STRUCTURA ATOMULUI - BACmd

STRUCTURA ATOMULUIÎncă din antichitate s-a pus problema găsirii celei mai mici părţi în care se poatediviza materia. Filozofii greci, în frunte cu Democrit (secolul V î.Hr.), afirmau că lumeaînconjurătoare este alcătuită din atomi, adică din particule indivizibile şi veşnice (în limbagreacă, atomos înseamnă indivizibil).În 1803 J. Dalton, fizician şi chimist englez, a elaborat o teorie atomică proprie careexplică legea proporţiilor multiple afirmând că din moment ce substanţele se combină numaiîn proporţii integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.În secolul al XIX-lea s-au făcut progrese în concepţia atomistă prin descoperirearadioactivităţii naturale (1896 de către A.H. Becquerel, premiul Nobel pentru fizică în1903) şi descoperirea electronului (1897 de către J.J. Thomson, premiul Nobel pentru fizicăîn 1906).Despre fizica atomică în sens propriu se poate vorbi abia de la începutul secolului XX,când au fost elaborate primele modele atomice:–– 1904 – J.J. Thomson – „cozonac cu stafide” – atomul era reprezentat ca o sferă cusarcină electrică pozitivă distribuită în tot volumul, iar în aceasta „înoată” electroniinegativi.–– 1911 – E. Rutherford (premiul Nobel pentru chimie în 1908) – modelul planetar –atomul are în centrul său nucleul încărcat pozitiv, de dimensiuni reduse şi careconţine practic toată masa atomului, în jurul căruia se rotesc pe orbite circulareelectronii, aflaţi în număr egal cu sarcinile pozitive din nucleu (analogie: Soare =nucleu, planete = electroni).–– 1913 – N.Bohr (premiul Nobel pentru fizică în 1922) – pentru atomul de hidrogenpreia modelul planetar al lui Rutherford, căruia îi aplică teoria cuantelor.–– 1915 – A. Sommerfeld „perfecţionează” modelul lui Bohr–– după 1925 – modelul ondulatoriu staţionar – elaborat ca urmare a rezultatelorcercetărilor unor renumiţi fizicieni, laureaţi ai premiului Nobel: L. de Broglie(1929),W. Heisenberg (1932), E. Schrodinger (1933).FIZICA CLASICĂ → STRUCTURA ATOMULUI ← FIZICA CUANTICĂFizica clasică:–– domeniu macroscopic → lumea de zi cu zi–– fizica clasică, mecanica newtonianăo descrierea completă a stării unui sistem înseamnă cunoaşterea la un momentdat a tuturor coordonatelor şi vitezelor acestuiaFizica cuantică:–– domeniu submicroscopic → atomic (10 -10 m), nuclear (10 -14 m)–– fizica cuantică, mecanica cuanticăo variaţia parametrilor fizici se face în salturio operează cu metode statistice şi de probabilitate→ În lumea atomului există un UNIVERS în miniatură→ Atomul reprezintă o întreagă lume a cărui „locuitori” se comportă într-un mod cutotul neobişnuit şi foarte complex1

Când un atom absoarbe energie luminoasă, electricã sau termicã, el trece dintr-o starede energie E1 în altã stare de energie E2, mai bogatã decât prima. Când atomul emite energie,fenomenul este invers, după cum se vede în figura de mai jos :Stare excitatăE 2StarefundamentalăAbsoarbeenergieE 1EmiteenergieE = hυDiferenţa de energie dintre cele douã stări ale atomului este egalã cu energia emisã sauabsorbitã:ΔE = E2 - E1 = hν (1)Cantitatea aceasta de energie este proporţională cu frecvenţa ν a luminii înmulţită cu oconstantã h numită constanta lui Planck, cu valoarea: 6,63.10-34 J.s.Energia luminoasã emisă sau absorbită de un număr mai mare de particule care trec dela o stare energetică la alta, este un multiplu al cuantei elementare.E = nhν (n = 1,2,3,....) (2)Schimburile de energie între materie şi radiaţia de frecvenţă υ se produce prin cantităţidiscrete numite cuante de energie hυ.Undele electromagnetice se comportă câteodată ca particulele materiale. Ele pot extrageelectroni materiei, acest fenomen fiind numit efect fotoelectric. Aceste particule materialesunt fotoni.Unda electromagnetică prezintă în acelaşi timp proprietăţi de undă şi de particulămaterială: E = hυ şi p =h/λ radiaţia electromagnetică, deci şi LUMINA, este de naturădualistă (undă – corpuscul).Când un atom absoarbe o radiaţie de frecvenţă υ, energia corespunzătoare hυ estetransferată atomului el trece într-o stare excitată de energie E* = E + hυ:Atom + Foton Atom excitatCând un atom emite o radiaţie de frecvenţă υ trece într-o stare energetică inferioară, E= E* - hυ : Atomul excitat Atom + FotonAceste schimburi de fotoni au loc la frecvenţe { υ } caracteristice, în funcţie de naturaatomului considerat. Ele constitue Spectrele atomuluiSpectrul atomului de hidrogen{ν }3

