אלקטרוספירה: מה זה, סיכום, שכבות, תפקוד

א אלקטרוספירה הוא האזור של האטום שבו האלקטרונים הם ממוקמים. האלקטרוספירה, ליתר דיוק, מורכבת מאורביטלים אטומיים, שנקבעו על ידי פתרון משוואת שרדינגר. לראשונה על פי המודל של רתרפורד, האלקטרוספירה קיבלה התקדמות משמעותית במהלך תוקפו של המודל האטומי של בוהר.

ניתן לחלק את האלקטרוספירה לשכבות (או רמות אנרגיה), שכן לאלקטרונים יש אנרגיה (לא רציפה). עבור אטומים עם שני אלקטרונים או יותר, הקליפות מתחלקות לתת-קליפות (או תת-קליפות). האלקטרוספירה חשובה ביותר להבנת תכונות האטום ולהבנת היווצרותם של קשרים כימיים.

קראו גם: איך האטום מתפצל?

נושאים במאמר זה

• 1 - סיכום האלקטרוספירה
• 2 - שיעור וידאו על אלקטרוספירה
• 3 - מהי האלקטרוספירה?
• 4 - שכבות של האלקטרוספירה
• 5 - תפקוד האלקטרוספירה
• 6 - הקשר בין האלקטרוספירה למבנה האטומי
• 7 - פתרו תרגילים על האלקטרוספירה

סיכום על האלקטרוספירה

• האלקטרוספירה היא האזור של האטום בו נמצאים אלקטרונים.

• הוא מורכב מאורביטלים אטומיים, פונקציות גל המהוות פתרונות למשוואות שרדינגר.

• הרעיון שלה התחיל עם הדגם של ארנסט רתרפורד.

• אלקטרונים מוחזקים באלקטרוספירה בשל משיכתם לגרעין האטום.

• ההתקדמות העיקרית בהבנת האלקטרוספירה התרחשה במהלך תפיסת המודל של נילס בוהר.

• הוא מורכב משכבות (או רמות אנרגיה), שהם אזורים של אנרגיה מוגדרת.

• עבור אטומים עם יותר מאלקטרון אחד, הקליפות מתחלקות לתת-קליפות (או תת-קליפות).

• האלקטרוספירה חשובה להבנת מספר מאפיינים, כגון דמיון אטומי, יציבות, רדיוס אטומי, אנרגיית יינון, זיקה לאלקטרונים, בנוסף להבנת היווצרות קשרים כימיקלים.

שיעור וידאו על אלקטרוספירה

מהי האלקטרוספירה?

האלקטרוספירה מוגדרת כ האזור של המבנה האטומי שבו נמצאים אלקטרונים. בפרשנויות מעמיקות יותר, אנו אומרים שהוא מורכב מאורביטלים אטומיים, פונקציות גל המהוות פתרונות למשוואת שרדינגר. הביטוי המתמטי של מסלול אטומי, כשהוא בריבוע, מציג את צפיפות ההסתברות של מיקום האלקטרון בנקודה נתונה.

O הרעיון של אלקטרוספרה החל להופיע עם המודל האטומי של ארנסט רתרפורד, הכולל אלקטרונים הסובבים סביב גרעין חיובי וצפוף. מאוחר יותר, נילס בוהר הביא פרשנויות משמעותיות יותר של האלקטרוספירה על ידי ערבוב מושגים ממכניקת הקוונטים.

אל תפסיק עכשיו... יש עוד אחרי הפרסום ;)

שכבות של האלקטרוספירה

אלקטרונים מוחזקים באלקטרוספירה בשל משיכתם לגרעין האטום. עם זאת, ידוע כי אלו אלקטרונים נמצאים בקליפות שהאנרגיות שלהן מוגדרות היטב. שכבות כאלה יכולות להיקרא גם רמות אנרגיה.

מסקנה זו הגיעה לאחר ניסויים בספקטרוסקופיה. לדוגמה, כאשר מופעל זרם חשמלי על גז H₂ בלחץ נמוך, אור נפלט על ידי H₂. במצב זה נוצרים יוני H⁺ ואלקטרונים, שיחזרו ליוני H⁺ ויהוו מינים נרגשים (מומרצים) של H⁺. כדי להקל על עודף אנרגיה, יוני H⁺ לשחרר אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית (אור) ולחבר מחדש לגז H₂ שוב.

אתם אולי זוכרים שכאשר אור לבן עובר דרך פריזמה, הוא מתפרק לספקטרום רציף (בדומה לקשת בענן); עם זאת, אותו דבר לא קורה עם האור המגיע מ-H₂: כאשר קרינה כזו עוברת דרך המנסרה, נצפים רק קווים בהירים בעלי אורך גל מוגדר בספקטרום הפליטה H₂, המכונה קווים ספקטרליים.

ספקטרום פליטת מימן.

