A elektrosféra je oblast atomu, ve které elektrony Jsou umístěny. Elektrosféra, přesněji, je složena z atomových orbitalů, určených řešením Schrödingerovy rovnice. Elektrosféra, poprvé určená Rutherfordovým modelem, zaznamenala významný pokrok během platnosti Bohrova atomového modelu.
Elektrosféra může být rozdělena do vrstev (nebo energetických hladin), protože elektrony mají definovanou (nespojitou) energii. U atomů se dvěma a více elektrony se obaly dělí na podslupky (nebo podslupky). Elektrosféra je nesmírně důležitá pro pochopení vlastností atomu a pochopení vzniku chemických vazeb.
Přečtěte si také: Jak se atom štěpí?
Shrnutí o elektrosféře
Elektrosféra je oblast atomu, ve které se nacházejí elektrony.
Skládá se z atomových orbitalů, vlnových funkcí, které jsou řešením Schrödingerových rovnic.
Jeho koncept začal modelem Ernesta Rutherforda.
Elektrony jsou drženy v elektrosféře kvůli jejich přitažlivosti k atomovému jádru.
Hlavní pokroky v chápání elektrosféry nastaly během koncepce modelu Nielse Bohra.
Skládá se z vrstev (nebo energetických hladin), což jsou oblasti definované energie.
U atomů s více než jedním elektronem se obaly dělí na podslupky (nebo podslupky).
Elektrosféra je důležitá pro pochopení několika vlastností, jako je atomová podobnost, stabilita, atomový poloměr, ionizační energie, elektronová afinita, kromě porozumění vzniku vazeb Chemikálie.
Video lekce o elektrosféře
Co je elektrosféra?
Elektrosféra je definována jako oblast atomové struktury, ve které se nacházejí elektrony. V hlubších interpretacích říkáme, že se skládá z atomových orbitalů, vlnových funkcí, které jsou řešením Schrödingerovy rovnice. Matematické vyjádření atomového orbitalu, když je na druhou, představuje hustotu pravděpodobnosti umístění elektronu v daném bodě.
Ó koncept elektrosféry se začal objevovat s Atomový model Ernesta Rutherforda, který představuje elektrony obíhající kolem hustého kladného jádra. Později Niels Bohr přinesl významnější výklady elektrosféry smícháním pojmů z kvantové mechaniky.
Vrstvy elektrosféry
Elektrony jsou drženy v elektrosféře kvůli jejich přitažlivosti k atomovému jádru. Je však známo, že tyto elektrony jsou v obalech, jejichž energie jsou dobře definované. Takové vrstvy lze také nazývat energetické hladiny.
Tento závěr přišel po spektroskopických experimentech. Například, když je na plyn H aplikován elektrický proud2 Při nízkém tlaku je světlo vyzařováno H2. V tomto stavu se tvoří H ionty+ a elektrony, které se vrátí do H iontů+ a vytvoří vzrušené (energizované) druhy H+. Pro uvolnění přebytečné energie H ionty+ uvolňují energii ve formě elektromagnetického záření (světla) a rekombinují se na plyn H2 znovu.
Možná si pamatujete, že když bílé světlo prochází hranolem, rozpadá se do spojitého spektra (podobně jako duha); totéž se však nestane se světlem přicházejícím z H2: při průchodu takového záření hranolem jsou v H emisním spektru pozorovány pouze jasné čáry s definovanou vlnovou délkou2, známé jako spektrální čáry.
Interpretace emisních spekter prvků (s dobře definovanými spektrálními čarami) je taková elektron, v atomu, nemůže prezentovat žádnou energii, ale spíše v přesně definovaných množstvích (tzv. energetické balíčky). Pokud by elektrony neměly taková energetická omezení, emisní spektrum prvků by bylo spojité, stejně jako bílé světlo procházející hranolem.
Každá spektrální čára prvku se stala známou jako energetická hladina. (nebo vrstva, jak jsme zvyklí říkat). Tyto čáry vznikají, když elektron přechází z jedné povolené energetické hladiny na druhou, v procesu energetické změny známé jako elektronický přechod.
Během elektronového přechodu elektron přechází z nižší energetické hladiny na vyšší energetickou hladinu. Při návratu na výchozí úroveň vyzařuje přebytečnou energii prostřednictvím elektromagnetického záření (světla), dává počátku ke spektrální čáře, jejíž hodnota energie je úměrná hodnotě definované rovnicí Rydberg.
Johannes Rydberg byl švédský spektroskopista, který vytvořil rovnici pro definování trendu spektrálních čar na základě práce švýcarského profesora Johanna Balmera. Specifická energie každé vrstvy je definována řešením příslušné Schrödingerovy rovnice.
Každá elektronická vrstva má povolený počet elektronů. V současné době je definováno sedm elektronických vrstev označených písmeny K až Q v abecedním pořadí nebo písmenem n, kde n ≥ 1. Vrstva K je tedy vrstva, kde n = 1, a tak dále. Počet povolených elektronů na obal je uveden v následující tabulce.
Energetická hladina |
Vrstva |
Maximální počet elektronů |
1 |
K |
2 |
2 |
L |
8 |
3 |
M |
18 |
4 |
N |
32 |
5 |
Ó |
32 |
6 |
P |
18 |
7 |
Q |
8 |
Pro atomy vodíku (s pouze 1 elektronem, jako je H, He+, Li2+), všechny atomové orbitaly mají stejnou energii (říkáme jim degenerované orbitaly); u atomů se dvěma a více elektrony však vzniká velmi důležitý efekt, elektron-elektronové odpuzování. Důsledkem této skutečnosti je, že orbitaly každé vrstvy začínají mít různé energie, a proto se vrstvy začínají popisovat jako podvrstvy (neboli podúrovně).
