A elektroszféra az atom azon tartománya, amelyben az elektronok Elhelyezkednek. Az elektroszféra pontosabban atompályákból áll, amelyeket a Schrödinger-egyenlet megoldása határoz meg. Először Rutherford modellje alapján határozták meg, hogy az elektroszféra jelentős előrelépéseket ért el a Bohr-féle atommodell érvényessége alatt.
Az elektroszféra rétegekre (vagy energiaszintekre) osztható, mivel az elektronok meghatározott (nem folytonos) energiával rendelkeznek. A két vagy több elektront tartalmazó atomok esetében a héjak alhéjakra (vagy részhéjakra) oszlanak. Az elektroszféra rendkívül fontos az atom tulajdonságainak megértéséhez és a kémiai kötések kialakulásának megértéséhez.
Olvasd el te is: Hogyan hasad az atom?
Összegzés az elektroszféráról
Az elektroszféra az atom azon tartománya, amelyben az elektronok találhatók.
Atompályákból, hullámfüggvényekből áll, amelyek a Schrödinger-egyenletek megoldásai.
Koncepciója Ernest Rutherford modelljével kezdődött.
Az elektronokat az atommaghoz való vonzódásuk miatt tartják az elektroszférában.
Az elektroszféra megértésének fő előrelépései Niels Bohr modelljének megalkotása során következtek be.
Rétegekből (vagy energiaszintekből) áll, amelyek meghatározott energiájú régiók.
Az egynél több elektront tartalmazó atomok esetében a héjak alhéjakra (vagy részhéjakra) oszlanak.
Az elektroszféra számos tulajdonság megértéséhez fontos, mint például az atomi hasonlóság, stabilitás, atomsugár, ionizációs energia, elektronaffinitás, a kötések kialakulásának megértése mellett vegyszerek.
Videó lecke az elektroszféráról
Mi az elektroszféra?
Az elektroszférát úgy határozzuk meg az atomszerkezet azon tartománya, amelyben az elektronok találhatók. Mélyebb értelmezésekben azt mondjuk, hogy atomi pályákból, hullámfüggvényekből áll, amelyek megoldásai a Schrödinger-egyenletnek. Az atomi pálya matematikai kifejezése négyzetbe vonva az elektron adott pontban való elhelyezkedésének valószínűségi sűrűségét mutatja.
O Az elektroszféra fogalma kezdett kialakulni a Ernest Rutherford atommodellje, amely egy sűrű, pozitív mag körül keringő elektronokat tartalmaz. Később Niels Bohr az elektroszféra jelentősebb értelmezését hozta a kvantummechanika fogalmainak keverésével.
Az elektroszféra rétegei
Az elektronokat az atommaghoz való vonzódásuk miatt tartják az elektroszférában. Ismeretes azonban, hogy ezek Az elektronok olyan héjakban vannak, amelyek energiája jól meghatározott. Az ilyen rétegeket energiaszinteknek is nevezhetjük.
Erre a következtetésre a spektroszkópiai kísérletek után jutottunk. Például amikor elektromos áramot vezetnek a H gázra2 Alacsony nyomáson a fényt H bocsátja ki2. Ebben az állapotban H-ionok képződnek+ és elektronok, amelyek visszatérnek a H-ionokhoz+ és gerjesztett (energiával ellátott) H fajtákat hoz létre+. A felesleges energia felszabadítására H-ionok+ elektromágneses sugárzás (fény) formájában energiát szabadítanak fel és H-gázzá rekombinálódnak2 újra.
Talán emlékszel arra, hogy amikor a fehér fény áthalad egy prizmán, az egy folytonos spektrummá bomlik (hasonlóan a szivárványhoz); ez azonban nem történik meg a H-ból érkező fénnyel2: amikor az ilyen sugárzás áthalad a prizmán, csak meghatározott hullámhosszú fényes vonalak figyelhetők meg a H emissziós spektrumban2spektrális vonalakként ismert.
