Structura atomului
Divizibilitatea materiei până la o cea mai mică particulă denumită atom a fost susţinută de filozoful grec Democrit cu mult înaintea erei noastre.Dalton, un chimist englez din secolul XVIII a considerat că toată materia este constituită din atomi care nu pot fi nici creaţi nici divizaţi.
În accepţiunea modernă atomul este cea mai mică parte de substanţă care nu mai poate fi divizată prin metode chimice.Un şir lung de descoperiri din domeniul fizicii au arătat că în fapt atomul este format din mai multe particule elementare: protoni, neutroni şi electroni.
Protonul este o particulă elementară cu masa de aproximativ 1.66*10-27 kg şi este încărcat electric cu o sarcină pozitivă egală cu sarcina electrică elementară: 1.6*10-19 C.
Neutronul este o particulă elementară cu masa practic egală cu a protonului şi care este neutru din punct de electric.
Electronul este o particulă elementară cu masa de 9.1*10-31 kg, de peste 1800 ori mai mică decât a protonului sau neutronului şi este încărcat electric negativ cu o sarcină electrică elementară.
Modele atomice clasice
Pentru descrierea modului în care sunt aşezate aceste particule elementare au fost elaborate de-a lungul timpului mai multe modele atomice.J.J.Thompson, la începutul secolului XIX, a elaborat modelul unui atom „plin” în care sarcinile pozitive şi negative erau distribuite uniform. Modelul are doar importanţă istorică, neputând explica proprietăţile atomilor.
Modelul Rutherford
Ceva mai târziu, Rutherford, în urma unor experienţe de împrăştiere a particulelor α pe un strat subţire (foiţă) de atomi de Au a elaborat modelul lacunar al atomului: protonul şi neutronul se găsesc în centrul atomului, într-o zonă cu dimensiuni foarte reduse şi densitate enormă - aproximativ numită nucleu; în jurul acestuia se învârt, pe orbite circulare, electronii care alcatuiesc învelişul electronic. Atomul este aproape gol, masa lui fiind concentrată aproape toată în nucleu, fapt ce permite traversarea lui de către particule uşoare cum sunt cele α fără a fi deviate decât în cazuri rare. Numărul de protoni din nucleu se numeşte număr atomic Z; numărul de electroni din învelişul electronic este egal tot cu Z, pentru păstrarea neutralităţii electrice a atomului. Numărul de protoni şi neutroni din nucleu se numeşte număr atomic de masă A.Structura nucleului este mai puţin importantă pentru chimie şi face obiectul de studiu al fizicii nucleare. Structura învelişului electronic este determinantă pentru proprietăţile atomului şi prin acestea pentru comportamentul lui chimic.
Conform legilor electrodinamicii clasice, o sarcină electrica în mişcare accelerata emite energie, astfel încât, un atom cu o astfel de structură este instabil, electronii căzând rapid pe nucleu.
Modelul Bohr
Pentru a elimina acest neajuns, Niels Bohr, un fizician danez, a elaborat un model bazat pe două postulate, în care, ca o ironie a sorţii, nu a crezut până la moarte. Postulatele enunţau existenţa unor orbite ‘’staţionare’’ pentru care electronii în mişcare nu emit energie, iar trecerea de la o orbită staţionară la alta se face prin emiterea sau absorbtia unor cuante de energie egale cu diferenţa energetică dintre acestea. Modelul a introdus numărul cuantic principal ‘’n’’ care caracteriza aceste orbite staţionare. Modelul a reuşit să explice doar spectrul atomului de H.Modelul Bohr-Sommerfeld
Modelul Bohr-Sommerfeld consideră că electronii se mişcă pe orbite eliptice cu nucleul în unul din focare. Dimensiunea şi forma elipselor (raportul dintre semiaxele a şi b) sunt determinate de două numere cuantice, introduse arbitrar pe baza unor postulate, n - număr cuantic principal şi l - număr cuantic secundar. Sunt permise numai orbitele eliptice pentru care:l=0,1,...., n-1
a/b=n/(l+1)
Orientarea planului acestor elipse faţă de un câmp magnetic exterior este determinată de numărul cuantic magnetic m, care ia valori de -l până la +l, adică 2l+1 valori. Această orientare este rezultatul interacţiei dintre câmpul magnetic creat de electronul în mişcare pe orbită şi cel exterior. De asemenea, pentru descrierea mişcării de rotaţie a electronului în jurul axei proprii s-a introdus numărul cuantic de spin s, care poate lua doar două valori. Aceste două valori au ca semnificaţie polarizările posibile ale câmpului magnetic generat de mişcarea electronului în jurul axei sale, mişcare de rotaţie ce poate avea doar două sensuri.
Toţi electronii şi orbitele corespunzătoare unui acelaşi număr cuantic principal n formează o pătură (strat) electronic. Aceste straturi electronice sunt alcătuite din substraturi, ce conţin orbite de excentricitate variabilă, determinată de valorile numărului cuantic secundar l.
Modelul Bohr-Sommerfeld a reuşit să explice unele dintre proprietăţile atomilor hidrogenoizi (cu un singur electron), fiind însă incapabil să le explice pe cele ale atomilor polielectronici.
