🌀

Ηλεκτρονιακή Δομή — Στιβάδες

Πρότυπο Bohr, κατανομή ηλεκτρονίων σε στιβάδες για Z = 1–20

Γιατί τα πυροτεχνήματα έχουν διαφορετικά χρώματα;

Το κόκκινο των πυροτεχνημάτων το δίνουν ενώσεις του στροντίου, το κίτρινο του νατρίου, το πράσινο του βαρίου. Όταν θερμαίνονται, τα ηλεκτρόνια των ατόμων «πηδούν» σε στιβάδες με μεγαλύτερη ενέργεια και, επιστρέφοντας, εκπέμπουν φως με χρώμα που χαρακτηρίζει το στοιχείο. Εδώ μαθαίνεις πώς είναι τοποθετημένα τα ηλεκτρόνια σε στιβάδες — το πρότυπο του Bohr.

Το ατομικό πρότυπο του Bohr

Σύμφωνα με τον Bohr (1913):

Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες κυκλικές τροχιές, τις στιβάδες ή ενεργειακές στάθμες, όπου έχουν καθορισμένη ενέργεια.
Οι στιβάδες συμβολίζονται $K, L, M, N, O, P, Q$ ή με τον κύριο κβαντικό αριθμό $n = 1, 2, 3, \dots, 7$ .
Όσο πιο μακριά από τον πυρήνα είναι μια στιβάδα, τόσο μεγαλύτερη ενέργεια έχουν τα ηλεκτρόνιά της.
Στη θεμελιώδη κατάσταση τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες δυνατές στιβάδες. Αν το άτομο απορροφήσει ενέργεια, ένα ηλεκτρόνιο μεταπηδά σε υψηλότερη στιβάδα (διεγερμένη κατάσταση)· όταν επιστρέφει, εκπέμπει την ενέργεια ως φως.

Ήξερες ότι;

Το ήλιο βρέθηκε πρώτα στον Ήλιο και μετά στη Γη. Το 1868, αναλύοντας το φως του Ήλιου κατά τη διάρκεια έκλειψης, οι αστρονόμοι είδαν μια κίτρινη γραμμή που δεν ταίριαζε σε κανένα γνωστό στοιχείο. Το νέο στοιχείο πήρε το όνομά του από τον ήλιο, και απομονώθηκε στη Γη μόλις το 1895.

Κανόνες κατανομής ηλεκτρονίων σε στιβάδες

Κάθε στιβάδα χωρά το πολύ $2n^2$ ηλεκτρόνια: $K$ : 2, $L$ : 8, $M$ : 18, $N$ : 32.
Η εξωτερική στιβάδα έχει το πολύ 8 ηλεκτρόνια (η $K$ , όταν είναι μόνη της, το πολύ 2).
Η προτελευταία στιβάδα έχει το πολύ 18 ηλεκτρόνια.

Τα ηλεκτρόνια τοποθετούνται με τη σειρά $K \to L \to M \to N$ . Για τα στοιχεία με $Z = 1$ – $20$ (αυτά μας ενδιαφέρουν), αυτό σημαίνει: γεμίζει η $K$ με 2, η $L$ με 8, η $M$ ως 8 και ό,τι περισσεύει πηγαίνει στην $N$ . Έτσι το $K$ ( $Z = 19$ ) έχει δομή $(2, 8, 8, 1)$ και όχι $(2, 8, 9)$ — η $M$ θα ήταν εξωτερική με 9 ηλεκτρόνια.

$\text{μέγιστος αριθμός } e^- \text{ στη στιβάδα } n = 2n^2 \qquad (K{:}\,2,\ L{:}\,8,\ M{:}\,18,\ N{:}\,32)$

Τα στοιχεία με $Z = 1$ – $20$

Τα ονόματα και οι ατομικοί αριθμοί αυτών των στοιχείων πρέπει να απομνημονευθούν (η κατανομή προκύπτει από τους κανόνες):

$_1H$ (1) · $_2He$ (2)
$_3Li$ (2,1) · $_4Be$ (2,2) · $_5B$ (2,3) · $_6C$ (2,4) · $_7N$ (2,5) · $_8O$ (2,6) · $_9F$ (2,7) · $_{10}Ne$ (2,8)
$_{11}Na$ (2,8,1) · $_{12}Mg$ (2,8,2) · $_{13}Al$ (2,8,3) · $_{14}Si$ (2,8,4) · $_{15}P$ (2,8,5) · $_{16}S$ (2,8,6) · $_{17}Cl$ (2,8,7) · $_{18}Ar$ (2,8,8)
$_{19}K$ (2,8,8,1) · $_{20}Ca$ (2,8,8,2)

Ηλεκτρόνια σθένους είναι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας· αυτά καθορίζουν τη χημική συμπεριφορά του ατόμου.