Tabel 1 – Starea electronilor în atomi caracterizată de numerele cuantice – valorilenumerelor cuantice:n l m Număr de orbitali Număr deelectroni1 0 0 1 1 22 0012341 -101-12 -2 -10123 -3-2-2-1-1-10 +10000000+1+1 +2+1+1+1+2+2 +33 4135 91357 166 82610 18261014 32Deşi perfecţionat faţă de modelul lui Bohr, modelul atomic Bohr-Sommerfeld, îşilimitează aplicabilitatea numai la atomul de hidrogen şi ionii hidrogenoizi, nepermiţândinterpretarea spectrele atomilor cu mai mulţi electroni (a heliului si a atomilor mai grei) saucomportarea lor magneticã. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecventcuantic (stările energetice staţionare se calculează cu relaţii clasice, numerele cuantice şicondiţiile de cuantificare sunt introduse arbitrar).4. Modelul ondulatoriu staţionar(modelul atomic al mecanicii cuantice)1923 – L.V. de Broglie (premiul Nobel pentru fizică în 1929) introduce ideea de dualitateparticulă – undă a materiei: un electron sau orice altă particular subatomică se poatecomporta atât corpuscular, cât şi ondulatoriu, adică, o particulă elementară în mişcare areasociată o undă a cărei lungime de undă variază cu energia sa.1926 – E. Schrodinger (premiul Nobel pentru fizică în 1933) elaborează prima lucrare demecanică ondulatorie redată în Ecuaţia lui Schrodinger care:–– arată caracterul ondulatoriu al mişcării electronului în atom, descris de o funcţie deundă, Ψ;–– arată în termenii mecanicii cuantice că energia totală a unei particule (electronului)cu masa m, care se mişcă într-un spaţiu este suma dintre energia cinetică şi energiapotenţială;–– are soluţii numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezintă energiileelectronului în stările staţionare, stări caracterizate de numerele cuantice: n, l, m, s,deci, energia electronului în atom este cuantificată (limitată la valori discrete).1927 – W. Heisenberg (premiul Nobel pentru fizică în 1932) enunţă principiulincertitudinii: determinarea simultană a poziţiei şi momentului cinetic unui electron esteimposibilă; cu cât valoarea uneia dintre mărimi este calculată cu mai multă precizie, cuatât valoarea celeilalte este mai imprecisă.CONCLUZII:–– comportarea electronului în atom este caracterizată de nu merele cuantice: n, l, m, s.–– în mişcarea sa în jurul nucleului electronul nu are o traiectorie precisă, numaiprobabilitatea prezenţei electronului în spaţiul din jurul nucleului este măsurabilă →definirea orbitalului atomic = regiunea de spaţiu din jurul nucleului undeprobabilitatea de a găsi un electron este cea mai mare (aproximativ 90%)9

Modelulondulatoriu- Modelul lui Bohr nu se aplică decât atomului de hidrogen şi ionilorhidrogenoizi, în absenţa câmpului electric sau magnetic-Experienţele de difracţie arată că electronii au caracteristicile uneiunde.-Lungimeade undă este determinată de relaţia lui « de Broglie »λ=h/ =h/mvElectronul este o particulă cu proprietăţi ondulatorii.Unda electromagnetică este o undă cu proprietăţicorpusculare.Electronul dualitateate undă / corpuscul.11Modelulondulatoriu- Caracterul ondulatoriu al electronului este descris de o funcţie deundă Ψ obţinută din ecuaţia lui Schrödinger: H Ψ =E Ψ- Electronul nu are o traiectorie cunoscută cu exactitate.-Este măsurabilă numai probabilitatea prezenţei sale Ψ 2 .- Comportamentul electronului atomului de hidrogen estedescris de 4 numere cuantice: n, l, , m, s. sn -numărul cuantic principal indică energia e - .l -numărul cuantic secundar, azimutal indică mărimeamomentului unghiular orbital.m -numărul cuantic magnetic indică direcţia momentuluiunghiular orbital.s - numărul cuantic de spin indic ă o caracteristicăintrinsecă a e - , spinul său.1210

