Powłoki elektronowe i orbitale.

Powłoki elektronowe O ile liczba protonów determinuje jednoznacznie jaki to pierwiastek, o tyle za wszelkie chemiczne reakcje odpowiada to, co zewnętrzne. Czyli elektrony zgromadzone na powłokach, które przez analogię do Układu Słonecznego zdefiniowałbym jako orbitę. Im dalsza powłoka, tym większą energię ma obiekt po niej krążący. Na jednej może się znajdować kilka elektronów. Czasem tylko […]

Powłoki elektronowe

O ile liczba protonów determinuje jednoznacznie jaki to pierwiastek, o tyle za wszelkie chemiczne reakcje odpowiada to, co zewnętrzne. Czyli elektrony zgromadzone na powłokach, które przez analogię do Układu Słonecznego zdefiniowałbym jako orbitę. Im dalsza powłoka, tym większą energię ma obiekt po niej krążący. Na jednej może się znajdować kilka elektronów. Czasem tylko dwa, niekiedy (w teorii) ponad sto. Na razie skupię się na procesach wzbudzenia i emisji. Wzbudzenie polega na zmianie orbity poruszania się elektronu na dalszą od centrum, a co za tym idzie, o większej energii, która musi być jakoś dostarczona. Można to tłumaczyć obrazowo – jeśli w Ziemię uderzy kometa, to na pewno orbita zmieni się na większą, gdyż nasza planeta otrzyma wtedy dodatkową energię. W ujęciu atomowym jej źródłem może być światło, ciepło, bodziec mechaniczny, albo inna reakcja chemiczna. W każdym razie jest ona pochłaniana podczas tego procesu. Jej wartość jest ściśle określona i wiąże się z tym, że elektron może znajdować się tylko w określonych odległościach od jądra. Taką sytuację nazywamy skwantowaniem, czyli dystrybucją na niepodzielne, ściśle określone porcje. Stan wzbudzenia nie trwa jednak długo. Przy najbliższej okazji dochodzi do emisji – powrotu elektronu na niższą powłokę wraz z uwolnieniem energii, której nośnikiem są fotony. Są one małymi, nic nie ważącymi podczas spoczynku cząstkami, ale poruszają się z prędkością światła. Mają zatem masę wynikłą z równania 𝐸 = 𝑚c2 . Możesz je spotkać wszędzie, otaczają Cię cały czas, stanowiąc tak zwane fale elektromagnetyczne. Żarówka, mikrofalówka, radio, lampa aparatu rentgenowskiego są nielicznymi z wielu ich źródeł. W chemii najważniejsze są promieniowanie gamma oraz pochłanianie i emisja światła przez związek chemiczny, dające widmo absorpcyjne i emisyjne.

Schematyczne ukazanie absorbcji fotonu (hv) oraz jego emisji. W pierwszym przypadku elektron przenosi się na dalszą powłokę, w drugim natomiast powraca na tę bliższą jądru.

Widmem absorpcyjnym nazywamy „tęczę” z wyciętymi czarnymi pasami. Odpowiadają one „kolorom” fotonów, które zostały pochłonięte podczas procesu wzbudzania. W praktyce zaobserwujemy to podczas oglądania światła, jakie dają gwiazdy. Jeżeli rozszczepimy je za pomocą pryzmatu, otrzymamy czarne pasy w określonych miejscach. Ich lokalizacja jest właściwa dla pierwiastka, jaki znajdował się na drodze światła, czyli w atmosferze gwiazdy, np. Słońca. To, które fotony są pochłanianie, zależy od układu elektronów wokół atomu. Każdy pierwiastek w związku z tym będzie miał inne widmo; wygląda ono nieco jak kod kreskowy identyfikujący dane indywiduum chemiczne.

Emisja jest często lustrzanym odbiciem absorpcji. Skoro pochłonięto określony foton, elektron zmienił swoją lokalizację na wyższą orbitę i zaraz potem wraca z powrotem to musi uwolnić foton taki sam, jaki został wcześniej pobrany. W przyrodzie nic nie ginie, szczególnie w skali atomowej – każda porcja energii jest policzona. Dlatego na drodze emisji spodziewamy się określonych kolorów światła. Zjawisko to jest wykorzystywane np. w lampach sodowych (te żółte, upiorne, nadające klimat ulicy po zmroku), albo w neonówkach (zapewne domyśliłeś się, że do emisji jest prowokowany neon).

Opisywany model elektronów jako planet w Układzie Słonecznym jest odpowiedni dla zrozumienia emisji i wzbudzenia, będąc właściwym i często wystarczającym w ujęciu fizycznym. Dalsze badania naukowe wykazały, że natura elektronów jest nieco inna. Nie powoduje to unieważnienia tego, co do tej pory omówiłem, a jedynie dopełnia całości na potrzeby zrozumienia chemii.

