţe electrostatice.• Numărul electronilor din învelişul electronic este egal cu

numărul protonilor din nucleu (atomul este neutru).• Ex. – atomul de oxigen O:

8 protoni + 8 neutroni în nucleuşi 8 electroni care gravitează în jurul nucleului

5

STRUCTURA ATOMULUIPERSPECTIVE

Fizica clasică• domeniu macroscopic →

lumea de zi cu zi• fizica clasică, mecanica

newtoniană– descrierea completă a

stării unui sistem înseamnă cunoaşterea la un moment dat a tuturor coordonatelor şi vitezelor acestuia

Fizica cuantică – ondulatorie• domeniu submicroscopic:

– atomic (10-10 m) – nuclear (10-14 m)

• fizica cuantică, mecanica cuantică, ondulatorie – variaţia parametrilor fizici

se face în salturi– operează cu metode

statistice şi de probabilitate

STRUCTURA ATOMULUI

• În lumea atomului există un UNIVERS în miniatură

• Atomul reprezintă o întreagă lume a cărui „locuitori” se comportă într-un mod cu totul neobişnuit şi foarte complex

6

Présentation des acteurs !• Max Planck (1858 - 1947),

Premiul Nobel Fizică 1918(Radiaţiile corpului negru –Teoria cuantelor)

• Albert Einstein (1879-1955),Premiul Nobel Fizică 1921(Efectul fotoelectric)

• Niels Bohr (1885-1962),Premiul Nobel Fizică 1922(Modelul atomului de hidrogen)

• Wolfang Pauli (1900-1958),Premiul Nobel Fizică 1945(Principiul excluziunii)

Présentation des acteurs (suite) !• Louis-Victor de Broglie (1892-1987),

Premiul Nobel Fizică 1929(Lumina – dualitate corpuscul / undă)

• Werner Heisenberg (1901-1976),Premiul Nobel Fizică 1932(Principiul incertitudinii)

• Erwin Schrödinger (1887-1961),Premiul Nobel Fizică 1933(Ecuaţia de undă – Mecanica ondulatorie)

• Paul Dirac (1902-1984),Premiul Nobel Fizică 1933(Materie – antimaterie)

• Richard Feynmann (1918-1988),Premiul Nobel Fizică 1965(Teoria electrodinamicii cuantice)

7

La photo de famille, tous lauréats du prix Nobel !

James Chadwick(1891-1974)

Premiul Nobel Fizică 1935

Descoperirea neutronului

Clinton Davisson (1892-1975)


Difracţia e– prin cristale

George Thomson (1881-1958)


Difracţia e– prin cristale

Wilis Lamb (1913- )


Structura fină a spectrului hidrogenului

Arthur Compton (1892-1962)


Efectul Compton

Robert Millikan(1868-1953)


Calcul sarcină e–

şi efect fotoelectric

Ernest Rutherford(1871-1937)

Premiul NobelChimie 1908

“Părintele" fiziciinucleare

Polykarp Kusch(1911-1993)


Determinarea momentuluimagnetic al e–

• 1897 – electron• 1910 – nucleul (şi protonul)• 1932 – neutronul şi

pozitronul• 1935 - miuon• 1939 – pion • 1950 - 1960 – barioni• 1950 -1960 – mesoni• 1959 – neutrino electronic• 1962 – neutrino miuonic• 1970 - 1980 – up, down, strange, charm, bottom quark; tau

lepton• 1983 - bosoni vectoriali intermediari W,Z• 1995 – top quark• 2001 - tau neutrino

Istoria modernă a particulelor elementare

8

SPECTRUL ELECTROMAGNETIC

Radiaţia electromagneticăUnda = o vibraţie prin care se

transmite energieLungime de undă λ = distanţa dintre

două puncte identice situate pe două unde succesive (vibraţii alăturate) unitate măsură = metrul

Frecvenţa ν = numărul de unde complete (cicli) care trec printr-un punct dat în unitatea de timp unitate măsură Hertz = Hz = s-1

Amplitudinea A = distanţa verticală de la linia de propagare a undei la punctul ei maxim

Punctele care au „A” = 0 se numescnoduri şi se repetă la un interval de λ/2c = viteza luminii = 2,99·108 m/s

νλ 1≈

νλ

1⋅= c

B = Câmp magnetic

λ = Lungime de undă

E = Câmp electric

9

Qu’est-ce qu’un corps noir ?M. Planck – Teoria cuantelor

Corp negru = un corp ideal – absoarbe toată energia pe care o primeşte, toate radiaţiile incidente.

