Az elektronburok*

* „Az elektronburok" és „A kémiai kötések" fejezetben csak a legfontosabb alapfogalmakat tárgyaljuk. Részletesen lásd az ajánlott irodalmakban.

Az anyagok makroszkopikus tulajdonságai, a kémiai összetételre, a kémiai reakciók sebességére és egyensúlyára vonatkozó törvények általában értelmezhetők a Dalton-féle hipotézis és elemfogalom alapján. Nem értelmezhetők viszont az atomokat összekapcsoló erők, a molekulák stabilitása, a kémiai kötés, a kötéstávolságok és a kötési szögek. A Bohr-féle atommodell viszonylag jól leírja a hidrogénatom elektronjának viselkedését, de nagyobb rendszámú elemeknél már csak a kvantummechanikai modell alkalmazható.

 

Kvantummechanikai atommodell jellemzői

 

28. ábra. Erwin Schrödinger 1927-ben állította fel a térbeli állóhullámok leírására alkalmas egyenletét, ahol Y az elektron állapotára jellemző hullámfüggvény (az x, y és z derékszögű térkoordináták függvénye), m az elektron tömege, ha a Planck-féle állandó, E és Ep részecske teljes és potenciális energiája az adott körülmények között.

 

 

Az állapotfüggvénynek nincs önálló fizikai jelentése, csupán matematikai absztrakció. A megoldások arra vonatkoznak, hogy az elektron milyen valószínűséggel található az atom egy megadott helyén. Az elektron pályája az atomban, tehát nem kör vagy ellipszis alakú pályavonalat jelent, hanem a negatív töltés sűrűségeloszlásának szimmetriáját a mag gömbszimmetrikus pozitív erőterében (29. ábra).

 

 

 

 

29. ábra. A negatív töltés sűrűségeloszlásának szimmetriája a mag gömbszimmetrikus pozitív erőterében

Forrás: http://www.uiowa.edu/~c004132/ATOMIC_ORBITALS.html

 
 

Kvantumszámok

Az atommag erőterében mozgó elektronok állapota négy adattal, a Schrödinger-egyenletből adódó kvantumszámokkal jellemezhető.
 

 
 

10. táblázat. A kvantumszámok megengedett értékei

 

szimbólum
név
megengedett értékek
példa
n
főkvantumszám   bármely pozitív egész szám
1,2,3,...
l
mellékkvantumszám   bármely egész szám 0-tól (n-1)-ig
   0,...,(n-1)
m
mágneses kvantumszám   bármely egész szám -l-tól 0-n keresztül +l-ig
   -l,...,0,...,+l
s
spinkvantumszám   -1/2 vagy +1/2

 -1/2,+1/2

 
 

Atompályák

Az n, l, m megengedett és összefüggő értékeivel, egy-egy atompályát határoznak meg (1s, 2s, stb.).
 
 

11. táblázat. Az elektronok maximális száma egy-egy atompályán

 

Főkvantum-szám
(n)
Mellék-kvantumszám
(l)
Mágneses kvantumszám(m)
Pálya jelölése
Spinkvantumszám
(s)
Elektronok maximális száma
1
0
0
1s
-1/2 , +1/2
2
2
0
1
0
-1,0,+1
2s
2p
-1/2 , +1/2
-1/2 , +1/2
2
6(8)
3
0
1
2
0
-1,0,+1
-2,-1,0,+1,+2
3s
3p
3d
-1/2 , +1/2
-1/2 , +1/2
-1/2 , +1/2
2
6
10(18)
-4
0
1
2
3
0
-1,0,+1
-2,-1,0,+1,+2
-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
4s
4p
4d
4f
-1/2 , +1/2
-1/2 , +1/2
-1/2 , +1/2
-1/2 , +1/2

2
6
10
14(32)

 

 

Atompályákon - a kvantummechanika szerint - azt a burkoló felületet (térrészt) értjük, amelyen belül az atommag erőterében mozgó elektron 90 %-os valószínűséggel tartózkodik.