Orbitale

Okazuje się, że bardzo małe cząstki, takie jak elektrony, mają problem ze swoją naturą. Cechuje je dualizm korpuskularno-falowy, czyli dwoistość natury. Z jednej strony zachowują się one jak zwykłe cząstki, „kulki”, z drugiej zaś mają cechy fali. Nawiązując do fizyki – fala to takie regularnie powtarzające się i rozchodzące w przestrzeni zaburzenie. Może to być zmiana wysokości poziomu morza jako fala morska, czy zmiana ciśnienia powietrza jako fala akustyczna. Fala może postępować tak jak powyższe, albo krążyć i powracać do punktu wyjścia, nazywając się przy tym falą stojącą. Kiedy uderzysz strunę gitary palcem, przyjrzyj się jak wygląda, gdy drga. Ma postać rozmytego obszaru dlatego właśnie, że drga zbyt szybko, byś mógł określić jej położenie w danym momencie. Podobne zjawisko możesz zaobserwować w ruchu łopatek wentylatora – jeśli go nie zatrzymasz, widzisz kolisty, półprzezroczysty obszar. Aczkolwiek wystarczyłaby kamera z trybem slow motion i mógłbyś cieszyć się mniej rozmytym obrazem, obserwując klatka po klatce bieg wentylatora. W każdym razie, jeden i drugi przykład można z mniejszym lub większym przybliżeniem nazwać falą stojącą.

Tymczasem, małe cząstki pędzą z szybkością bliską prędkości światła. Po pierwsze – jest to bardzo dużo. Po drugie – są tak małe, że w tej ogromnej prędkości nie możemy z całą pewnością stwierdzić, gdzie się znajdują. Dlaczego? Otóż, każdy przyrząd optyczny, jak nasza kamera chociażby, działa dzięki fotonom. Są one odbijane, emitowane, absorbowane i obraz, który oglądasz na kamerze jest tego odzwierciedleniem. A teraz wyobraź sobie, że taki elektron musiałby być oświetlony przez foton, następnie powinien się odbić i wrócić do kamery. Energie fotonów i elektronów są porównywalne. Nietrudno się zatem domyślić, że po zderzeniu foton nie odbije się jak od ściany; będzie to raczej zderzenie dwóch piłek. Poza tym – może dojść do absorpcji.

Generalnie, wymienione wyżej cechy elektronów zaczęły przeszkadzać w korzystaniu z modelu planetarnego. Musiał zostać wprowadzony nowy model – falowy. Zakłada on po pierwsze, że nie da się dokładnie określić jednocześnie: gdzie jest i jak szybko porusza się elektron. Jest to tak zwana zasada nieoznaczoności i wynika z wcześniej omówionego wpływu fotonów na elektrony. Po drugie, elektrony nie krążą na orbitach, a drgają (mają postać fali stojącej) w określonym obszarze zwanym orbitalem. Z boku wyglądać to może jak chmura, w której elektron po prostu… jest. Ich kształty zostały przewidziane na podstawie równań matematycznych, zwanych funkcjami falowymi (i nie są Ci one w ogóle potrzebne).

Podpowłoki elektronowe

Okazuje się, że kształty poszczególnych orbitali atomowych cechuje duża regularność. Niektóre są kuliste, część wygląda jak „leniwe ósemki”, jeszcze inne porównałbym do pomarańczy rozdzielonej na cząstki. Naturę cechuje niesamowity kunszt, zachowany co do najmniejszych elementów. Orbitale o podobnym kształcie organizują się w podpowłoki, a one z kolei układają się w powłoki. Jeśli powłoki ponumerowałbym od jedności, to liczba podpowłok na każdej z nich równałaby się jej numerowi. Na powłoce pierwszej mamy tylko jedną podpowłokę, na drugiej dwie itd. Pozostaje jeszcze kwestia liczby orbitali na każdej z nich. Pierwsza podpowłoka zawsze zawiera jeden orbital, każda kolejna o dwa więcej, zatem na drugiej będą trzy, na trzeciej pięć itd. Teraz podliczmy orbitale na każdej powłoce. Powłoka numer jeden zawiera jedną podpowłokę z jednym orbitalem. Powłoka druga dwie podpowłoki, odpowiednio z jednym i trzema orbitalami – razem cztery. Kolejna powłoka ma trzy podpowłoki, zawierające jeden, trzy i pięć orbitali – w sumie dziewięć. Zauważyłeś prawidłowość? Numer powłoki do kwadratu! Przepraszam za taką ilość matematyki, nie mogę uprościć czegoś ponad miarę. Pozostaje kwestia maksymalnej liczby elektronów znajdujących się na orbitalu. Wynosi ona dokładnie dwa. Co więcej, każdy z nich posiada spin – czyli kręci się niczym zabawka bąk. Jeśli jeden kręci się w prawo, drugi musi w lewo.

Kształty poszczególnych orbitali. Każdy rząd oznacza kolejną podpowłokę (od góry): s, p, d i f

Powyższy, nieco abstrakcyjny, acz konieczny opis ma służyć możliwie zwięzłemu wprowadzeniu Cię w prawa mechaniki kwantowej. Mechanika – czyli ruch w różnych postaciach; kwantowa – przyjmująca ściśle określone parametry. To tak jakbyś jechał samochodem i dozwolone prędkości jazdy wynosiłyby 0, 10, 20 itp. kilometrów na godzinę. Nie mógłbyś jechać 15, byłoby to zabronione. Silnik twojego pojazdu by na to nie pozwolił. Takie reguły są trudne do zrozumienia, ponieważ nie manifestują się w naszej codzienności. Chcąc nie chcąc, będę wracał do tych zagadnień wtedy, kiedy do zrozumienia danego tematu z chemii będzie wymagana znajomość tego działu. Nie martw się – postaram się oswajać Cię z abstrakcyjnością chemicznego myślenia. Kiedy poznasz budowę i zasadę działania atomowych „maszynek”, nauka stanie się znacznie prostsza.

Wielka Powtórka Maturalna

Dla Uczestników
Materiały dodatkoweFAQ