Κελύφη ηλεκτρονίων

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε για τα κελύφη ηλεκτρονίων, τα διαφορετικά υποκέλυφα και τα τροχιακά όπου μπορούν να βρεθούν τα ηλεκτρόνια.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Πώς να γράψετε διαμορφώσεις ηλεκτρονίων
• Τροχιακά ηλεκτρονίων και τροχιακά σχήματα
• Δεσμοί Sigma και Pi
• Θεωρία δεσμού σθένους
• Μοντέλο Bohr του ατόμου

Το μοντέλο του Μπορ

Ο Niels Bohr ανέπτυξε ένα πρώιμο μοντέλο του ατόμου το 1913. Σύμφωνα με το μοντέλο του Bohr, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν σταθερές κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Κάθε κέλυφος ηλεκτρονίων έχει διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο. Τα κελύφη που βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα έχουν τη χαμηλότερη ενέργεια και τα κελύφη πιο μακριά έχουν υψηλότερες ενέργειες. Η απόσταση μεταξύ κάθε κελύφους και του πυρήνα καθορίζει τον αριθμό του. Σε κάθε κβαντικό αριθμό δίνεται το γράμμα n μετά το ενεργειακό του επίπεδο. Οι κβαντικοί αριθμοί ξεκινούν από το 1 και αυξάνονται κατά 1 για κάθε επίπεδο ενέργειας. Για παράδειγμα, το επίπεδο ενέργειας που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα είναι 1n.

Το μοντέλο Bohr δεν είναι μια ακριβής αναπαράσταση του πού βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Αυτή η προσέγγιση εξακολουθεί να διδάσκεται λόγω της απλότητάς της.

*Σημειώστε ότι ο πυρήνας ή το κέντρο του ατόμου περιέχει τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Κελύφη ηλεκτρονίων

Με πολύ απλά λόγια ένα κέλυφος ηλεκτρονίων είναι το εξωτερικό μέρος ενός ατόμου που περιβάλλει τον ατομικό πυρήνα. Τα κελύφη είναι τροχιακά μονοπάτια που ακολουθούνται από ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα. Όπως όλα στη χημεία, τα ηλεκτρόνια θέλουν να ακολουθούν το μονοπάτι της ελάχιστης αντίστασης. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια συνήθως γεμίζουν τα κελύφη ενός ατόμου από μέσα προς τα έξω. Ξεκινώντας από το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και βαδίζοντας προς τα έξω. Κάθε κέλυφος έχει τη μέγιστη ποσότητα ηλεκτρονίων που μπορεί να χωρέσει. Για παράδειγμα, ο φλοιός 1n μπορεί να χωρέσει 2 ηλεκτρόνια, ο φλοιός 2n μπορεί να χωρέσει 8 ηλεκτρόνια και ο φλοιός 3n μπορεί να χωρέσει 18 ηλεκτρόνια. Ο κανόνας για τον υπολογισμό του αριθμού των ηλεκτρονίων που μπορεί να χωρέσει κάθε φλοιό είναι 2n. Π.χ. ο πρώτος φλοιός είναι 2(1) που σας δίνει 2 ηλεκτρόνια.

Στο παραπάνω διάγραμμα τα επίπεδα ενέργειας απεικονίζονται ως οι δακτύλιοι γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

Το πιο εξωτερικό στρώμα ηλεκτρονίων είναι γνωστό ως κέλυφος σθένους. Τα ηλεκτρόνια του κελύφους σθένους καθορίζουν τη συγγένεια ενός στοιχείου με τον δεσμό. Όταν τα κελύφη σθένους είναι γεμάτα, αυτό είναι συνήθως μια καλή ένδειξη ότι το ηλεκτρόνιο είναι σταθερό. Ο μαγικός αριθμός όταν πρόκειται για κοχύλια σθένους είναι ο αριθμός οκτώ. Τα περισσότερα στοιχεία ακολουθούν τον κανόνα της οκτάδας, που σημαίνει ότι για να είναι ένα στοιχείο σταθερό χρειάζεται οκτώ ηλεκτρόνια στο εξώτατο ενεργειακό του επίπεδο.

*Σημειώστε ότι ο κανόνας της οκτάδας δεν ισχύει για κάθε στοιχείο του περιοδικού πίνακα.

Υποκελύφη

Τα επίπεδα ενέργειας χωρίζονται σε υποκελύφη. Κάθε επίπεδο ενέργειας περιέχει έναν ορισμένο αριθμό υποκελύφους. Τα υποκελύφη είναι μικρότερα μέρη μέσα σε κάθε κέλυφος ηλεκτρονίων. Τα πιο συνηθισμένα και τα τέσσερα πρώτα υποκέλυφα είναι τα s, p, d και f.

Δεδομένου ότι γνωρίζουμε ότι κάθε φλοιός ηλεκτρονίων έχει το δικό του ενεργειακό επίπεδο όταν ο κύριος κβαντικός αριθμός αυξάνεται, το κέλυφος αυξάνεται σε ενεργειακά επίπεδα. Αυτό είναι το ίδιο για κάθε υποκέλυφος μέσα σε ένα κέλυφος. Το υποκέλυφος f έχει το υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από τα d, p και s. Κάθε υποκέλυφος σε ένα από τα κελύφη ηλεκτρονίων θα έχει ενεργειακό επίπεδο χαμηλότερο από το κέλυφος από πάνω του. Έτσι, τα υποκέλυφα στο ενεργειακό επίπεδο 3 θα έχουν χαμηλότερη ενέργεια από αυτά στο ενεργειακό επίπεδο 4.

Τροχιακά

Ένα από τα ελαττώματα του μοντέλου Bohr είναι η απεικόνιση ηλεκτρονίων που κινούνται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου σε απόλυτα κυκλικές τροχιές. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να βρίσκονται οπουδήποτε μέσα στο σύννεφο ηλεκτρονίων ανά πάσα στιγμή. Τα τροχιακά έχουν διάφορα σχήματα:s, p, d, f. καθένα από αυτά τα τροχιακά έχει διαφορετικό σχήμα και απεικονίζει τον τρόπο με τον οποίο ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να επιπλέει γύρω από τον πυρήνα.

*Σημειώστε ότι ο ορισμός ενός τροχιακού είναι οι καθορισμένες περιοχές του χώρου όπου μπορούν να βρεθούν ηλεκτρόνια το 95 τοις εκατό του χρόνου.

Έτσι, όπως φαίνεται παραπάνω, το τροχιακό S μπορεί να έχει ένα σφαιρικό τροχιακό, αλλά το υποκέλυφος p έχει τρία τροχιακά σε σχήμα αλτήρα.

Διαμορφώσεις ηλεκτρονίων

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό που είναι γνωστό ως διαμόρφωση ηλεκτρονίων για να απεικονίσετε πού βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σε ένα μόριο ή ένα άτομο. Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων θα σας πει ποιο επίπεδο ενέργειας, υποκέλυφος και πόσα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν αυτό το υποκέλυφος.

Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων στην παραπάνω εικόνα μας λέει ότι τα ηλεκτρόνια στεγάζονται στο ενεργειακό επίπεδο ένα στο υποκέλυφος s με μόνο δύο ηλεκτρόνια.