Az elemek emissziós spektrumának értelmezése (jól meghatározott spektrális vonalakkal) az, hogy egy elektron, egy atomban, nem tud semmilyen energiát felmutatni, inkább jól meghatározott mennyiségben (ún. energiacsomagok). Ha az elektronoknak nem lennének ilyen energetikai korlátai, akkor az elemek emissziós spektruma folytonos lenne, akárcsak a prizmán áthaladó fehér fényé.
Egy elem minden spektrális vonala energiaszintként vált ismertté. (vagy réteg, ahogy szoktuk mondani). Ezek a vonalak akkor keletkeznek, amikor egy elektron az egyik megengedett energiaszintről a másikra lép át az energiaváltozás folyamatában, amelyet elektronikus átmenetnek nevezünk.
Az elektronátmenet során az elektron alacsonyabb energiaszintről magasabb energiaszintre lép át. Kiindulási szintjére visszatérve elektromágneses sugárzás (fény) révén többletenergiát bocsát ki, adva annak a spektrumvonalnak az origója, amelynek kibocsátott energiaértéke arányos az egyenlet által meghatározott értékkel Rydberg.
Johannes Rydberg svéd spektroszkópos volt, aki Johann Balmer svájci professzor munkája alapján egyenletet hozott létre a spektrumvonalak trendjének meghatározására. Az egyes rétegek fajlagos energiáját a megfelelő Schrödinger-egyenlet megoldásával határozzuk meg.
Minden elektronikus rétegben megengedett számú elektron van. Jelenleg hét elektronikus réteg van meghatározva, amelyeket a K-tól Q-ig terjedő betűk jelölnek ábécé sorrendben, vagy az n betű, ahol n ≥ 1. Így a K réteg az a réteg, ahol n = 1, és így tovább. A héjonként megengedett elektronok számát a következő táblázat mutatja.
Energia szint |
Réteg |
Az elektronok maximális száma |
1 |
K |
2 |
2 |
L |
8 |
3 |
M |
18 |
4 |
N |
32 |
5 |
O |
32 |
6 |
P |
18 |
7 |
K |
8 |
Hidrogenoid atomokhoz (csak 1 elektronnal, például H, He+, Li2+), minden atompályának azonos az energiája (degenerált pályáknak nevezzük őket); a két vagy több elektront tartalmazó atomokban azonban nagyon fontos hatás lép fel, az elektron-elektron taszítás. Ennek a ténynek az a következménye, hogy az egyes rétegek pályái eltérő energiájúak, ezért a rétegeket alrétegként (vagy alszintként) kezdik leírni.
A jelenlegi atomok esetében minden réteg legfeljebb négy alszintre bontható, amelyet az „s” betűk képviselnek (angolból, éles), „p” (angolból, fő-), „d” (angolból, diffúz) és „f” (angolból, alapvető).
Mindegyik alszint maximális számú elektront támogat, amelyet számítások és kísérletek határoznak meg. Az „s” alszint legfeljebb 2 elektront támogat; a „p” alszint 6 elektronig; a „d” alszint 10 elektronig; és az „f” alszint 14 elektronig. A K réteg az egyetlen, amely csak egyetlen pályát enged meg, és ezért csak egyetlen alszintje van.
Energia szint |
Réteg |
Alszintek |
1 |
K |
1s |
2 |
L |
2s, 2p |
3 |
M |
3s, 3p, 3d |
4 |
N |
4s, 4p, 4d, 4f |
5 |
O |
5s, 5p, 5d, 5f |
6 |
P |
6s, 6p, 6d |
7 |
K |
7s, 7p |
Az elektroszféra funkciója
Az egyes atomok elektrogömbje felhasználható az atom különféle tulajdonságainak és viselkedésének magyarázatára.
Az olyan tulajdonságoknak, mint az atomsugár, az ionsugár, az ionizációs energia és az elektronaffinitás, olyan értékek vannak, amelyek az elektroszféra elektronikus konfigurációjának közvetlen következményei, pontosabban a vegyértékhéjnak nevezik, amely valójában egy atom vagy ion legkülső elfoglalt elektronikus héja.