Planck constată că un corp negru adus la incandescenţă emite energie sub formă de radiaţiiîn mod discontinuu, în dependenţă de temperatura sa neconcordanţă cu previziunile fizice clasice: “materia poate absorbi sau emite orice cantitate de energie”

M. Planck – Teoria cuantelorUn corp negru emite energie în “porţii finite”sau “pachete” de dimensiuni bine definite, nu în mod continuu undele, respectiv lumina, se produc şi se absorb discontinuu prin vibraţia atomilor sau grupurilor de atomi

Energia atomilor depinde de frecvenţa vibratieilor:

E = h·νh = constanta lui Planck, constantă universală h = 6,63·10-34J·s.

10

Planck, octombrie 1900:• radiaţiile pot fi absorbite sau cedate

numai în cantităţi discrete de multipliîntregi ai mărimii “h·ν”, adică 1h·ν, sau 2h·ν, sau 3h·ν, etc.

• “cuanta” = cea mai mică cantitate de energie egală cu h·ν, conţinută de o radiaţie electromagnetică

M. Planck – Teoria cuantelor

A. EINSTEIN – 1905EFECTUL FOTOELECTRIC

11

1905 – A. Einstein – studiul efectului fotoelectricundele electromagnetice de o anumită frecvenţă (prag de frecvenţă caracteristic fiecărui metal) determină eliberarea de e- de pe suprafaţa metalelor Radiaţiile au o structură corpusculară

sunt compuse din fotoni (1923 …) structura“discontinuă” a luminii dualitatea undă / particulăEste prima dată în istoria fizicii când un obiect e descris din perspectivă dublă!

Lumina se comportă ca o undă şi este formată dinparticule = fotoni! EE = h= hνν şi pp == h/h/λλ mvmv == h/h/λλ

ALBERT EINSTEIN EFECTUL FOTOELECTRIC

A. EINSTEIN EFECTUL FOTOELECTRIC

E = m·c2

(Einstein – T. Relativităţii)

Calculul masei unei cantităţi de energie care se mişcă cu viteza luminii

Materie – corpuscul –foton

Lumina = Radiaţieelctromagnetică

chcch

cEm

⋅=

⋅==

λλ2

2 /

λhcm =⋅

λhp =

λυ chhE ⋅=⋅=

12

1905 – CONCLUZII Planck + Einstein

Materia emite radiaţii luminoase discontinuu.Lumina este compusă din “pachete de energie”; particulele

componente ale luminii au fost denumite fotoni mai târziu, în anul 1923.

Lumina este absorbită de materie în mod discontinuu.Lumina are un comportament MIXT explicat simplist astfel:• Când «călătoreşte» = se propagă = comportament de

undă.• Când interacţionează cu materia se comportă ca

particulele (= pachete de energie).

h fh = 0,000000000000000000000000000006626 J·s = 6,62·10-34 J·s

ATOM – ENERGIE Un atom absoarbe energie (luminoasă,

electrică, termică) trece dintr-o stare de energie inferioară E1 într-una superioarăE2. Când atomul emite energie, fenomenul este invers: ΔE = E2 - E1 = hν

E = hυ

E2

E1

Stare excitată

Starefundamentală

Absoarbeenergie Emite

energie

13

Când un atom absoarbe o radiaţie de frecvenţă υ, energiacorespunzătoare hυ este transferată atomului trece într-o stare excitată de energie E* = E + hυ:Atom + Foton Atom excitat

Când un atom emite o radiaţie de frecvenţă υ trece într-o stare energetică inferioară, E = E* - hυ:

Atomul excitat Atom + Foton

SPECTRE DE EMISIE ALE ATOMILOR

N7

He2

Fe26

Ca20

Aceste schim-buri de fotoni au loc lafrecvenţe {υ} caracteristice, în funcţie de naturaatomuluiconsideratSpectreleatomului

14

source derayons α

feuille en or

film photographique

Modelul atomic al lui RutherfordExperienţa lui Rutherford (1911) – bombardarea unei foiţe de aur cu un fascicul de particule α, adică ioni de He2+ :

Ecran

Poloniu

Fascicul de particule α

Foiţa de aur

1 1

2

3

2

3

4

4

Modelul atomic planetar al lui Rutherford

Concluzia materia are structură lacunarăatomii sunt constituiţi din nuclee pozitive, dispuse în centrul atomilor, în jurul lor rotindu-se pe orbite circulare electronii (cu sarcină negativă, în număr egal cu sarcinile pozitive din nucleu). Deficienţa – De ce nu cad electronii la un moment dat pe nucleu, ştiut fiind că o sarcină electrică în mişcare accelerată pierde continuu din energia sa prin radiaţie electromagnetică?”

