อิเล็กโทรสเฟียร์: คืออะไร สรุป เลเยอร์ ฟังก์ชัน

ก อิเล็กโทรสเฟียร์ คือบริเวณของอะตอมซึ่ง อิเล็กตรอน พวกเขาตั้งอยู่ อิเล็กโทรสเฟียร์ประกอบด้วยออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งหาได้จากการแก้สมการชโรดิงเงอร์ ครั้งแรกที่กำหนดโดยแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด อิเล็กโตสเฟียร์ได้รับความก้าวหน้าที่สำคัญระหว่างความถูกต้องของแบบจำลองอะตอมของบอร์

อิเล็กโตสเฟียร์สามารถแบ่งออกเป็นชั้นต่างๆ (หรือระดับพลังงาน) ได้ เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นตัวกำหนดพลังงาน (ไม่ต่อเนื่อง) สำหรับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไป เปลือกจะแบ่งออกเป็นเปลือกย่อย (หรือเปลือกย่อย) อิเล็กโทรสเฟียร์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจคุณสมบัติของอะตอมและเข้าใจการก่อตัวของพันธะเคมี

อ่านด้วย: อะตอมแตกตัวอย่างไร?

สรุปเกี่ยวกับอิเล็กโทรสเฟียร์

• อิเล็กโตสเฟียร์เป็นบริเวณของอะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่

• ประกอบด้วยออร์บิทัลอะตอม ฟังก์ชันคลื่นที่เป็นคำตอบของสมการชโรดิงเงอร์

• แนวคิดเริ่มต้นจากแบบจำลองของ Ernest Rutherford

• อิเล็กตรอนถูกกักอยู่ในอิเล็กโตสเฟียร์เนื่องจากการดึงดูดนิวเคลียสของอะตอม

• ความก้าวหน้าหลักในการทำความเข้าใจอิเล็กโตสเฟียร์เกิดขึ้นระหว่างการคิดแบบจำลองของนีลส์ บอร์

• ประกอบด้วยชั้นต่างๆ (หรือระดับพลังงาน) ซึ่งเป็นบริเวณของพลังงานที่กำหนด

• สำหรับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว เปลือกจะแบ่งออกเป็นเปลือกย่อย (หรือเปลือกย่อย)

• อิเล็กโทรสเฟียร์มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจคุณสมบัติหลายประการ เช่น ความคล้ายคลึงกันของอะตอม ความเสถียร รัศมีอะตอม พลังงานไอออไนเซชัน ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน นอกเหนือจากการทำความเข้าใจการก่อตัวของพันธะแล้ว สารเคมี

บทเรียนวิดีโอเกี่ยวกับอิเล็กโทรสเฟียร์

อิเล็กโทรสเฟียร์คืออะไร?

อิเล็กโทรสเฟียร์ถูกกำหนดให้เป็น บริเวณของโครงสร้างอะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่. ในการตีความเชิงลึก เรากล่าวว่ามันประกอบด้วยออร์บิทัลของอะตอม ฟังก์ชันคลื่นที่เป็นคำตอบของสมการชโรดิงเงอร์ การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของวงโคจรของอะตอมเมื่อยกกำลังสองจะแสดงความหนาแน่นของความน่าจะเป็นของตำแหน่งของอิเล็กตรอน ณ จุดที่กำหนด

โอ แนวคิดเรื่องอิเล็กโทรสเฟียร์เริ่มปรากฏพร้อมกับ แบบจำลองอะตอมของเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดซึ่งมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสที่หนาแน่นและเป็นบวก ต่อมา นีลส์ บอร์ได้นำการตีความอิเล็กโตสเฟียร์ที่มีนัยสำคัญมากขึ้นมาด้วยการผสมผสานแนวคิดจากกลศาสตร์ควอนตัม

ชั้นของอิเล็กโตสเฟียร์

อิเล็กตรอนถูกกักอยู่ในอิเล็กโตสเฟียร์เนื่องจากการดึงดูดนิวเคลียสของอะตอม อย่างไรก็ตามเป็นที่ทราบกันว่าสิ่งเหล่านี้ อิเล็กตรอนอยู่ในเปลือกซึ่งมีการกำหนดพลังงานไว้อย่างชัดเจน. ชั้นดังกล่าวสามารถเรียกได้ว่าเป็นระดับพลังงาน

