ΙΙΙ. Ηλεκτρονική δόμηση. Η δομή του ατόμου. ΙΙΙ. Ηλεκτρονική δόμηση. Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο. Επιμέλεια: Σταθογιαννάκης Νίκος 4ο ΓΕΛ Γλυφάδας. 1 1

Αρχές ηλεκτρονικής δόμησης. Απαγορευτική αρχή του Pauli Η ηλεκτρονική δόμηση βασίζεται σε τρεις αρχές. Αρχή ελάχιστης ενέργειας. Κανόνας του Hund. 2

Απαγορευτική αρχή του Pauli Στο ίδιο άτομο δεν μπορούν υπάρξουν ηλεκτρόνια με ίδιους και τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Στο ίδιο τροχιακό μπορεί να υπάρχουν μόνο δύο ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin. H απαγορευτική αρχή του Pauli καθορίζει ένα μέγιστο αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε τροχιακό, υποστιβάδα και στιβάδα. 3

Δυνατοί διαφορετικοί συνδυασμοί κβαντικών αριθμών n, l, ml και ms. τροχιακά 1s 2s 2py 2pz 2px 3s 3py 3pz 3px 3d 3d 3d 3d 3d υποστιβάδες 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 στιβάδες Κ2 L8 M18 - + Υπόμνημα , 4

Αρχή ελάχιστης ενέργειας. (κανόνας δόμησης aufbau) Στη θεμελιώδη (σταθερότερη δυνατή) κατάσταση του ατόμου τα ηλεκτρόνια τοποθετούνται με τέτοια σειρά ώστε να συμπληρώνονται πρώτα τα τροχιακά που έχουν την μικρότερη ενέργεια.  Όσο μικρότερο είναι το άθροισμα (n+l) τόσο μικρότερη είναι η ενεργειακή στάθμη του τροχιακού.  Αν δύο τροχιακά έχουν το ίδιο (n+l), τότε μικρότερη ενεργειακή στάθμη έχει το τροχιακό με το μικρότερο 1ο κβαντικό αριθμό (n).  Τα τροχιακά στην ίδια υποστιβάδα έχουν την ίδια ένέργεια (εκφυλισμένα τροχιακά) 6

Παράδειγμα κατάταξης τροχιακών με αύξουσα ενέργεια . Παράδειγμα κατάταξης τροχιακών με αύξουσα ενέργεια . 2s n+l=2+0=2 3p n+l=3+1=4 4s n+l=4+0=4 3d n+l=3+2=5 Άρα για τα τροχιακά αυτά η σειρά αυξανόμενης ενέργειας είναι: 2s < 3p < 4s < 3d 7

Διαγράμματα αυξανόμενης ενέργειας τροχιακών. Σειρά πλήρωσης τροχιακών: 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p,8s,5g,6f, ... 8

Διαγράμματα αυξανόμενης ενέργειας τροχιακών. E 4s 4p 3d 3s 3p 2s 2p 1s 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p,8s,5g,6f, ... 9

Παραδείγματα ηλεκτρονικής δόμησης (κατά αύξουσα ενέργεια υποστιβάδας) Παραδείγματα ηλεκτρονικής δόμησης (κατά αύξουσα ενέργεια υποστιβάδας) 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d104p65s24d105p66s24f145d106p6… Ne (Z=10) 1s2 2s2 2p6 Al (Z=13) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 [Νe]3s2 3p1 [Ne] Fe (Z=26) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 [Ar] 4s2 3d6 [Ar] 10

1η παρατήρηση στην ενέργεια των τροχιακών. Στο άτομο του υδρογόνου η ενέργεια εξαρτάται μόνο από τον 1ο κβαντικό αριθμό n . Έτσι τα τροχιακά της ίδιας στιβάδας του υδρογόνου έχουν την ίδια ενέργεια (εκφυλισμένα) και δεν διαφοροποιούνται ενεργειακά όπως τα τροχιακά των πολυηλεκτρονικών ατόμων. άτομο Η (z=1) άτομο Νa (Z=11) ενέργεια 11

2η παρατήρηση στην ενέργεια των τροχιακών. Από τους κανόνες δόμησης είδαμε ότι το ns τροχιακό έχει μικρότερη ενέργεια από τα (n-1)d τροχιακά και γι’ αυτό συμπληρώνεται πρώτα το ns και μετά τα (n-1)d. Όταν όμως τοποθετούνται τα ηλεκτρόνια στα (n-1)d τροχιακά, αυτά αποκτούν μικρότερη ενέργεια από τα ηλεκτρόνια στο ns. (n-1)d Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια (n-1)d εξασκούν απωστικές δυνάμεις στα εξωτερικά ns με αποτέλεσμα τα ns ηλεκτρόνια να αυξάνουν την ενέργειά τους. ns ns (n-1)d 12

3η παρατήρηση στην ηλεκτρονική δόμηση. Σύμφωνα με την προηγούμενη (2η) παρατήρηση είναι δυνατόν να γράφουμε της ηλεκτρονικές διαμορφώσεις με δύο τρόπους: π.χ. Fe (Z=26) Με αύξουσα ενέργεια τροχιακών 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Με αύξουσα ενέργεια ηλεκτρονίων 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Πρέπει να είμαστε προσεκτικοί όταν μας ζητείται μία ηλεκτρονική διαμόρφωση και πάντα να γίνεται διευκρίνιση για την διαμόρφωση που γράφουμε. Καλό είναι να γράφουμε την ηλεκτρονική διαμόρφωση με αύξουσα ενέργεια ηλεκτρονίων γιατί διευκολύνει στην διαμόρφωση των κατιόντων: π.χ. για τον Fe2+ γράφουμε: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 ενώ για τον Fe3+ γράφουμε: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 13

4η παρατήρηση στην ενέργεια των τροχιακών. Η σταθερότητα συμπληρωμένων και ημισυμπληρωμένων υποστιβάδων Την αρχή της μεγίστης σταθερότητας των συμπληρωμένων και ημισυμπληρωμένων υποστιβάδων σύμφωνα με την οποία αυξημένη σταθερότητα επιδεικνύουν οι συμπληρωμένες και ημισυμπληρωμένες υποστιβάδες. Cr: [Ar]3d54s1 και όχι [Ar]3d44s2 Cu: [Ar]3d104s1 και όχι [Ar]3d94s2 14

Κανόνας του Hund . 2px2 2py2 2pz 2py1 2pz1 Τα ηλεκτρόνια της ίδιας υποστιβάδας τοποθετούνται σε τροχιακά έτσι ώστε να έχουν το μέγιστο συνολικό spin. Τα ηλεκτρόνια της ίδιας υποστιβάδας , τοποθετούνται σε τροχιακά έτσι ώστε να έχουν κατά προτίμηση παράλληλα spin. π. χ. στο άτομο του οξυγόνου με δομή 1s2, 2s2, 2p4, τα 4 ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα (2p) έχουν δυνατότητα να έχουν δύο διαμορφώσεις: 2py2 2pz 2px2 2py1 2pz1 λάθος διαμόρφωση. σωστή διαμόρφωση. 15