15

MODELUL ATOMIC AL LUIBOHR (1913)

Aplicabil atomului de hidrogen şi ionilor hidrogenoizi(ionii cu un singur e– în câmpul de sarcini +Ze al nucleului: He+, Li2+, Be3+)Are la bază modelul planetar al lui Rutherford căruia îi aplică teoria cuantelor.Bohr emite 2 ipoteze :

(1) numai anumite orbite electronice sunt posibile în jurul nucleului (orbite permise, staţionare« cuantificate »)(2) În mişcarea sa pe o orbită dată, e– nu emite (şi nu absoarbe) energie radiantă

Atomul poate absorbi sau emite energie radiantă de o anumită frecvenţă, numai discontinuu, corespunzândunor tranziţii electronice care dau naştere liniilor spectrale.


e- efectuează o mişcare circulară uniformă pe oorbită de rază R.

Forţa de atracţie Coulombiană între e– încărcat (-) şi cei Z protoni ai nucleului încărcaţi (+) este echilibrată de forţa centrifugă

p+

e-v

r F1

4 ZeR

atr0

2

2= ⋅πε

RvmF

2.centrifuga

⋅=

m vR

14

ZeR

2

0

2

2⋅

= ⋅πε

16

Pentru calculul nivelelor energetice, Bohr admite că:

• momentul cinetic unghiular al e- pe orbita circulară este un multiplu întreg (n) de h/2π:

• m·v·r = n· h/2π (m·v·2πr = n·h)• n = număr cuantic principal• e– - se găseşte doar pe anumite orbite definite

de n• n = 1 atomul de H se găseşte în starea sa

fundamentală are stabilitatea maximă.


MMododeellulul luilui Bohr Bohr pentru pentru atomatomulul dde e hhiidrogdrogeenn

1) Echilibrul forţelor: centrifugă/centripetă

2) Conservarea energiei : E = E cinetică +E potenţială

3) Conservarea momentului cantităţii de mişcare:

mv2

r+ k

− e2

r2 = 0

mv2

2+ k

− e2

r= E n

Atomul de hidrogen există şi este stabil.

Momentul unghiular: mvr = constantIIpotpotezaeza luilui BohrBohr : mvr =n.(h/2π) unde n=1, 2, 3…∞

p+

r

e-v

17

MMododeellulul luilui Bohr Bohr pentru pentru atomatomul de ul de hhiidrogdrogeenn

1)

2)

3) egalând:

mv2

r= k

e2

r2 ⇒ mv

2= k

e2

r

Rezolvarea problemei:

mvr = nh

2 π⇒ (mvr )

2= ( n

h2 π

)2⇒ mv

2=

n2

mr2 (

h2 π

)2

ke 2

r=

n 2

mr 2 (h

2 π) 2 ⇒ r =

n 2 h 2

4 π 2 me 2 k= n 2 .a 0

4) deci: v = nh

2 π mr=

2 πkenh

2

⇒ v =1n

v 0

5) E n =mv

2

2+ k

− e2

r=

−2 π2me

4k

2

n2h

2 =− An

2

MMododeellulul luilui Bohr Bohr pentru pentru atomatomul de ul de hhiidrogdrogeenn

În concluzie:

1) r n = n2

.a 0 = n2.0 , 5297 .10

−10m

n=1, 2, 3, …∞2) v n =1n

v 0 =1n

2 , 214 .106

m / s

3) E n =− An

2 =−21 , 757

n2 10

− 19j

18

MMododeellulul luilui Bohr Bohr şşii spectrspectrulul atomatomuluiului dde e hhiidrogdrogeenn

{νν }

-A

-A/4

-A/9

0 -A/25 -A/16

Energie n Stări

1

3

2

∞5 4

absorbţie emisieFundamental

Ionizate

Stări excitatesuperioare

Primul nivelexcitat

}

Modelul atomic Bohr-Sommerfeld

• 1915 – A. Sommerfeld explică structurafină a liniilor din seriile spectrale ale H.