ข้อสรุปนี้เกิดขึ้นหลังจากการทดลองทางสเปกโทรสโกปี ตัวอย่างเช่น เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับแก๊ส H₂ ที่ความดันต่ำ แสงจะถูกปล่อยออกมาโดย H₂. ในสภาวะนี้ H ไอออนจะถูกสร้างขึ้น⁺ และอิเล็กตรอนซึ่งจะกลับไปเป็นไอออน H⁺ และจะสร้างสายพันธุ์ H⁺. เพื่อบรรเทาพลังงานส่วนเกิน เอช ไอออน⁺ ปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) แล้วรวมตัวกันเป็นก๊าซ H₂ อีกครั้ง.

คุณอาจจำได้ว่าเมื่อแสงสีขาวผ่านปริซึม แสงจะแตกออกเป็นสเปกตรัมต่อเนื่องกัน (คล้ายกับรุ้ง) อย่างไรก็ตาม สิ่งเดียวกันนี้จะไม่เกิดขึ้นกับแสงที่มาจาก H₂: เมื่อรังสีดังกล่าวผ่านปริซึม จะสังเกตได้เฉพาะเส้นสว่างที่มีความยาวคลื่นที่กำหนดเท่านั้นในสเปกตรัมการแผ่รังสี H₂หรือที่เรียกว่าเส้นสเปกตรัม

สเปกตรัมการปล่อยไฮโดรเจน

การตีความสเปกตรัมการปล่อยก๊าซขององค์ประกอบ (ที่มีเส้นสเปกตรัมที่กำหนดไว้อย่างดี) เป็นเช่นนั้น อิเล็กตรอน ในอะตอมไม่สามารถแสดงพลังงานใดๆ ได้ แต่แสดงในปริมาณที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน (ที่เรียกว่าแพ็คเก็ตพลังงาน) หากอิเล็กตรอนไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานดังกล่าว สเปกตรัมการแผ่รังสีขององค์ประกอบต่างๆ จะมีความต่อเนื่อง เช่นเดียวกับแสงสีขาวที่ส่องผ่านปริซึม

ผลของการเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์ต่ออิเล็กโตสเฟียร์ของอะตอม

เส้นสเปกตรัมแต่ละเส้นขององค์ประกอบกลายเป็นที่รู้จักในชื่อระดับพลังงาน (หรือเลเยอร์อย่างที่เราคุ้นเคยกันมากกว่า) เส้นเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนส่งผ่านจากระดับพลังงานที่อนุญาตหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง ในกระบวนการของการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เรียกว่าการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กทรอนิกส์

ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กทรอนิกส์ อิเล็กตรอนจะผ่านจากระดับพลังงานต่ำไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น เมื่อกลับสู่ระดับเริ่มต้นจะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาผ่านรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) ให้ กำเนิดของเส้นสเปกตรัมซึ่งค่าพลังงานที่ปล่อยออกมาเป็นสัดส่วนกับค่าที่กำหนดโดยสมการของ ริดเบิร์ก.

Johannes Rydberg เป็นนักสเปกโทรสโกปีชาวสวีเดน ผู้สร้างสมการเพื่อกำหนดแนวโน้มของเส้นสเปกตรัมโดยอาศัยผลงานของศาสตราจารย์ Johann Balmer ชาวสวิส พลังงานจำเพาะของแต่ละชั้นถูกกำหนดโดยการแก้สมการชโรดิงเงอร์ที่เหมาะสม

แต่ละชั้นอิเล็กทรอนิกส์มีจำนวนอิเล็กตรอนที่อนุญาต. ในปัจจุบัน มีการกำหนดชั้นอิเล็กทรอนิกส์เจ็ดชั้น ระบุด้วยตัวอักษร K ถึง Q ตามลำดับตัวอักษร หรือตามตัวอักษร n โดยที่ n ≥ 1 ดังนั้น เลเยอร์ K จึงเป็นเลเยอร์โดยที่ n = 1 และอื่นๆ จำนวนอิเล็กตรอนที่อนุญาตต่อเปลือกแสดงอยู่ในตารางต่อไปนี้

ระดับพลังงาน	ชั้น	จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุด
1	เค	2
2	ล	8
3	ม	18
4	เอ็น	32
5	โอ	32
6	ป	18
7	ถาม	8