 

Gyakorlási lehetőség a következő címeken:

 

http://www.iun.edu/~cpanhd/periodictable.html

http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Na/econ.html

 

Az atompályák energiája

 

 

A periódusos rendszer

A periódusos rendszer szabályszerűségei az elektronburok fokozatos kiépülésének figyelembevételével értelmezhetők* (12. táblázat).
 
 
 

12. táblázat. Az atomok elektronhéjainak kiépülése a periódusos rendszerben

Periódus
n
n+1
l
Alhéj
Elemek
Elemek száma
1
1
1
0
1s
H,He
2
2
2
2
2
3
0
1
2s
2p
Li,Be
B-Ne
2
6
3
3
3
3
4
0
1
3s
3p
Na,Mg
Al-Ar
2
6
4
4
3
4
4
5
5
0
2
1
4s
3d
4p
K,Ca
Sc-Zn
Ga-Kr
2
10
6
5
5
4
5
5
6
6
0
2
1
5s
4d
5p
Rb,Sr
Y-Cd
In-Xe
2
10
6
6
6
5
4
5
6
6
7
7
7
7
0
2
3
2
1
6s
5d
4f
5d
6p
Cs,Ba
Ln
Lantanidák
Hf-Hg
Tl-Rn
2
1
14
9
6
7
7
6
5
6
7
8
8
8
0
2
3
2
7s
6d
5f
6d
Fr,Ra
Ac
Aktinidák
a 104-es elem után következők
2
1
14
 

 

 

Gyakorlási lehetőség:

http://www.webelements.com/

 

Atomszínképek

Az atom elektronszerkezetének felderítéséhez elsősorban a színképelemzés során megfigyelt jelenségek vezettek. Ha valamely atom egy energiakvantumot (fotont) nyel el, akkor gerjesztett állapotba kerül. Ha a gerjesztett atom visszatér alapállapotba, elektromágneses sugárzást bocsát ki. Ezt a sugárzást spektroszkóppal vizsgálva, a műszer skáláján vonalak jelennek meg (vonalas színkép, vonalas spektrum). A sugárzás energia szerinti szétbontását spektroszkóppal végzik (30.ábra).

 

30. ábra. A spektroszkóp vázlata

Forrás: http://www.iun.edu/~cpanhd/periodictable.html

 

 

Az így nyert színképek az alábbiak szerint csoportosíthatók:

31. ábra. Vonalas spektrumok


 

Az egyes elemeknek a vonalas spektrumuk (31. ábra) annyira jellemző, hogy annak alapján az illető elemet azonosítani lehet.

 

Gyakorlási lehetőség:

http://chemscape.santafe.cc.fl.us/chemscape/catofp/measurep/spectro/spectrs3.htm

 

    Forrás: http://onsager.bd.psu.edu/~jircitano/periodic4.html

 

 

Ionok képződése atomokból

Az atomszínképeknél a sorozathatáron túli spektrum már folytonos. Az atomban kötött elektron energiája nem lehet tetszőleges, azonban az ionizációt követően a szabad elektron bármilyen kinetikus energiájú lehet (32. ábra). Valamely semleges atom egyik elektronja leválasztásához szükséges legkisebb energiát ionizációs energiának nevezzük (Ei; kJ/mol).

Ei1 < Ei2 < Ei3 <....

A témáról Bodonyi Ferenc - Pitter György: Kémiai összefoglaló nyújt részletes ismeretet.

 

32. ábra. Ionizációs energia


 

 

Elektronaffinitás

Az az energia, amely akkor szabadul fel, amikor egy atom elektronfelvétellel ionná alakul (Ea; kJ/mol).

 

Elektronegativitás

Azt az erőt, amellyel egy atom a kémiai kötésben, a megfelelő pályához tartózó elektronokat magához vonzza, elektronegativitásnak (EN) nevezzük (33. ábra).

33. ábra. Összefüggés a kötésben résztvevő atomok elektronegativitása és a kötéstípus között

Forrás: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/materials/graphics/1.gif