• Presupune că orbitele staţionaredescrise de e– în jurul nucleului atomic sunt nu numai circulare ci şi elipticeunei orbite circulare cu număr cuantic principal n, îi corespund (n-1) orbite staţionare eliptice fiecare orbitã circulară a lui Borh se descompune în(n-1) elipse cu excentricităţi diferite

19

Rezultă o familie de orbite pentru fiecare număr cuantic principal n>1 Orbita cu l=0 are o simetrie circularã, iar orbitele cu l=1,2,...n-1, sunt eliptice

l = numar cuantic secundar, orbital

Modelul atomic Bohr-Sommerfeld

n = 4, l = 0,1,2,3n = 3, l = 0,1,2n = 2, l = 0,1

MMododeellulul ondulatondulatoorriuiu

- Modelul lui Bohr nu se aplică decât atomului de hidrogen şi ionilor hidrogenoizi (sisteme monoelectronice), în absenţa câmpului electricsau magnetic

-Experienţele de difracţie arată că electronii au caracteristicile unei unde.-L.V. de Broglie - O particulă elementară în mişcare are asociată o undă a cărei lungime de undă variază cu energia sa.

-- Lungimea de undă este determinată de relaţia lui «« de Brogliede Broglie »»λλ=h/=h/mvmv

Unda electromagnetică = undă cu proprietăţicorpusculare.

Electronul este o particulă cu proprietăţi ondulatorii.

Electronul dualitdualitateate uundndăă / / corpusculcorpuscul.

vmhλe

=

20

Principiul incertitudinii al lui Heisenberg

2πh pΔ . ΔX ≥

Determinarea simultană a poziţiei şi momentului cinetic unui electron este imposibilă; cu cât valoarea uneia dintre mărimi este calculată cu mai multă precizie, cu atât valoarea celeilalte este mai imprecisă

În cazul în care masa e constantă 2mπh vΔ . ΔX ≥

Modelul cuantic: noţiunea de orbital

Mecanica cuantică – imposibil de a determina cu exactitate poziţia unei particule elementare, subatomice, numai probabilitatea prezenţei acesteia într-o regiune din spaţiu.

Nu se poate vorbi despre “traiectoria” e–, numai despre probabilitatea prezenţei lui într-o anumită regiune din spaţiu

1925 – Schrödinger – ecuaţia diferenţială liniară de gradul doi sau ecuatia lui Schrödinger pentru care soluţiile permit determinarea probabilităţiiprezenţei e- în jurul nucleului există o regiune din spaţiu unde acastă probabilitate este mare(peste 90%). Această regiune corespunde unui element de volum determinat de o suprafaţă limitănumită orbital atomic (O.A.).

Modelul cuantic: noţiunea deorbital

21

Ecuaţia lui Schrodinger= arată caracterul ondulatoriu al mişcării

electronului în atom, descris de o funcţie de undă, Ψ

= prezentare matematică a comportării e–

în atom sub forma ecuaţiei de undă. = exprimă probabilitatea statistică ca e–

să se găsească la un moment dat (t)într-o anumită regiune în atom, prinintermediul funcţiei de undă Ψ:

Ecuaţia lui Schrodinger

Ψ = funcţia de undă sau amplitudinea undei asociată e–

în punctul de coordonate (x,y,z)m = masa e–

h = constanta lui PlanckEp = energia potenţială a e–

Et = energia totală a e–:n = nivelul energiei şi “e” = sarcina e–.

= densitatea de probabilitate (P) a prezenţei e– într-un punct de coordonate (x, z, y) din spaţiul perinuclear

= rezolvarea ecuaţiei dă soluţii reale care sunt funcţiilede undă Ψ (sau OA), numai pentru anumite valoriale Et a e– (valori proprii, E e– în stări staţionare), definite de setul de numere cuantice n, l, m, s E e– în atom este cuantificată

( ) 082

2

2

2

2

2

2

2

=Ψ−+∂Ψ∂

+∂Ψ∂

+∂Ψ∂

pt EEh

mzyx

π

2Ψ

22

422hnmeEt

π−=

HΨ = EΨ

22

NUMERE CUANTICEComportamentul electronului atomului de H este

descris de 4 numere cuantice: n, n, ll, m, s, m, s.nn – numărul cuantic principal indică energia

e–.ll – numărul cuantic secundar, azimutal

indică mărimea momentului unghiularorbital.