Μέθοδος: κατανομή ηλεκτρονίων

Βρες τον αριθμό των ηλεκτρονίων: $Z$ για άτομο, $Z - \text{φορτίο}$ για ιόν.
Γέμισε με τη σειρά: $K$ έως 2, $L$ έως 8, $M$ έως 8 (για $Z \le 20$ ), τα υπόλοιπα στην $N$ .
Έλεγξε ότι η εξωτερική στιβάδα έχει το πολύ 8 ηλεκτρόνια.
Διάβασε: αριθμός στιβάδων και ηλεκτρόνια σθένους.

Άσκηση: Να γραφεί η κατανομή ηλεκτρονίων σε στιβάδες για τα $_{12}Mg$ , $_{16}S$ και $_{19}K$ .

Λύση:

$_{12}Mg$ : $K(2)\ L(8)\ M(2)$ → 3 στιβάδες, 2 ηλεκτρόνια σθένους
$_{16}S$ : $K(2)\ L(8)\ M(6)$ → 3 στιβάδες, 6 ηλεκτρόνια σθένους
$_{19}K$ : $K(2)\ L(8)\ M(8)\ N(1)$ → 4 στιβάδες, 1 ηλεκτρόνιο σθένους. Η δομή $(2, 8, 9)$ είναι λάθος, γιατί η εξωτερική στιβάδα δεν μπορεί να έχει πάνω από 8 ηλεκτρόνια.

Άσκηση: Να γραφεί η κατανομή των ιόντων $_{13}Al^{3+}$ , $_{16}S^{2-}$ και $_{20}Ca^{2+}$ .

Λύση:

$Al^{3+}$ : $13 - 3 = 10$ ηλεκτρόνια → $(2, 8)$ , όπως το ευγενές αέριο $Ne$
$S^{2-}$ : $16 + 2 = 18$ ηλεκτρόνια → $(2, 8, 8)$ , όπως το $Ar$
$Ca^{2+}$ : $20 - 2 = 18$ ηλεκτρόνια → $(2, 8, 8)$ , επίσης όπως το $Ar$

Τα ιόντα των κύριων ομάδων αποκτούν συνήθως τη δομή του πλησιέστερου ευγενούς αερίου.

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Ένα στοιχείο $X$ έχει 3 στιβάδες και 7 ηλεκτρόνια σθένους.

Δεδομένα: 3 στιβάδες, 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική.

Ζητούμενα: (α) ο ατομικός αριθμός και το στοιχείο, (β) η κατανομή του ιόντος που σχηματίζει, (γ) πόσα ηλεκτρόνια έχει στη στιβάδα $M$ το $_{19}K$ .

Λύση:

(α) Οι δύο εσωτερικές στιβάδες είναι γεμάτες: $K(2)\ L(8)\ M(7)$ , άρα $Z = 2 + 8 + 7 = 17$ : χλώριο.

(β) Με πρόσληψη ενός ηλεκτρονίου αποκτά οκτάδα: $Cl^-$ με δομή $(2, 8, 8)$ .

(γ) $_{19}K$ : $(2, 8, 8, 1)$ — η $M$ έχει $8$ ηλεκτρόνια.

Απάντηση: $Z = 17$ ( $Cl$ )· $Cl^-$ : $(2,8,8)$ · $8$ .

Γρήγορος έλεγχος

Ποια είναι η κατανομή ηλεκτρονίων σε στιβάδες του $_{20}Ca$ ;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορεί να χωρέσει η στιβάδα $M$ ( $n = 3$ );

Γρήγορος έλεγχος

Ιόν με φορτίο $2-$ έχει κατανομή $(2, 8)$ . Ποιο είναι;

Γρήγορος έλεγχος

Πόσα ηλεκτρόνια σθένους έχει το άτομο του $_{16}S$ ;

Πρόκληση

η αλυσίδα των στοιχείων. Το άτομο του στοιχείου $X$ έχει στη στιβάδα $M$ τα μισά ηλεκτρόνια από όσα έχει στη στιβάδα $L$ . Το στοιχείο $\Psi$ έχει 2 πρωτόνια περισσότερα από το $X$ . Το ιόν $\Omega^{2+}$ έχει τόσα ηλεκτρόνια όσα το ιόν $\Psi^{2-}$ . Βρες τους ατομικούς αριθμούς και γράψε την κατανομή των $\Psi^{2-}$ και $\Omega^{2+}$ .