สำหรับอะตอมไฮโดรเจนอยด์ (ที่มีอิเล็กตรอนเพียง 1 ตัว เช่น H, He⁺, ลี่²⁺) ออร์บิทัลของอะตอมทั้งหมดมีพลังงานเท่ากัน (เราเรียกว่าออร์บิทัลเสื่อม) อย่างไรก็ตาม ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไป จะเกิดผลกระทบที่สำคัญมาก นั่นคือการผลักกันของอิเล็กตรอน-อิเล็กตรอน ผลที่ตามมาของข้อเท็จจริงนี้คือวงโคจรของแต่ละชั้นเริ่มมีพลังงานที่แตกต่างกัน ดังนั้นชั้นต่างๆ จึงเริ่มถูกอธิบายว่าเป็นชั้นย่อย (หรือระดับย่อย)

สำหรับอะตอมปัจจุบัน แต่ละชั้นสามารถสลายตัวได้เป็นสี่ระดับย่อยแสดงด้วยตัวอักษร "s" (จากภาษาอังกฤษ คม), “p” (จากภาษาอังกฤษ, หลัก), “d” (จากภาษาอังกฤษ, การแพร่กระจาย) และ “f” (จากภาษาอังกฤษ พื้นฐาน).

แต่ละระดับย่อยรองรับจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุด ซึ่งกำหนดโดยการคำนวณและการทดลอง ระดับย่อย “s” รองรับอิเล็กตรอนได้มากถึง 2 ตัว ระดับย่อย “p” มากถึง 6 อิเล็กตรอน ระดับย่อย “d” มากถึง 10 อิเล็กตรอน และระดับย่อย “f” มากถึง 14 อิเล็กตรอน ชั้น K เป็นชั้นเดียวที่อนุญาตให้มีวงโคจรเพียงชั้นเดียว ดังนั้นจึงมีเพียงระดับย่อยเดียวเท่านั้น

ระดับพลังงาน	ชั้น	ระดับย่อย
1	เค	1 วินาที
2	ล	2วิ, 2พี
3	ม	3s, 3p, 3d
4	เอ็น	4s, 4p, 4d, 4f
5	โอ	5s, 5p, 5d, 5f
6	ป	6s, 6p, 6d
7	ถาม	7ส, 19น

หน้าที่ของอิเล็กโทรสเฟียร์

อิเล็กโทรสเฟียร์ของแต่ละอะตอม สามารถใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติและพฤติกรรมต่างๆ ของอะตอมได้.

คุณสมบัติต่างๆ เช่น รัศมีอะตอม รัศมีไอออนิก พลังงานไอออไนเซชัน และความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน มีค่าที่เป็นผลโดยตรงจากการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอิเล็กโตสเฟียร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรียกว่า วาเลนซ์เชลล์ซึ่งแท้จริงแล้วคือเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ชั้นนอกสุดของอะตอมหรือไอออน

ก ความคล้ายคลึงกันระหว่างอะตอมจากกลุ่มเดียวกันในตารางธาตุก็เป็นผลมาจากการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์เช่นกัน ของเปลือกวาเลนซ์ ในกระบวนการทางเคมี เราเลือกอะตอมจากกลุ่มเดียวกันในตารางธาตุให้ได้มากที่สุด องค์ประกอบทดแทน และนี่เป็นไปได้เท่านั้น เนื่องจากอะตอมเหล่านี้มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์เหมือนกันในชั้น ของความจุ

ไปยัง พันธะเคมีซึ่งเกิดขึ้นระหว่างอะตอมเพื่อสร้างสารประกอบไอออนิกและโควาเลนต์ (โมเลกุล) ก็เกิดขึ้นผ่านอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กโตสเฟียร์ของอะตอม

อ่านด้วย: แบบจำลองอะตอมของชโรดิงเงอร์ — วิธีการอธิบายอะตอมโดยใช้กลศาสตร์ควอนตัม

ความสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กโทรสเฟียร์กับโครงสร้างอะตอม

ตามที่ระบุไว้ อิเล็กโทรสเฟียร์ครอบคลุมบริเวณของอะตอมที่สามารถพบอิเล็กตรอนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิเล็กตรอนนั้นอยู่ในออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งมีพลังงานที่กำหนดโดยการคำนวณควอนตัม

