Γενική Χημεία Δομή του ατόμου Δρ. Αθ. Μανούρας

Ατομικό πρότυπο Θετικός πυρήνας μικρού μεγέθους αλλά μεγάλης πυκνότητας. Ηλεκτρόνια, περιφερόμενα σε κυκλικές τροχιές ακαθόριστων ακτίνων. διάμετρος ατόμων: 1 έως 5 Å (1 Å = 10–10 m)

Δομή του ατόμου Συστατικά του πυρήνα: πρωτόνια & νετρόνια  νουκλεόνια. Αριθμός πρωτονίων: ατομικός αριθμός, Ζ Αριθμός νετρονίων, Ν Αριθμός νουκλεονίων : μαζικός αριθμός, Α (= Ν+Ζ) Περίσσεια νετρονίων, Ν – Ζ Νετρόνια: ασταθή εκτός του πυρήνα

Δομή του ατόμου Κάθε τιμή του n προσδιορίζει μια ενεργειακή στάθμη (στιβάδα) του ατόμου. Μετάπτωση ηλεκτρονίου μεταξύ ενεργειακών σταθμών  εκπομπή φωτονίου (ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) ΕΚ < ΕL < EM < EN < EO < EP < EQ Συμβολισμός στιβάδων n = 1  Κ n = 2  L n = 3  M n = 4  N n = 5  O n = 6  P n = 7  Q 

Δομή του ατόμου Διέγερση ατόμου: μετάπτωση του ηλεκ-τρονίου σε στάθμη υψηλότερης ενέργειας. Θεμελιώδης κατάσταση ατόμου: κατά-σταση ελάχιστης ενέργειας  το ηλεκ-τρόνιο βρίσκεται στην 1η ενεργειακή στα-θμη (n =1). Άπειρες δυνατές διεγερμένες καταστά-σεις (n >1). Ελάχιστος χρόνος διατήρησης μιας διε-γερμένης κατάστασης (10-10-10-8 s). Αποδιέγερση ατόμου: μετάπτωση ηλεκ-τρονίου σε λιγότερο διεγερμένη ή στη θε-μελιώδη κατάσταση  εκπομπή ενός μόνο φωτονίου. Το ηλεκτρόνιο μεταπίπτει μόνο ανάμεσα σε επιτρεπόμενες ενεργειακές στάθμες.

Δομή του ατόμου

Η συνολική εικόνα της πιθανότητας παρουσίας ενός ηλεκτρονίου σε κάθε σημείο του χώρου γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, όπου ανήκει, ονομάζεται (ατομικό) τροχιακό (orbital) Δομή του ατόμου Η κατάληψη των τροχιακών από ηλεκτρόνια γίνεται με βάση το μνημομικό αυτό διάγραμμα (αρχή δόμησης aufbau) ακολουθώντας τα κίτρινα βελάκια Η σειρά κατάληψης των τροχιακών μας κατατάσσει τα τροχιακά κατά αυξανόμενη ενέργεια

Δομή του ατόμου Συμβολισμός με διαγράμματα τροχιακών

Δομή του ατόμου Η επίλυση των εξισώσεων Schrödinger για τα (τρισδιάστατα & σφαιρικής συμμετρίας) άτομα, οδηγεί στην εισαγωγή τριών ακέραιων κβαντικών αριθμών, n, l & ml ως ακολούθως: Κύριος κβαντικός αριθμός (n): Τιμές: 1, 2, 3,  (άπειρες θετικές ακέραιες τιμές). Όσο πιο μεγάλη είναι η τιμή του n, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του τροχιακού. Καθορίζει το «μέγεθος» του τροχιακού Μεγαλύτερη τιμή του n  μεγαλύτερη μέση απόσταση ηλεκτρονίου του τροχιακού από τον πυρήνα, δηλαδή ευρύτερη περιοχή του χώρου με αξιόλογη πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου. Καθορισμός στιβάδων: n  1 2 3 4 5 6 7  στιβάδα  Κ L M N O P Q 