CARACTERIZAREA ORBITALILOR ATOMICIÎn funcţie de valorile numărului cuantic l, funcţiile orbitale determină pentru orbitaliforme diferite.Pentru l = 0, orbitalul este „s”, are formã sfericã (simetrie maximã) funcţia de undã anulânduseîn nucleu. Există din primul strat electronic, K, fiecare substrat s având un singur orbital s.zy+xOrbital sPentru l = 1, orbitalii sunt în număr de 3 (deoarece numărul cuantic magnetic arevalorile -1, 0, 1), sunt orbitalii p (p x , p y , p z ) şi au simetrie bilobarã. Există din stratul aldoilea, L, deci de la nivelul caracterizat de n = 2.zzzyyy++- + xxx-p x p y p zOrbitalii pPentru l = 2, orbitalii sunt în număr de 5 (deoarece numărul cuantic magnetic arevalorile -2, -1, 0, 1, 2), sunt orbitalii d (d x2-y2 , d z2 , d xy , d yz , d xz ) şi au simetrie tetralobară.Există din stratul al treilea, M, deci de la nivelul caracterizat de n = 3.-zzyxyxd x 2 -y 2d z2Orbitalii d x2-y2 şi d z212

zzzxxxyyyd xyd yzd xzOrbitalii d xy , d yz , d xzCând l = 3, orbitalii sunt în număr de 7 (deoarece numărul cuantic magnetic arevalorile -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3), sunt orbitalii f şi au simetrie octolobară. Există din stratul alpatrulea, N, deci de la nivelul caracterizat de n = 4.Repartizarea electronilor în învelişul electronic al atomilorDistribuţia electronilor în învelişul electronic al atomilor, în orbitali, substraturi şi straturielectronice, se face ţinând cont de următoarele reguli:1). Principiul ocupării succesive a orbitalilor cu electroni, principiul construcţieisau principiul stabilităţii:Orbitalii atomilor multielectronici se populează succesiv cu electroni, în ordineacreşterii energiei orbitalilor; se ocupã mai întâi cu electroni orbitalii atomici de energia maimică, urmând apoi orbitali cu energie din ce în ce mai mare, conform schemelor alăturate:1 s2 s2 p3 s3 p3 d4 s4 p4 d 4 f5 s5 p5 d 5 f.....6 s6 p6 d6 f.....7 s7 p7 d7 f.....1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f .....Modul de ocupare electroni a orbitalilor atomici – succesiunea energeticăConfiguraţia electronicã a unui element dat, este omoloagã cu a elementuluiprecedent din sistemul periodic al elementelor, la care se adaugă un nou electron numitelectron distinctiv.2). Principiul excluziuniiPauli (1925), afirmă cã într-un atom nu pot exista 2 electroni cu aceleaşi valoripentru toate numerele cuantice, electronii trebuie sã difere cel puţin printr-un numărcuantic. Un orbital nu poate fi ocupat decât de maximum 2 electroni care trebuie sã aibăspin opus.Numărul maxim de electroni pe un substrat este 2(2 l + 1), iar pe un strat 2n2.13

3). Regula lui Hund sau regula multiplicitãtii maxime:Orbitalii de energie egalã (orbitalii degenerati ai unui subnivel), se ocupã perând, întâi cu un electron, apoi cu al doilea, astfel ca numărul electronilor necuplaţi sãfie maxim.Semiocuparea orbitalilor de acelaşi tip, duce la o configuraţie electronicã stabilã, faptevidenţiat de energiile de ionizare, mult mai mari pe care le au atomii acestor elemente(exemplu – azotul: 7 N: 1s 2 2s 2 2p 3 ).Datoritã stabilităţii mari obţinute prin semiocuparea ( p 3 , d 5 , f 7 ) sau ocuparea completã(p 6 , d 10 , f 14 ) cu electroni a orbitalilor atomici, se pot explica şi abaterile de la regulile generaleîntâlnite în cazul configuraţiilor electronice ale:–– cromului si molibdenului: Cr şi Mo, cu configuraţia electronilor de valenţă:(n-1)d 5 ns 1 în loc de (n-1)d 4 ns 2–– cuprului, argintului şi aurului: Cu, Ag, Au, cu configuraţia electronilor de valenţă:(n-1)d10ns1 în loc de (n-1)d9ns2.4). Regula sumei (n+1) Klecicovschi:Ordinea de completare a orbitalilor urmează riguros ordinea crescătoare a energieiacestora, care este datã de succesiunea sumei (n+1) a diferiţilor orbitali. In cazul în care doisau mai mulţi orbitali au aceeaşi sumã (n+1), se completează mai întâi orbitalul cu nminim.Succesiunea energeticã a orbitalilor în funcţie de suma (n+1)energeticăOrbitali 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s 7p 7d(n+l) 7 8 6 7 8 9 7 8 9Orbitali 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p(n+l) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6Succesiunea1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6sSuccesiuneaenergetică4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 8s 6f 7d 8p 1s7s6s5s4s3s2s7p6p5p4p3p2p7d6d5d4d3d7f6f5f4f7g6g5g7h6h7iSe semnalează douã abateri de la aceastã regulã si anume, înainte de ocuparea cuelectroni a subnivelului 4f, un electron (al lantanului, 57 La) se plasează într-un orbital 5d sinumai după aceea începe ocuparea orbitalului 4f (seria de lantanide). Aceeaşi abatere seîntâlneşte si în cazul actinidelor, care îşi ocupă cu electroni orbitalii 5f după ce electronuldistinctiv al actiniului ( 89 Ac) se plasează pe un orbital 6d:57La: [Xe]6s 2 5d 1 → LANTANIDE → 72 Hf: [Xe]6s 2 5d 24f 1-1489Ac: [Rn]7s 2 6d 1 → ACTINIDE → 104 Rf: [Rn]7s 2 6d 25f 1-1414