อิเล็กโตสเฟียร์เป็นบริเวณที่ใหญ่ที่สุดของโครงสร้างอะตอมเนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมมีขนาดเล็กมาก เมื่อคิดว่าอะตอมเป็นสนามฟุตบอล นิวเคลียสจะสอดคล้องกับลูกบอลที่อยู่ตรงกลางสนาม ในขณะที่ส่วนที่เหลือของสนามกีฬาจะเป็นอิเล็กโทรสเฟียร์

อย่างไรก็ตาม ในแง่ของมวล อิเล็กโทรสเฟียร์มีส่วนช่วยเพียงเล็กน้อย. เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กกว่าโปรตอนและนิวตรอนประมาณ 1,836 เท่า เราจึงกล่าวได้ว่ามวลของอะตอมเกือบทั้งหมดมีความเข้มข้นในนิวเคลียส

แก้แบบฝึกหัดเกี่ยวกับอิเล็กโตสเฟียร์

คำถามที่ 1

(Facisb 2023) ในแบบจำลองของบอร์สำหรับอะตอมไฮโดรเจน อิเล็กตรอนสามารถครอบครองวงโคจรได้เพียงบางวงโคจรเท่านั้น วงโคจรเหล่านี้บางส่วนแสดงอยู่ในรูป โดยที่ n หมายถึงระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนมีในแต่ละวงโคจร

พิจารณาว่าในอะตอมไฮโดรเจน อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรโดยที่ n = 5

ตามแบบจำลองของบอร์ อิเล็กตรอนตัวนี้จะปล่อยพลังงานในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าก็ต่อเมื่อเท่านั้น

(A) เคลื่อนเข้าสู่วงโคจรโดยที่ n เท่ากับ 6

(B) ยังคงอยู่ในวงโคจรโดยที่ n = 5

(C) เคลื่อนเข้าสู่วงโคจรใดๆ ที่ n มากกว่า 5

(D) เปลี่ยนไปสู่วงโคจรใดๆ ที่ n น้อยกว่า 5

(E) ถูกขับออกจากอะตอม และทำให้เกิดไอออน

คำตอบ: ตัวอักษร D

เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในเปลือกนอก เมื่อกลับสู่เปลือกชั้นในที่มีพลังงานต่ำกว่า จะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) ดังนั้นการเกิดแสงจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออิเล็กตรอนที่อยู่ใน n = 5 เปลี่ยนไปเป็นเปลือกชั้นใน

คำถามที่ 2

(Uerj 2019) เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตไฮโดรเจนที่เป็นโลหะได้โดยการบีบอัดโมเลกุลไฮโดรเจนภายใต้แรงดันสูง คุณสมบัติโลหะของธาตุนี้เหมือนกับธาตุอื่นๆ ในกลุ่มที่ 1 ของตารางการจำแนกธาตุ

ความคล้ายคลึงกันนี้เกี่ยวข้องกับระดับย่อยที่มีพลังมากที่สุดขององค์ประกอบเหล่านี้ ซึ่งสอดคล้องกับ:

(ก) น¹

(B) n.p.²

(ค) นะ³

(D) nf⁴

คำตอบ: ตัวอักษร A

อะตอมไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ซึ่งอยู่ในระดับแรก ซึ่งเป็นระดับย่อย “s” (1s¹). สาเหตุหนึ่งที่พบในกลุ่มที่ 1 ของตารางธาตุก็เนื่องมาจากองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ ทั้งหมดในกลุ่มนี้มีอะตอมที่มีเปลือกวาเลนซ์เป็นประเภทเดียวกัน (ns¹). ดังนั้นเนื่องจากชั้นวาเลนซ์ที่คล้ายกัน จึงสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในรูปแบบโลหะนี้

แหล่งที่มา:

ทำ CANTO, E. ล.; ลีท, แอล. ล. ว.; คันโต, แอล. ว. เคมี--ในชีวิตประจำวัน. 1. เอ็ด เซาเปาโล: โมเดอร์นา, 2021.

แอตคินส์, พี.; โจนส์, แอล.; ลาเวอร์แมน, แอล. หลักเคมี: ตั้งคำถามกับชีวิตและสิ่งแวดล้อม. 7. เอ็ด ปอร์ตูอาเลเกร: Bookman, 2018.

แอตคินส์, พี.; เดอพอลลา เจ.; คีลเลอร์, เจ. เคมีเชิงฟิสิกส์ของแอตกินส์. 11 เอ็ด ออกซ์ฟอร์ด: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด, 2018