mm – numărul cuantic magnetic indicădirecţia momentului unghiular orbital.

ss – numărul cuantic de spin indică ocaracteristică intrinsecă a e–, spinul său.

n – numărul cuantic principal, • indicã semiaxa mare a orbitei eliptice; • ia valori 1,2,3,4,...n sau 1 ≤ n ≤ ∞; • reprezintă straturile electronice K, L, M, N, O, P,

Q. • determinã atât energia totalã a e– care ocupă un

orbital, cât si dimensiunea orbitalului. • Numărul maxim de e– ce corespund unui strat cu

număr cuantic principal n este dat de relaţia:

NUMERE CUANTICE

21-n

0=ln 2 1)-2n + .......... + 3 + (l 2 = 1)+l(2 2 =⋅∑

23

l - număr cuantic secundar, orbital, azimutal,

• indică semiaxa mică a orbitei eliptice• reprezintă momentul unghiular al

electronului pe orbită şi substrat; • are valorile l = 0,1,2,3,..... sau 0 ≤ 1 ≤ n-1.

Pentru l=0 orbita e circulară, l≠0 orbita este eliptică.

• Indică tipul de substrat: s p d f

NUMERE CUANTICE

• m – numărul cuantic magnetic, indică poziţia (orientarea) orbitei electronice într-un câmp magnetic şi are valori negative şi pozitive, în total 2l+1 valori:

-l .....-2 ,-1, 0, 1, 2, ..... +l sau -l ≤ m ≤ +l• s – numărul cuantic de spin, caracterizează

mişcarea de rotaţie a electronului în jurul propriei sale axe, ia valorile +1/2 sau -1/2

NUMERE CUANTICE

OA: n=1l=0m=0

e–: n=1l=0m=0s=-1/2

e–: n=1l=0m=0s=+1/2

24

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

l 0 1 2 3 4 5 6

substrat s p d f g h i

n 1 2

l 0 0 1

m 0 0 −1 0 1

stare 1s 2s 2px 2py 2pz

NUMERE CUANTICE

număr cuantic secundarnumăr cuantic principal

ORBITALI ATOMICIOrbitali s: Orbitali p

Orbitali d:

OA 1s, 2s şi 3s

25

ORBITALI ATOMICI d

49

dxy dxz dyz

http://www.rsc.org/chemsoc/visualelements/orbital/orbital_d.htmldx2-y2 dz2

f z3 f xz2 şi f yz2 f xyz şi f z(x2-y2) f x(x2-3y2) şi f y(3x2-y2)

ORBITALI ATOMICI f

26

STRATURI ELECTRONICESTRATUL K (n = 1) :

Primul strat (n = 1) nu are decat 1OA = 1s pentru că « l » nu poate avea decât valoarea 0.

Substratul 1s are 1 OA pentru ca « m » nu poate aveadecât valoarea 0.

n = 1 0 ≤ l ≤ n - 1 l = 0

- l ≤ m ≤ + l m = 0

Primul strat nu poate conţine decât max 2 e– cu spini anti-paraleli

l = 0

1s

substrat s

1 OA

Strat L ( n = 2 ) n = 2 0 ≤ l ≤ n - 1 l = 0

- l ≤ m ≤ + l m = 0l = 0

l = 1

- l ≤ m ≤ + l m = -1 ; 0 ; +1l = 1

2 s

m = 0

2 p

m = -1 m = 0 m = +1

Substrat s

Substrat p

1 OA

3 OA

2 e– max.

6 e– max.

8 e– max. total

STRATURI ELECTRONICE

27

Strat M ( n = 3 )n = 3 0 ≤ l ≤ n - 1

l = 0

- l ≤ m ≤ + l m = 0l = 0

l = 1

- l ≤ m ≤ + l m = -1 ; 0 ; +1l = 1

3 s

m = 0

3 p

m = -1 m = 0 m = +1

Substrat s

Substrat p

1 OA

3 OA

2 e– max.

6 e– max.

18 e– max. total

l = 2 Substrat d

- l ≤ m ≤ +l m =-2 ; -1 ; 0 ; +1; +2l = 25 OA 10 e– max.