A A periódusos rendszer azonos csoportjába tartozó atomok közötti hasonlóság szintén az elektronikus konfiguráció következménye a vegyértékhéjból. A kémiai folyamatokban a periódusos rendszer azonos csoportjából választunk atomokat, amennyire csak lehetséges szubsztituensek, és ez csak valószínű, mivel ezek az atomok azonos elektronikus konfigurációval rendelkeznek a rétegben a vegyérték.
Hoz kémiai kötések, amelyek az atomok között ionos és kovalens vegyületeket (molekulákat) képezve, az atomok elektrogömbjei közötti kölcsönhatások révén is előfordulnak.
Olvass te is: Schrödinger atommodellje – az atom kvantummechanika segítségével történő leírásának módja
Az elektroszféra és az atomszerkezet kapcsolata
Mint már említettük, az elektroszféra magában foglalja az atom azon régióját, amelyben elektronok találhatók. Pontosabban, az elektronok atomi pályákon helyezkednek el, amelyek energiáját kvantumszámítások határozzák meg.
Az elektroszféra az atomszerkezet legnagyobb része, mivel az atommag nagyon kicsi. Ha az atomot futballstadionnak tekintjük, az atommag egy labdának felelne meg a pálya közepén, míg a stadion többi része az elektroszféra lenne.
Ennek ellenére, tömegét tekintve az elektroszféra kevéssé járul hozzá. Mivel az elektronok tömege körülbelül 1836-szor kisebb, mint a protonoké és a neutronoké, elmondhatjuk, hogy az atom tömegének szinte teljes része az atommagban koncentrálódik.
Megoldott gyakorlatokat az elektroszférán
1. kérdés
(Facisb 2023) A hidrogénatom Bohr-modelljében az elektron csak bizonyos pályákat foglalhat el. Ezen pályák egy része az ábrán látható, ahol n az elektron energiaszintjeire utal az egyes pályákon.
Tekintsük, hogy egy hidrogénatomban az elektron azon a pályán van, ahol n = 5.
A Bohr-modell szerint ez az elektron csak akkor bocsát ki energiát elektromágneses sugárzás formájában
(A) lépjen át arra a pályára, amelyen n egyenlő 6-tal.
(B) maradjon azon a pályán, ahol n = 5.
(C) átmenet bármely pályára, amelyen n nagyobb, mint 5.
(D) átmenet bármely pályára, amelyen n kisebb, mint 5.
(E) kilökődik az atomból, ionizálva azt.
Válasz: D betű
Amikor egy elektron a külső héjban van, amikor visszatér egy kisebb energiájú belső héjba, többletenergiát szabadít fel elektromágneses sugárzás (fény) formájában. Ezért a fény csak akkor következik be, ha az n = 5-ben jelenlévő elektron átmenetet végez egy belső héjba.
2. kérdés
(Uerj 2019) A közelmúltban a tudósoknak sikerült fémes hidrogént előállítaniuk molekuláris hidrogén nagy nyomás alatti összenyomásával. Ennek az elemnek a fémes tulajdonságai megegyeznek a periódusos osztályozási táblázat 1. csoportjában szereplő többi elemével.
Ez a hasonlóság ezen elemek legenergetikusabb alszintjéhez kapcsolódik, amely megfelel:
(A) ns1
(B) n.p.2
(C) na3
(D) nf4
Válasz: A betű
A hidrogénatomnak csak egyetlen elektronja van, amely az első szinten, az „s” alszinten található (1s1). Az egyik oka annak, hogy a periódusos rendszer 1. csoportjában található, mert ebben a csoportban az összes többi kémiai elemnek vannak olyan atomjai, amelyek vegyértékhéja azonos típusú (ns1). Ezért a hasonló vegyértékréteg miatt a hidrogént ebben a fémes formában tudták előállítani.
Források:
DO CANTO, E. L.; LEITE, L. L. W.; CANTO, L. W. Kémia – a mindennapi életben. 1. szerk. São Paulo: Modern, 2021.
ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. A kémia alapelvei: Az élet és a környezet megkérdőjelezése. 7. szerk. Porto Alegre: Bookman, 2018.
ATKINS, P.; DE PAULA, J.; KEELER, J. Atkins fizikai kémiája. 11 ed. Oxford: Oxford University Press, 2018.