הפרשנות לספקטרום הפליטה של ​​היסודות (עם קווים ספקטרליים מוגדרים היטב) היא זו אלקטרון, באטום, אינו יכול להציג אנרגיה כלשהי, אלא בכמויות מוגדרות היטב (מה שנקרא מנות אנרגיה). אם לאלקטרונים לא היו מגבלות אנרגטיות כאלה, ספקטרום הפליטה של ​​היסודות היה רציף, בדיוק כמו זה של אור לבן העובר דרך פריזמה.

השפעת המעבר האלקטרוני על האלקטרוספירה של אטום.

כל קו ספקטרלי של יסוד נודע כרמת אנרגיה. (או שכבה, כפי שהתרגלנו יותר לומר). קווים אלו נוצרים כאשר אלקטרון עובר מרמת אנרגיה מותרת אחת לאחרת, בתהליך של שינוי אנרגיה המכונה מעבר אלקטרוני.

במהלך המעבר האלקטרוני, האלקטרון עובר מרמת אנרגיה נמוכה יותר לרמת אנרגיה גבוהה יותר. כאשר חוזרים לרמתו הראשונית, הוא פולט עודף אנרגיה באמצעות קרינה אלקטרומגנטית (אור), נותן מקור לקו הספקטרלי שערך האנרגיה שלו הנפלט פרופורציונלי לערך המוגדר על ידי משוואת רידברג.

יוהנס רידברג היה ספקטרוסקופ שוודי שיצר משוואה להגדרת מגמת הקווים הספקטרליים המבוססת על עבודתו של הפרופסור השוויצרי יוהאן באלמר. האנרגיה הספציפית של כל שכבה מוגדרת על ידי פתרון משוואת שרדינגר המתאימה.

לכל שכבה אלקטרונית יש מספר אלקטרונים המותרים. נכון להיום, מוגדרות שבע שכבות אלקטרוניות, המזוהות על ידי האותיות K עד Q, בסדר אלפביתי, או על ידי האות n, כאשר n ≥ 1. לפיכך, שכבה K היא השכבה שבה n = 1, וכן הלאה. מספר האלקטרונים המותר לכל קליפה מוצג בטבלה הבאה.

רמת אנרגיה	שִׁכבָה	מספר מרבי של אלקטרונים
1	ק	2
2	ל	8
3	M	18
4	נ	32
5	O	32
6	פ	18
7	ש	8

עבור אטומים הידרוגנואידים (עם אלקטרון אחד בלבד, כגון H, He⁺, לי²⁺), לכל האורביטלים האטומיים יש אותה אנרגיה (אנחנו קוראים להם אורביטלים מנוונים); עם זאת, באטומים עם שני אלקטרונים או יותר, נוצרת השפעה חשובה מאוד, דחיית אלקטרונים-אלקטרון. התוצאה של עובדה זו היא שלאורביטלים של כל שכבה מתחילים להיות אנרגיות שונות, ולכן, השכבות מתחילות להיות מתוארות כשכבות משנה (או תת-רמות).

עבור אטומים נוכחיים, ניתן לפרק כל שכבה לעד ארבע תת-רמות, המיוצגים באותיות "s" (מאנגלית, חַד), "p" (מאנגלית, רָאשִׁי), "d" (מאנגלית, דיפוזי) ו-"f" (מאנגלית, בסיסי).

כל תת-רמה תומכת במספר מרבי של אלקטרונים, המוגדר על ידי חישובים וניסויים. רמת המשנה "s" תומכת בעד 2 אלקטרונים; תת הרמה "p", עד 6 אלקטרונים; תת-רמת "d", עד 10 אלקטרונים; ותת הרמה "f", עד 14 אלקטרונים. שכבת K היא היחידה שמאפשרת רק מסלול יחיד ולכן יש לה רק תת-רמה בודדת.

רמת אנרגיה	שִׁכבָה	רמות משנה
1	ק	1 שניות
2	ל	2s, 2p
3	M	3s, 3p, 3d
4	נ	4s, 4p, 4d, 4f
5	O	5s, 5p, 5d, 5f
6	פ	6s, 6p, 6d
7	ש	7 שניות, 7 עמ'

תפקוד האלקטרוספירה

האלקטרוספירה של כל אטום יכול לשמש כדי להסביר תכונות והתנהגויות שונות של האטום.

למאפיינים כמו רדיוס אטומי, רדיוס יוני, אנרגיית יינון וזיקת ​​אלקטרונים יש ערכים שהם תוצאה ישירה של התצורה האלקטרונית של האלקטרוספירה, ליתר דיוק שנקרא קליפת ערכיות, שהיא למעשה הקליפה האלקטרונית התפוסה החיצונית ביותר של אטום או יון.