3 d

m = -2 m = -1 m = 0 m = +1 m = +2


Strat N ( n = 4 )

4 s

m = 0

4 p

m = -1 m = 0 m = +1

4 d

m = -2 m = -1 m = 0 m = +1 m = +2

4 f

m = -3 m = -2 m = -1 m = 0 m = +1 m = +2 m = +3

32 e– max. total

l = 0

(4 s)

l = 1

(4 p)l = 2

(4 d)

l = 3

(4 f)-3 ≤ m ≤ +3


28

Numere cuantice – OA – Energie2

02n

E ZEn

= −

3dyz-1

3s0033px-113py09 OA de aceeasi energie

-E0Z2/93pz1(9 OA degenerati)3dxy-22

3dxz03dx2-y21

-E0Z21s0012s002

-E0Z2/42px-112py04 OA de aceeasi energie2pz1(4 OA degenerati)

Energien

3dz22

OAml

n = 1,2,3… ; l=0,…,n-1 ; m = -l,…-1,0,1,…,l

1 – Principiul energetic = construcţiei (AUFBACH) = stabilităţii e – sunt repartizaţi în ordinea creşterii energiei nivelelor (n crescător, l crescător)2 – Principiul lui Pauli2 e– ai unui atom diferă prin cel puţin un nr. cuantic 2 e– pot să ocupe acelaşi OA, dacă diferă prin spinul lor (s) = într-un atom nu există 2 e– cu toate cele 4 numere cuantice identice:

3 – Regula lui Hund OA de aceeaşi energie (degeneraţi, din acelaşi substrat) se ocupă cu e–

a.î. să aibă spin maxim

Reguli de distribuire a e– – configuraţii electroniceFiecare e– e caracterizat prin 4 nr. cuantice: n,l,m,s

Substrat p cu 3 e– :

S=1

S=1,5

sasauusasauu

unul al 2-lea sau

29

4. Regula lui KlechkowskiOrdinea de completare a O.A. urmează riguros ordinea crescătoare a energiei acestora, care este dată de succesiunea sumei (n+l) a diferiţilor O.A. În cazul în care 2 sau mai mulţi O.A. au aceeaşi sumă (n+l), se completează mai întâi O.A. cu n minim.

Reguli de distribuire a e– – configuraţii electroniceFiecare e– e caracterizat prin 4 nr. cuantice: n,l,m,s

OA Substrat n l n + l1 s 1 0 12 s 2 0 22 p 2 1 33 s 3 0 33 p 3 1 44 s 4 0 43 d 3 2 54 p 4 1 55 s 5 0 54 d 4 2 65 p 5 1 66 s 6 0 64 f 4 3 75 d 5 2 76 p 6 1 77 s 7 0 75 f 5 3 86 d 6 2 8

ordinea123456789101112131415161718

Ordinea de ocupare cu e– a OA: Regula lui Klechkowski

30

Tabla de şah a lui Goldanski

Configuraţia electronică a atomului unui E locul E în SPConfiguraţii electronice – e– distinctiv:

H 1H 1 ee–– →→ 1s1s11

HeHe 2e2e–– →→ 1s1s22

Li 3eLi 3e–– →→ HeHe 2s2s11

B 5eB 5e–– →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p11

BeBe 4e4e–– →→ HeHe 2s2s22

C 6eC 6e–– →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p22

N 7eN 7e–– →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p33

O 8eO 8e–– →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p44

F 9eF 9e–– →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p55

Ne 10eNe 10e–– →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p66

STRATSTRATKK

n=1n=1

STRATSTRATLL

n=2n=2

1s

2s

4s

3p

3s

2p

ConfiguraConfiguraţţii ii electroniceelectronice fundamentalefundamentale

31

Stratul al 3-lea M E din perioada a 3-a:

Na 11e– → Ne 3s1

Al 13e– → Ne 3s2 3p1

Mg 12e– → Ne 3s2

Si 14 e– → Ne 3s2 3p2

P 15e– → Ne 3s2 3p3

S 16e– → Ne 3s2 3p4

Cl 17e– → Ne 3s2 3p5

Ar 18e– → Ne 3s2 3p6

1s

2s

4s

3p

3s

2p

ConfiguraConfiguraţţii ii electroniceelectronice fundamentalefundamentale

OA s şi pPrincipiul construcţiei ‘Aufbau’

Regula lui Hund: Nr. maxim de e – necuplaţi într-un substrat configuraţia cea mai stabilă (cea mai joasă energie)