Reguli de distribuire a e - - configuraţii electronice• Fiecare e - e caracterizat prin 4 nr cuantice n,l,m,s.• Principiul construcţiei (AUFBACH) = energetic = stabilităţiie - - repartizaţi în ordinea creşterii energiei nivelelor (n crescător)• Principiul lui PAULI 2 e – ai unui atom diferă prin cel puţinun nr. cuantic2 e – pot să ocupe acelaşi OA, dacă diferă prin spinul lor (s):unul al 2-lea sau• Regula lui HUND OA de aceeaşi energie (acelaşi substrat) seocupă cu e – a.î. să aibă spin maximsausauS=1Substrat p cu 3 e - :S=1,5S=1,5 20Clasificarea elementelor după configuraţia electronicăDupă tipul orbitalului în care se plasează electronul distinctiv, elementele pot ficlasificate în blocurile s, p, d, f. Blocurile s şi p sunt formate din elementele reprezentative,din grupele principale ale sistemului periodic, grupele „A”. Blocul elementelor d este formatdin metalele tranziţionale, din grupele secundare ale sistemului periodic, grupele „B”. Bloculelementelor f este format din elementele de tranziţie internă, seriile lantanidelor şiactinidelor.Blocul elementelor s :Cuprinde elementele din grupele IA (1) şi IIA(2) şi au electronul distinctiv într-unorbital de tip s. Configuraţia electronicã pentru atomii acestor elemente este:–– pentru metalele alcaline, gr. IA: Str. int. + (n-1)s2p6ns1, excepţie - Li: 2s1 ;–– pentru metalele alcalino-pământoase, gr. IIA: Str. int. + (n-1)s2p6ns2,excepţie - Be: 2s2 ;–– He, cu configuraţia electronică 1s 2 , este un element de tip s, dar este un gaz rar.Blocul elementelor p :Cuprinde elementele din grupele IIIA (13) – VIIA (17), inclusiv grupa 0 (sau grupaVIIIA, sau grupa 18). Acestea au electronul distinctiv situat în orbitalii p. Configuraţiaelectronicã generală pentru atomii acestor elemente este:–– pentru gr. IIIA – VIIA: Str. int. + ns2np1-5;–– pentru gazele rare: Str. int. + ns2np6.Blocul de elemente d :Din blocul d fac parte elementele din grupa IIIB (3) – VIIIB (8-10) (grupa VIIIBformatã din triade) si metalele din grupa IB (11), respectiv IIB (12), având electronuldistinctiv situat într-un orbital (n-1)d cu configuraţia învelişului electronic exterior:(n-1)d1-10ns1-2.Metalele din grupa IIB nu sunt metale tranziţionale veritabile datoritã faptului căorbitalii (n-1)d complet sunt complet ocupaţi cu electroni, deci, în stratul de valenţă austructura electronică d10s2. Totuşi, ele se studiază împreunã cu elementele tranziţionaledatoritã proprietăţilor asemănătoare.15

Elementele tranziţionale alcătuiesc trei serii de câte 10 elemente si o a patra serie,incompletă, reprezentatã deocamdată de 89Ac, rutherfordiu (104Rf), dubniu (105Db),seaborgiu ( 106 Sg), bohriu ( 107 Bh), hassiu ( 108 Hs), meitneriu ( 109 Mt).Blocul elementelor f :Aceste elemente conţin electronul distinctiv situat într-un orbital (n-2)f, iarconfiguraţia electronicã a stratului exterior de forma (n-2)f1-14(n-1)d1ns2. Cuprinde douãserii analoage de câte 14 elemente, lantanidele (n = 6) si actinidele (n = 7).1 2 13 14 15 16 17 18Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0n=12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 123 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIIIb Ib IIb4 ns (n-1) d np567Bloc s Bloc d Bloc p(n-2) fBloc f16