Modelul cuantic al atomului
Principiul de nedeterminare Heisenberg - stabileşte o relaţie între incertitudinile în măsurarea simultană a două mărimi (de exemplu poziţie - x şi impuls - p):cu cât una dintre ele este măsurată mai precis cu atât incertitudinea de măsurare a celeilalte este mai mare.
noţiunea de traiectorie (poziţie cunoscută cu exactitate în orice moment) a electronului îşi pierde semnificaţia.
Noţiunea de traiectorie - orbită a electronului va fi înlocuită cu probabilitatea ca acesta să se afle într-o zonă din spaţiu.
Modelul cuantic al atomului
dualismul corpuscul - undă; Louis de Broglie a emis ipoteza conform căreia oricărui corp în mişcare îi este asociată o undă cu lungimea de undă dată de relaţia:
unde:
h este constanta Planck =6.625*10-34J*sm este masa particulei în mişcare;
v viteza de mişcare.
Electronului în mişcare îi va fi asociată o undă, ale cărei caracteristici depind de viteza acestuia.
Ecuatia Schrodinger
Considerând unda asociată electronului în mişcare şi scriind ecuaţia de propagare a acesteia in campul de forte al nucleului, Schrodinger ajunge la relaţia care îi poartă numele, scrisă în cele ce urmează în coordonate spaţiale:unde:
este funcţia de undă, ce depinde de coordonate;
E operatorul energie totală a electronului;
V operatorul energie potenţială a electronului.
Funcţia de undă nu are semnificaţie fizică; modulul funcţiei de undă - reprezintă probabilitatea de a găsi la un moment dat electronul în unitatea de volum:
Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger pentru atomi/ioni cu un singur electron
Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger nu este însă posibilă din punct de vedere matematic decât pentru atomi sau ioni cu un singur electron.
Solutiile acestei ecuatii 
se obtin numai pentru anumite valori ale energiei, numite valori proprii si care sunt determinate de numerele cuantice n.l si m.
Pentru acelasi numar cuantic n energia nivelelor este aceeasi – nivelele cu acelasi n formeaza o patura.
Zonele în care electronii se găsesc cu probabilitate ridicată (>90-95%) se numesc orbitali. Forma acestor orbitali depinde de valorile lui l:
l=0, orbitali de tip s, sferici;
l=1, orbitali de tip p, bilobari;
l=2, orbitali de tip d, cu forme relativ complicate;
l=3, orbitali de tip f, cu forme complicate.
Orbitali
Fiecărui tip de orbitali îi corespund 2l+1 orbitali cu forme sau orientări diferite. Astfel, pentru l=0 (orbitali tip s) există doar orbitali sferici, pentru l=1 (orbitali p) există 3 orbitali: px, py, pz, identici ca formă însă orientaţi în lungul axelor respective.Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger pentru atomi multielectronici
Pentru atomii cu mai mulţi electroni, rezolvarea aproximativă a ecuaţiei Schrodinger a condus la obţinerea unei imagini oarecum asemănătoare cu a atomului cu un electron.Aproximatia consta in considerarea miscarii electronilor, neglijand interactiunile dintre ei, in campul electric creat de nucleu, care are insa o sarcina efectiva mai mica decat Z, datorita ecranarii produse de ceilalti electroni de pe paturile interioare.
Principala deosebire rezultata consta in despicarea nivelelor energetice corespunzatoare unei aceeasi paturi electronice, datorita interactiilor diferite dintre nucleu si electronii aflati in orbitali tip s, p, d si f
Contractia orbitalilor
Calculand functiile de unda pentru fiecare electron din atom se constata ca se produc unele inversiuni in ordinea energetica a orbitalilor, odata cu cresterea lui Z.Fenomenul poarta denumirea de contractia orbitalilor si conduce la anumite modificari in ordinea de completare a straturilor electronice.
Astfel, pentru K, nivelul 4s este mai sarac in energie decat 3d, pentru Sc energia nivelelor este egala, iar incepand cu V orbitalii 3d au energie mai redusa decat 4s.
Despicarea nivelelor energetice
Ordinea de completare a invelisului electronic
Ocuparea cu electroni a orbitalilor se face :în ordinea creşterii energiei acestora;
conform principiul lui Pauli:
Fiecare orbital poate fi ocupat de maxim 2 electroni cu spinii antiparaleli.
regulilor lui Hund:
la completarea unui strat cu electroni se ocupă maximum de orbitali;
în acelaşi substrat electronii necuplaţi au spin paralel.
Ordinea creşterii energiei orbitalilor se poate stabili cu regula (n+l):
orbitalul cu suma (n+l) mai mică este de energie mai scăzută,
pentru aceeaşi sumă (n+l) orbitalul cu n mai mic are energia mai scăzută.
Ordinea de ocupare cu electroni a orbitalilor poate fi stabilită utilizând şi următoarea schemă (fig).
Schema practica pentru stabilirea ordinii de completare a straturilor electronice
Hibridizarea orbitalilor
Matematic se poate demonstra ca o combinatie liniara a solutiilor ecuatiei lui Schrodinger este o solutie a acesteia. Noile solutii se numesc orbitali hibrizi, operatia numindu-se hibridizarea orbitalilor.Orbitalii hibrizi se noteaza pornind de la cei de la care s-a plecat si au energii intermediare orbitalilor initiali:
Orbitalii hibrizi
0 comentarii:
Trimiteți un comentariu