1s 2s 2p

C: 1s2 2s22p2

32

OA d

19K: 1s22s22p63s23p64s1 sau 18[Ar]4s1

20Ca: 18[Ar]4s2

21Sc: 18[Ar]4s23d1

23V: 18[Ar]4s23d3

24Cr: 18[Ar]4s23d418[Ar]4s13d5

27Co: 18[Ar]4s23d7

29Cu: 18[Ar]4s23d918[Ar]4s13d10

30Zn: 18[Ar]4s23d10

31Ga: 18[Ar]4s23d104p1

36Kr: 18[Ar]4s23d104p6

4f

4d

4p

4s

n = 4

3d

3p

3s

n = 3

2p

2sn = 2

1sn = 1

Ener

gie

Substraturi

s

s

s

s

p

p

p

d

d f

1s22s22p63s23p6

4s23d104p65s24d10 5p6

6s2 4f14 5d10 6p6

7s2 5f14 6d10 7p6 …

33

Diagrama energetică a OA

Energia OA 18

18

32

8

8

2

1s

2s 2p

3s 3p

4s 4p 3d

5s 5p 4d

6s 6p 5d 4f

NUCLEUSO’Connor, Davis, MacNab, McClellan, CHEMISTRY Experiments and Principles 1982, page 177

Ocuparea cu e– a OA ai unui atom polielectronic

Energie

0

3p (3px, 3py, 3pz)

3s

3d (3dxz, 3dxy, 3dyz, 3dx2-y2, 3dz2)

2p (2px, 2py, 2pz)

2s

1s

4s

4px (4px, 4py, 4pz)

5s

34

Diagrama energetică a OA

Ocuparea cu e– a OA ai unui atom polielectronic

Strat K 1

OA neocupaţi cu e – în stare fundamentală

Strat L 2

Strat M 3

35

Ordinea de ocupare cu e– a OA

Ocuparea cu e– a OA în ordinea redată de săgeţile coborâte pe diagonală, de la dreapta spre stânga, începând cu primul strat.

Numărul scris ca exponent la fiecare tip de substrat indică numărul maxim de e– din acel substrat calculat astfel: 2 · (2 l +1 ) = 4 l + 2, unde l = numărul cuantic secundar

1 s2

2 s 2 p6

3 s 3 p 3d10

4 s 4 p 4 d 4 f14

5 s 5 p 5 d 5 f

6 s 6 p 6 d 6 f

7s 7 p 7 d 7 f

K

L

M

N

O

P

Q

Regula lui Klechkowski

Scrierea fiecărui strat şi a substraturilor corespunzătoare în şiruri orizontale, în ordinea crescătoarea a numărului cuantic principal n.

Configuraţia electronică fundamentală a unui atom

Elementul cu Z = 50

1 s2

2 s 2 p6

3 s 3 p 3d10

4 s 4 p 4 d 4 f14

5 s 5 p 5 d 5 f

6 s 6 p 6 d 6 f

7s 7 p 7 d 7 f

K

L

M

N

O

P

Q

Ordinea de ocupare cu e– a OA Klechkowski :1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p2

Configuraţia electronică reprezentând nivelele energetice în ordinea crescătoare a “n”:1s2 / 2s2 2p6 / 3s2 3p6 3d10

4s2 4p6 4d10 / 5s2 5p2

Configuraţia electronică reprezentând straturile:

K2 L8 M18 N18 O4

36

Gaz nobil Simbol ZHeliu He 2Neon Ne 10Argon Ar 18Kripton Kr 36

Xenon Xe 54Radon Rn 86

1 s2

2 s 2 p6

3 s 3 p 3d10

4 s 4 p 4 d 4 f14

5 s 5 p 5 d 5 f

6 s 6 p 6 d 6 f

7s 7 p 7 d 7 f

K

L

M

N

O

P

Q

He (Z = 2)

Ne ( Z = 10 )

Ar ( Z = 18 )

Kr ( Z = 36 )

Xe ( Z = 54 )

Rn ( Z = 86 )

53E:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p5

53E: 36Kr 4d10 5s2 5p5

88 – 86 = 288 E: 88 = 86 + 2 86Rn 7s2

48 – 36 = 1248E: 48 = 36 + 12

36Kr 5s2 4d10

36Kr 4d10 5s2

33 – 18 = 1533E: 33 = 18 + 15

18Ar 4s2 3d10 4 p3

18Ar 3d10 4s2 4 p3

He (Z = 2)

Ne ( Z = 10 )

Ar ( Z = 1 8 )

Kr ( Z = 36 )

Xe ( Z = 54 )

Rn ( Z = 86 )

