A elektrosféra je oblasť atómu, v ktorej elektróny Sú umiestnené. Elektrosféra, presnejšie, je zložená z atómových orbitálov, určených riešením Schrödingerovej rovnice. Elektrosféra, ktorá bola prvýkrát určená Rutherfordovým modelom, zaznamenala významné pokroky počas platnosti Bohrovho atómového modelu.
Elektrosféra môže byť rozdelená do vrstiev (alebo energetických úrovní), keďže elektróny majú definovanú (nespojitú) energiu. Pre atómy s dvoma alebo viacerými elektrónmi sa obaly delia na podobaly (alebo podobaly). Elektrosféra je mimoriadne dôležitá pre pochopenie vlastností atómu a pochopenie vzniku chemických väzieb.
Prečítajte si tiež: Ako sa delí atóm?
Zhrnutie o elektrosfére
Elektrosféra je oblasť atómu, v ktorej sa nachádzajú elektróny.
Skladá sa z atómových orbitálov, vlnových funkcií, ktoré sú riešením Schrödingerových rovníc.
Jeho koncept začal modelom Ernesta Rutherforda.
Elektróny sú držané v elektrosfére kvôli ich priťahovaniu k atómovému jadru.
K hlavnému pokroku v chápaní elektrosféry došlo počas koncepcie modelu Nielsa Bohra.
Skladá sa z vrstiev (alebo energetických hladín), ktoré sú oblasťami definovanej energie.
Pre atómy s viac ako jedným elektrónom sa obaly delia na podobaly (alebo podobaly).
Elektrosféra je dôležitá pre pochopenie niekoľkých vlastností, ako je podobnosť atómov, stabilita, atómový polomer, ionizačná energia, elektrónová afinita, okrem pochopenia tvorby väzieb chemikálie.
Video lekcia o elektrosfére
Čo je elektrosféra?
Elektrosféra je definovaná ako oblasť atómovej štruktúry, v ktorej sa nachádzajú elektróny. V hlbších interpretáciách hovoríme, že sa skladá z atómových orbitálov, vlnových funkcií, ktoré sú riešením Schrödingerovej rovnice. Matematické vyjadrenie atómového orbitálu pri druhej mocnine predstavuje hustotu pravdepodobnosti umiestnenia elektrónu v danom bode.
O pojem elektrosféra sa začal objavovať s Atómový model Ernesta Rutherforda, ktorá obsahuje elektróny obiehajúce okolo hustého kladného jadra. Neskôr priniesol Niels Bohr významnejšie interpretácie elektrosféry zmiešaním konceptov z kvantovej mechaniky.
Vrstvy elektrosféry
Elektróny sú držané v elektrosfére kvôli ich priťahovaniu k atómovému jadru. Je však známe, že tieto elektróny sú v obaloch, ktorých energie sú dobre definované. Takéto vrstvy možno nazvať aj energetickými hladinami.
Tento záver prišiel po spektroskopických experimentoch. Napríklad, keď sa elektrický prúd aplikuje na plyn H2 Pri nízkom tlaku je svetlo vyžarované H2. V tomto stave sa tvoria H ióny+ a elektróny, ktoré sa vrátia k iónom H+ a vytvorí vzrušené (energizované) druhy H+. Na uvoľnenie prebytočnej energie H ióny+ uvoľňujú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia (svetla) a rekombinujú sa na plyn H2 znova.
Možno si pamätáte, že keď biele svetlo prechádza hranolom, rozkladá sa na súvislé spektrum (podobne ako dúha); to isté sa však nestane so svetlom pochádzajúcim z H2: pri prechode takéhoto žiarenia hranolom sú v H emisnom spektre pozorované len jasné čiary s definovanou vlnovou dĺžkou2, známe ako spektrálne čiary.
Interpretácia emisných spektier prvkov (s dobre definovanými spektrálnymi čiarami) je takáto elektrón, v atóme, nemôže prezentovať žiadnu energiu, ale skôr v presne definovaných množstvách (tzv. energetické balíčky). Ak by elektróny nemali takéto energetické obmedzenia, emisné spektrum prvkov by bolo spojité, rovnako ako biele svetlo prechádzajúce hranolom.