Δευτερεύων (αζιμουθιακός ή τροχιακός) κβαντικός αριθμός (l): Δομή του ατόμου Δευτερεύων (αζιμουθιακός ή τροχιακός) κβαντικός αριθμός (l): Τιμές: 0, 1, 2, , n-1 (n θετικές ακέραιες τιμές). Μέτρο τροχιακής στροφορμής ηλεκτρονίου. Μεγαλύτερη τιμή του l  μεγαλύτερη τροχιακή στροφορμή. Οι τιμές του l περιορίζονται από την τιμή του n. Καθορίζει το σχήμα του τροχιακού Καθορισμός υποστιβάδων: l  0 1 2 3 4 5 6 υποστιβάδα  s p d f g h i

Μαγνητικός κβαντικός αριθμός περιφοράς (ml): Δομή του ατόμου Μαγνητικός κβαντικός αριθμός περιφοράς (ml): Τιμές: -l, -l+1, , 0, , l-1, l (2l+1 ακέραιες τιμές). Καθορίζει τον προσανατολισμό του διανύσματος της τροχιακής στροφορμής του ηλεκτρονίου, όταν επιβάλλεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Οι τιμές του ml περιορίζονται από την τιμή του l. Συνολική ενέργεια τροχιακού: Επιτρέπει σε δύο ή περισσότερα ηλεκτρόνια με τον ίδιο κύριο και δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό (που ανήκουν στην ίδια στιβάδα και υποστιβάδα) να αποκτούν διαφορετική ενέργεια. Καθορίζει τον προσανατολισμό του τροχιακού στο χώρο.

Δομή του ατόμου Μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin (ms) Τιμές: +½ & -½ Καθορίζει την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου Δύο ηλεκτρόνια μπορεί να έχουν ίδια (και τα δύο +½ ή -½) ή αντίθετα σπιν, ήτοι παράλληλα () ή αντιπαράλληλα σπιν () αντίστοιχα. Το σπιν δεν συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της συνολικής ενέργειας των ηλεκτρονίων και, κατά συνέπεια, στον καθορισμό των τροχιακών ενός ατόμου.

Δομή του ατόμου Για να αποκτηθεί μια παραστατική εικόνα των ηλεκτρονικών νεφών, που αντιστοιχούν στους διαφόρους τύπους τροχιακών, (s, p, d, f κλπ.) πρέπει να ληφθεί υπόψη η συνολική πιθανότητα – ακτινική & γωνιακή. Διαπιστώνεται ότι: Τα τροχιακά s έχουν σφαιρικό σχήμα, Τα υπόλοιπα τροχιακά (p, d, f, ) αποτελούν συστήματα λοβών. Για την αναπαράσταση ενός τροχιακού καθορίζεται συνήθως μια περιοχή του χώρου, όπου υπάρχει συγκεκριμένη αυξημένη πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο (π.χ. 90%, 99% κλπ.).

Απαγορευτική αρχή του Pauli /1927: Δομή του ατόμου Ένα τροχιακό καθορίζεται από τις τιμές των κβαντικών αριθμών n, l & ml . Ένα τροχιακό μπορεί να είναι: Κενό Να περιέχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο:  Να περιέχει δύο ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin (ζεύγος ηλεκτρονίων):  Απαγορευτική αρχή του Pauli /1927: Ένα τροχιακό μπορεί να περιλάβει το πολύ μέχρι δύο ηλεκτρόνια, τα οποία σ’ αυτή την περίπτωση θα έχουν αντιπαράλληλα σπιν. Δεν είναι δυνατό στο ίδιο άτομο να υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια με την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών: n, l, ml και ms.

Δομή του ατόμου Στα τροχιακά 1s, 2s, 3s.. Τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά νέφη χαρακτηρίζονται από σφαιρική συμμετρία. Όσο αυξάνεται ο κύριος κβαντικός αριθμός (n) του τροχιακού, τόσο ευρύτερη είναι η περιοχή, όπου αυτό εκτείνεται. Η εσωτερική δομή των ηλεκτρονικών νεφών αποκαλύπτει ότι αυτά αποτελούνται από n ομόκεντρους σφαιρικούς φλοιούς

Δομή του ατόμου Καθένα από τα τροχιακά p (px, py, pz) έχει τη μορφή ενός ζεύγους συμμετρικών λοβών, προσανατολισμένων κατά τους άξονες x, y, z ενός τρισορθογώνιου συστήματος συντεταγμένων.

Δομή του ατόμου

Δομή του ατόμου Τροχιακά d

Δομή του ατόμου

Δομή του ατόμου