K

L

M

N

O

P

Q

1 s2

2 s 2 p6

3 s 3 p 3d10

4 s 4 p 4 d 4 f14

5 s 5 p 5 d 5 f

6 s 6 p 6 d 6 f

7s 7 p 7 d 7 f

Configuraţia electronică simplificatăa atomilor elementelor

37

d9 s2

Substratul d10 complet ocupat cu e–

Stabilitate mai mare

“saltul unui electron"

d10 s1

Substratul d5 semiocupat cu e–

Stabilitate mai mare

d4 s2

“saltul unui electron"

d5 s1

Atomii elementelor blocului “f”, metale de tranziţie internă, ar trebui să-şi ocupe cu e– OA în ordinea: 6s 4f 5d 6p, respectiv 7s 5f 6d 7p. Totuşi, în multe cazuri, substratul 5d (respectiv 6d) se ocupă cu 1 e– înaintea ocupării substratului 4f(respectiv 5f).

Excepţii de la regula luiKlechkowski

Z Element Simbol Config. el Klechkowski Config. el. reală24 Crom Cr (Ar)3d4 4s2 (Ar)3d5 4s1

29 Cupru Cu (Ar)3d9 4s2 (Ar)3d18 4s1

41 Niobiu Nb (Kr)4d3 5s2 (Kr)4d4 5s1

42 Molibden Mo (Kr)4d4 5s2 (Kr)4d5 5s1

44 Ruteniu Ru (Kr)4d6 5s2 (Kr)4d7 5s1

45 Rodiu Rh (Kr)4d7 5s2 (Kr)4d8 5s1

46 Paladiu Pd (Kr)4d8 5s2 (Kr)4d10

47 Argint Ag (Kr)4d9 5s2 (Kr)4d10 5s1

57 Lantan La (Xe)4 f1 6s2 (Xe)5d1 6s2

58 Ceriu Ce (Xe)4 f2 6s2 (Xe)4 f1 5d1 6s2

64 Gadoliniu Gd (Xe)4 f1 6s2 (Xe)4f7 5d1 6s2

78 Platina Pt (Xe)4 f14 5d8 6s2 (Xe)4f14 5d9 6s1

79 Aur Au (Xe)4 f14 5d9 6s2 (Xe)4f14 5d10 6s1

89 Actiniu Ac (Rn)5 f1 6d0 7s2 (Rn)6d1 7s2

90 Toriu Th (Rn)5 f2 6d0 7s2 (Rn)6d2 7s2

91 Protactiniu Pa (Rn)5 f3 6d0 7s2 (Rn)5f2 6d1 7s2

92 Uraniu U (Rn)5 f4 6d0 7s2 (Rn)5f3 6d1 7s2

93 Neptun Np (Rn)5 f5 6d0 7s2 (Rn)5f4 6d1 7s2

96 Curiu Cm (Rn)5 f8 6d0 7s2 (Rn)5f7 6d1 7s2

38

Cr, Cu, Nb, Ru, Pd, Ce, Tb, Pt, Pa, Np, Bk ….

Fenomenul de „prăbuşire” sau „trecere” a e– de pe un subnivel pe alt subnivel.

LANTANIDE → 4f1-14

57La: [Xe]6s25d1 → 72Hf: [Xe]6s24f145d2

64Gd: [Xe]6s24f7 5d1 ; 71Lu: [Xe]6s24f145d1

ACTINIDE → 5f1-14

89Ac: [Rn]7s26d1 → 104Rf: [Rn]7s25f146d2

91Pa: [Rn]7s25f2 6d1; 103Lr: [Rn]7s25f14 6d1

CONCLUZIIReguli privind ocuparea cu e– a învelişului electronic

1. Ocuparea cu e– a OA unui strat (n) - în ordinea s>p>d>f

2. În substrat (l), config. el. cea mai stabilă, cu energia cea mai joasă are cel mai mare nr. de e– necuplaţi (regula lui Hund)

3. OA (n+1)s se ocupă cu e– întotdeauna înaintea OA nd

4. La E situate după La ([Xe]6s25d1) în SP, se ocupă cu e–

OA 4f

5. La E situate după Ac ([Rn]7s26d1) în SP se ocupă cu e–, OA 5f

Nr. max e– dintr-un substrat: s: 2 e- ; p: 6 e- ; d: 10 e- ; f: 14 e-

Structura atomului

Documents

Transcript of Structura atomului