Každá spektrálna čiara prvku sa stala známou ako energetická hladina. (alebo vrstvenie, ako zvykneme hovorievať). Tieto čiary vznikajú, keď elektrón prechádza z jednej povolenej energetickej úrovne na druhú, v procese energetickej zmeny známej ako elektronický prechod.
Počas elektronického prechodu elektrón prechádza z nižšej energetickej hladiny na vyššiu energetickú hladinu. Pri návrate na svoju počiatočnú úroveň vyžaruje prebytočnú energiu prostredníctvom elektromagnetického žiarenia (svetla), pričom dáva začiatku k spektrálnej čiare, ktorej hodnota energie je úmerná hodnote definovanej rovnicou Rydberg.
Johannes Rydberg bol švédsky spektroskopista, ktorý vytvoril rovnicu na definovanie trendu spektrálnych čiar na základe práce švajčiarskeho profesora Johanna Balmera. Špecifická energia každej vrstvy je definovaná riešením príslušnej Schrödingerovej rovnice.
Každá elektronická vrstva má povolený počet elektrónov. V súčasnosti je definovaných sedem elektronických vrstiev, ktoré sú označené písmenami K až Q v abecednom poradí alebo písmenom n, kde n ≥ 1. Vrstva K je teda vrstva, kde n = 1 atď. Počet povolených elektrónov na obal je uvedený v nasledujúcej tabuľke.
Energetická úroveň |
Vrstva |
Maximálny počet elektrónov |
1 |
K |
2 |
2 |
L |
8 |
3 |
M |
18 |
4 |
N |
32 |
5 |
O |
32 |
6 |
P |
18 |
7 |
Q |
8 |
Pre vodíkové atómy (iba s 1 elektrónom, ako je H, He+, Li2+), všetky atómové orbitály majú rovnakú energiu (nazývame ich degenerované orbitály); pri atómoch s dvoma alebo viacerými elektrónmi však vzniká veľmi dôležitý efekt, odpudzovanie elektrónov a elektrónov. Dôsledkom tejto skutočnosti je, že orbitály každej vrstvy začínajú mať rôzne energie, a preto sa vrstvy začínajú označovať ako podvrstvy (alebo podúrovne).
V prípade súčasných atómov možno každú vrstvu rozložiť až na štyri podúrovne, reprezentované písmenami „s“ (z angličtiny, ostrý), „p“ (z angličtiny, Hlavná), „d“ (z angličtiny, difúzne) a „f“ (z angličtiny, zásadný).
Každá podúroveň podporuje maximálny počet elektrónov definovaný výpočtami a experimentmi. Podúroveň „s“ podporuje až 2 elektróny; podúroveň „p“, do 6 elektrónov; podúroveň „d“ do 10 elektrónov; a podúroveň „f“ až do 14 elektrónov. Vrstva K je jediná, ktorá umožňuje iba jeden orbitál, a preto má iba jednu podúroveň.
Energetická úroveň |
Vrstva |
Podúrovne |
1 |
K |
1 s |
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 |
Q |
7s, 7p |
Funkcia elektrosféry
Elektrosféra každého atómu možno použiť na vysvetlenie rôznych vlastností a správania sa atómu.
Vlastnosti ako atómový polomer, iónový polomer, ionizačná energia a elektrónová afinita majú hodnoty, ktoré sú priamym dôsledkom elektrónovej konfigurácie elektrosféry, konkrétnejšie nazývaná valenčná škrupina, čo je vlastne najvzdialenejší obsadený elektronický obal atómu alebo iónu.
A podobnosť medzi atómami z rovnakej skupiny v periodickej tabuľke je tiež dôsledkom elektrónovej konfigurácie valenčnej škrupiny. V chemických procesoch vyberáme atómy z rovnakej skupiny periodickej tabuľky, ako je to možné substituenty, a to je možné len preto, že tieto atómy majú rovnakú elektrónovú konfiguráciu vo vrstve valencie.