א דמיון בין אטומים מאותה קבוצה בטבלה המחזורית הוא גם תוצאה של התצורה האלקטרונית של מעטפת הערכיות. בתהליכים כימיים, אנו בוחרים אטומים מאותה קבוצה בטבלה המחזורית ככל האפשר תחליפים, וזה רק סביר, שכן לאטומים הללו יש אותה תצורה אלקטרונית בשכבה של ערכיות.

אל ה קשרים כימים, המתרחשים בין אטומים ליצירת תרכובות יוניות וקוולנטיות (מולקולות), מתרחשות גם באמצעות אינטראקציות בין האלקטרוספירות של האטומים.

קרא גם: המודל האטומי של שרדינגר - דרך לתאר את האטום באמצעות מכניקת הקוונטים

הקשר בין האלקטרוספירה למבנה האטומי

כפי שצוין, האלקטרוספירה מקיפה את אזור האטום שבו ניתן למצוא אלקטרונים. אלקטרונים, ליתר דיוק, ממוקמים באורביטלים אטומיים, שיש להם אנרגיה המוגדרת על ידי חישובי קוונטים.

האלקטרוספירה היא האזור הגדול ביותר במבנה האטומי, שכן גרעין האטום קטן מאוד. כשחושבים על האטום כאיצטדיון כדורגל, הגרעין יתאים לכדור במרכז המגרש, בעוד ששאר האצטדיון יהיה האלקטרוספירה.

בְּכָל זֹאת, במונחים של מסה, האלקטרוספירה תורמת מעט. מכיוון שמסת האלקטרונים קטנה בערך פי 1836 מזו של פרוטונים וניוטרונים, אנו יכולים לומר שכמעט כל מסת האטום מרוכזת בגרעין.

פתרו תרגילים על האלקטרוספירה

שאלה 1

(Facisb 2023) במודל של בוהר לאטום המימן, האלקטרון יכול לתפוס רק מסלולים מסוימים. חלק מהמסלולים הללו מיוצגים באיור, כאשר n מתייחס לרמות האנרגיה שיש לאלקטרון בכל מסלול.

קחו בחשבון שבאטום מימן, האלקטרון נמצא במסלול שבו n = 5.

לפי מודל בוהר, האלקטרון הזה יפלוט אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית רק כאשר

(א) בצע מעבר למסלול שבו n שווה ל-6.

(ב) להישאר במסלול שבו n = 5.

(ג) מעבר לכל מסלול שבו n גדול מ-5.

(ד) מעבר לכל מסלול שבו n קטן מ-5.

(E) נפלט מהאטום, מיינן אותו.

תשובה: אות ד'

כאשר אלקטרון נמצא במעטפת חיצונית, עם החזרה לקליפה פנימית בעלת אנרגיה נמוכה יותר, הוא משחרר אנרגיה עודפת בצורה של קרינה אלקטרומגנטית (אור). לכן, התרחשות האור תתרחש רק כאשר האלקטרון הקיים ב-n = 5 מבצע מעבר לקליפה פנימית.

שאלה 2

(Uerj 2019) לאחרונה, מדענים הצליחו לייצר מימן מתכתי על ידי דחיסת מימן מולקולרי בלחץ גבוה. התכונות המתכתיות של יסוד זה זהות לשאר היסודות בקבוצה 1 של טבלת הסיווג המחזורית.

דמיון זה קשור לתת-הרמה האנרגטית ביותר של אלמנטים אלה, המקבילה ל:

(א) נ.ס¹

(ב) נ.פ.²

(ג) לא³

(ד) nf⁴

תשובה: אות א'

לאטום המימן יש רק אלקטרון בודד, שנמצא ברמה הראשונה, תת-רמה "s" (1s¹). אחת הסיבות לכך שהוא נמצא בקבוצה 1 של הטבלה המחזורית היא משום שלכל שאר היסודות הכימיים בקבוצה זו יש אטומים שקליפת הערכיות שלהם היא מאותו סוג (ns¹). לכן, בשל שכבת ערכיות דומה, ניתן היה לייצר מימן בצורה מתכתית זו.

מקורות:

DO CANTO, E. ל.; לייט, ל. ל. ו.; קנטו, ל. W. כימיה - בחיי היומיום. 1. ed. סאו פאולו: מודרניה, 2021.

אטקינס, פ.; ג'ונס, ל.; לוורמן, ל. עקרונות הכימיה: חקירת החיים והסביבה. 7. ed. פורטו אלגרה: איש הספרים, 2018.

אטקינס, פ.; DE PAULA, J.; קילר, ג'יי. הכימיה הפיזיקלית של אטקינס. מהדורה 11 אוקספורד: הוצאת אוניברסיטת אוקספורד, 2018.

האם תרצה להתייחס לטקסט זה בעבודה בית ספרית או אקדמית? תראה:

NOVAIS, Stéfano Araújo. "אלקטרוספירה"; בית ספר ברזיל. אפשר להשיג ב: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/eletrosfera.htm. נגיש ב-10 בנובמבר 2023.