U současných atomů lze každou vrstvu rozložit až na čtyři podúrovně, reprezentované písmeny „s“ (z angličtiny, ostrý), „p“ (z angličtiny, hlavní), „d“ (z angličtiny, difuzní) a „f“ (z angličtiny, základní).
Každá podúroveň podporuje maximální počet elektronů definovaný výpočty a experimenty. Podúroveň „s“ podporuje až 2 elektrony; podúroveň „p“, až 6 elektronů; podúroveň „d“, až 10 elektronů; a podúroveň „f“, až 14 elektronů. Vrstva K je jediná, která umožňuje pouze jeden orbitál, a proto má pouze jednu podúroveň.
Energetická hladina |
Vrstva |
Podúrovně |
1 |
K |
1s |
2 |
L |
2s, 2p |
3 |
M |
3s, 3p, 3d |
4 |
N |
4s, 4p, 4d, 4f |
5 |
Ó |
5s, 5p, 5d, 5f |
6 |
P |
6s, 6p, 6d |
7 |
Q |
7s, 7p |
Funkce elektrosféry
Elektrosféra každého atomu lze použít k vysvětlení různých vlastností a chování atomu.
Vlastnosti jako atomový poloměr, iontový poloměr, ionizační energie a elektronová afinita mají hodnoty, které jsou přímým důsledkem elektronické konfigurace elektrosféry, konkrétněji tzv. valenční skořápka, což je ve skutečnosti nejvzdálenější obsazený elektronický obal atomu nebo iontu.
A podobnost mezi atomy ze stejné skupiny v periodické tabulce je také důsledkem elektronové konfigurace valenční skořápky. V chemických procesech vybíráme atomy ze stejné skupiny periodické tabulky, jak je to možné substituenty, a to je pouze možné, protože tyto atomy mají ve vrstvě stejnou elektronovou konfiguraci valence.
K chemické vazby, které se vyskytují mezi atomy za vzniku iontových a kovalentních sloučenin (molekul), také nastávají prostřednictvím interakcí mezi elektrosférami atomů.
Čtěte také: Schrödingerův atomový model — způsob popisu atomu pomocí kvantové mechaniky
Vztah mezi elektrosférou a atomovou strukturou
Jak bylo uvedeno, elektrosféra zahrnuje oblast atomu, ve které lze nalézt elektrony. Elektrony, přesněji, jsou umístěny v atomových orbitalech, které mají energii definovanou kvantovými výpočty.
Elektrosféra je největší oblastí atomové struktury, protože jádro atomu je velmi malé. Pokud si atom představíme jako fotbalový stadion, jádro by odpovídalo míči ve středu hřiště, zatímco zbytek stadionu by byla elektrosféra.
nicméně pokud jde o hmotnost, elektrosféra přispívá málo. Protože hmotnost elektronů je asi 1836krát menší než hmotnost protonů a neutronů, můžeme říci, že téměř veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jádře.
Řešená cvičení na elektrosféře
Otázka 1
(Facisb 2023) V Bohrově modelu atomu vodíku může elektron obsadit pouze určité dráhy. Některé z těchto drah jsou znázorněny na obrázku, kde n označuje energetické hladiny, které má elektron na každé dráze.
Uvažujme, že v atomu vodíku je elektron na dráze, kde n = 5.
Podle Bohrova modelu bude tento elektron emitovat energii ve formě elektromagnetického záření pouze tehdy
(A) proveďte přechod na dráhu, na které se n rovná 6.
(B) zůstávají na oběžné dráze, kde n = 5.
(C) přechod na jakoukoli dráhu, kde n je větší než 5.
(D) přechod na jakoukoli dráhu, kde n je menší než 5.
(E) je vyvržen z atomu a ionizuje jej.
Odpověď: Písmeno D
Když je elektron ve vnějším obalu, po návratu do vnitřního obalu s nižší energií uvolňuje přebytečnou energii ve formě elektromagnetického záření (světla). K výskytu světla tedy dojde pouze tehdy, když elektron přítomný v n = 5 přejde do vnitřního obalu.
otázka 2
(Uerj 2019) Nedávno se vědcům podařilo vyrobit kovový vodík stlačením molekulárního vodíku pod vysokým tlakem. Kovové vlastnosti tohoto prvku jsou stejné jako u ostatních prvků ve skupině 1 periodické klasifikační tabulky.
Tato podobnost souvisí s nejvíce energetickou podúrovní těchto prvků, která odpovídá:
(A) ns1
(B) n.p.2
(C) na3
(D) nf4
Odpověď: Písmeno A
Atom vodíku má pouze jeden elektron, který se nachází v první úrovni, podúrovni „s“ (1s1). Jedním z důvodů, proč se nachází ve skupině 1 periodické tabulky, je to, že všechny ostatní chemické prvky v této skupině mají atomy, jejichž valenční obal je stejného typu (ns1). Proto se díky podobné valenční vrstvě podařilo vyrobit vodík v této kovové formě.
Prameny:
DO CANTO, E. L.; LEITE, L. L. W.; CANTO, L. W. Chemie – v každodenním životě. 1. vyd. São Paulo: Moderna, 2021.
ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Principy chemie: Zpochybňování života a životního prostředí. 7. vyd. Porto Alegre: Bookman, 2018.
ATKINS, P.; DE PAULA, J.; KEELER, J. Atkinsova fyzikální chemie. 11 ed. Oxford: Oxford University Press, 2018.