K chemické väzby, ktoré sa vyskytujú medzi atómami za vzniku iónových a kovalentných zlúčenín (molekúl), vznikajú aj prostredníctvom interakcií medzi elektrosférami atómov.
Prečítajte si tiež: Schrödingerov atómový model — spôsob popisu atómu pomocou kvantovej mechaniky
Vzťah medzi elektrosférou a atómovou štruktúrou
Ako bolo uvedené, elektrosféra zahŕňa oblasť atómu, v ktorej sa nachádzajú elektróny. Elektróny, konkrétnejšie, sa nachádzajú v atómových orbitáloch, ktoré majú energiu definovanú kvantovými výpočtami.
Elektrosféra je najväčšou oblasťou atómovej štruktúry, keďže jadro atómu je veľmi malé. Ak si predstavíme atóm ako futbalový štadión, jadro by zodpovedalo lopte v strede ihriska, zatiaľ čo zvyšok štadióna by bola elektrosféra.
Avšak, z hľadiska hmotnosti elektrosféra prispieva málo. Keďže hmotnosť elektrónov je asi 1836-krát menšia ako hmotnosť protónov a neutrónov, môžeme povedať, že takmer všetka hmotnosť atómu je sústredená v jadre.
Vyriešené cvičenia na elektrosfére
Otázka 1
(Facisb 2023) V Bohrovom modeli atómu vodíka môže elektrón zaberať iba určité dráhy. Niektoré z týchto dráh sú znázornené na obrázku, kde n označuje energetické hladiny, ktoré má elektrón na každej dráhe.
Uvažujme, že v atóme vodíka je elektrón na obežnej dráhe, kde n = 5.
Podľa Bohrovho modelu bude tento elektrón vyžarovať energiu vo forme elektromagnetického žiarenia iba vtedy
(A) urobte prechod na obežnú dráhu, na ktorej sa n rovná 6.
(B) zostávajú na obežnej dráhe, kde n = 5.
(C) prechod na akúkoľvek obežnú dráhu, na ktorej je n väčšie ako 5.
(D) prechod na akúkoľvek obežnú dráhu, na ktorej n je menšie ako 5.
(E) je vyvrhnutý z atómu a ionizuje ho.
Odpoveď: Písmeno D
Keď je elektrón vo vonkajšom obale, po návrate do vnútorného obalu s nižšou energiou uvoľňuje prebytočnú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia (svetla). Preto k výskytu svetla dôjde iba vtedy, keď elektrón prítomný v n = 5 prejde do vnútorného obalu.
Otázka 2
(Uerj 2019) Nedávno sa vedcom podarilo vyrobiť kovový vodík stlačením molekulárneho vodíka pod vysokým tlakom. Kovové vlastnosti tohto prvku sú rovnaké ako u ostatných prvkov v skupine 1 periodickej klasifikačnej tabuľky.
Táto podobnosť súvisí s najenergetickejšou podúrovňou týchto prvkov, ktorá zodpovedá:
(A) ns1
(B) n.p.2
(C) na3
(D) nf4
Odpoveď: Písmeno A
Atóm vodíka má iba jeden elektrón, ktorý sa nachádza v prvej úrovni, podúrovni „s“ (1s1). Jedným z dôvodov, prečo sa nachádza v skupine 1 periodickej tabuľky, je to, že všetky ostatné chemické prvky v tejto skupine majú atómy, ktorých valenčný obal je rovnakého typu (ns1). Preto sa vďaka podobnej valenčnej vrstve podarilo vyrobiť vodík v tejto kovovej forme.
Zdroje:
DO CANTO, E. L.; LEITE, Ľ. L. W.; CANTO, L. W. Chémia – v každodennom živote. 1. vyd. São Paulo: Moderna, 2021.
ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, Ľ. Princípy chémie: Spochybňovanie života a životného prostredia. 7. vyd. Porto Alegre: Bookman, 2018.
ATKINS, P.; DE PAULA, J.; KEELER, J. Atkinsova fyzikálna chémia. 11 vyd. Oxford: Oxford University Press, 2018.