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Αφού υπάρχει στιβάδα $M$ , η $L$ είναι γεμάτη με 8 ηλεκτρόνια. Άρα η $M$ έχει 4: $X$ $(2, 8, 4)$ , $Z = 14$ (πυρίτιο).
$\Psi$ : $Z = 16$ (θείο), $(2, 8, 6)$ . Το $\Psi^{2-}$ έχει $16 + 2 = 18$ ηλεκτρόνια: $(2, 8, 8)$ .
$\Omega^{2+}$ : $Z - 2 = 18 \Rightarrow Z = 20$ (ασβέστιο). Το $Ca^{2+}$ έχει $(2, 8, 8)$ .

Απάντηση: $X$ : $Z = 14$ , $\Psi$ : $Z = 16$ , $\Omega$ : $Z = 20$ · τα $S^{2-}$ και $Ca^{2+}$ έχουν και τα δύο κατανομή $(2, 8, 8)$ , όπως το αργό.

Συνηθισμένα λάθη

$(2, 8, 9)$ για το κάλιο. Η εξωτερική στιβάδα έχει το πολύ 8 ηλεκτρόνια· το 19ο ηλεκτρόνιο πηγαίνει στην $N$ .
Σύγχυση χωρητικότητας και ορίου εξωτερικής. Η $M$ χωρά 18 ( $2n^2$ ), αλλά ως εξωτερική έχει το πολύ 8.
Κατανομή ιόντος με $Z$ ηλεκτρόνια. Πρώτα διόρθωσε τον αριθμό ηλεκτρονίων με το φορτίο και μετά κατανέμεις.
Απομνημόνευση όλου του πίνακα. Απομνημονεύεις ποιο στοιχείο έχει ποιο $Z$ · την κατανομή την «χτίζεις» με τους κανόνες.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Bohr: τα ηλεκτρόνια κινούνται σε στιβάδες $K, L, M, N, \dots$ ( $n = 1, 2, 3, 4, \dots$ ) με αυξανόμενη ενέργεια.
Χωρητικότητα $2n^2$ · εξωτερική στιβάδα το πολύ 8 ( $K$ : 2)· προτελευταία το πολύ 18.
Για $Z \le 20$ : $K$ ως 2, $L$ ως 8, $M$ ως 8, υπόλοιπα στην $N$ — π.χ. $K$ : $(2,8,8,1)$ , $Ca$ : $(2,8,8,2)$ .
Ηλεκτρόνια σθένους = ηλεκτρόνια εξωτερικής στιβάδας· καθορίζουν τη χημική συμπεριφορά.
Ιόντα κύριων ομάδων: αποκτούν δομή ευγενούς αερίου ( $Na^+$ : $(2,8)$ , $Cl^-$ : $(2,8,8)$ ).

Το ατομικό πρότυπο του Bohr

Σύμφωνα με τον Bohr (1913):

Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες κυκλικές τροχιές, τις στιβάδες ή ενεργειακές στάθμες, όπου έχουν καθορισμένη ενέργεια.

Οι στιβάδες συμβολίζονται

K, L, M, N, O, P, Q

ή με τον κύριο κβαντικό αριθμό

n = 1, 2, 3, \dots, 7

Όσο πιο μακριά από τον πυρήνα είναι μια στιβάδα, τόσο μεγαλύτερη ενέργεια έχουν τα ηλεκτρόνιά της.

Στη θεμελιώδη κατάσταση τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες δυνατές στιβάδες. Αν το άτομο απορροφήσει ενέργεια, ένα ηλεκτρόνιο μεταπηδά σε υψηλότερη στιβάδα (διεγερμένη κατάσταση)· όταν επιστρέφει, εκπέμπει την ενέργεια ως φως.

Ηλεκτρονιακή Δομή — Στιβάδες

Γιατί τα πυροτεχνήματα έχουν διαφορετικά χρώματα;

Το ατομικό πρότυπο του Bohr

Κανόνες κατανομής ηλεκτρονίων σε στιβάδες

Τα στοιχεία με Z=1Z = 1Z=1–202020

Μέθοδος: κατανομή ηλεκτρονίων

Ηλεκτρονιακή Δομή — Στιβάδες

Γιατί τα πυροτεχνήματα έχουν διαφορετικά χρώματα;

Το ατομικό πρότυπο του Bohr

Κανόνες κατανομής ηλεκτρονίων σε στιβάδες

Τα στοιχεία με Z=1Z = 1Z=1–202020

Μέθοδος: κατανομή ηλεκτρονίων

Τα στοιχεία με $Z = 1$ – $20$

Τα στοιχεία με $Z = 1$ – $20$