Ενότητα 1.1.3 : Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων

Οι ενεργειακές στάθμες των υποστιβάδων και των τροχιακών τους στην περίπτωση πολυηλεκτρονικών ατόμων δίνονται στο Σχήμα 1-17.

Σχήμα 1-17: Ενεργειακές στάθμες των τροχιακών σε πολυηλεκτρονικά άτομα. Οι υποστιβάδες και τα τροχιακά της ίδιας στιβάδας δεν έχουν την ίδια ενέργεια όπως στα μονοηλεκτρονικά άτομα (π.χ. τα τροχιακά της στιβάδας με n=2 δηλαδή το 2s και τα τρία 2p δεν έχουν την ίδια ενέργεια για τον λόγο αυτό στο Σχήμα βρίσκονται σε διαφορετική οριζόντιο. Tα 2p τροχιακά έχουν μεγαλύτερη ενέργεια από τα 2s) Παρατηρούμε ότι τα τροχιακά της ίδιας στιβάδας δεν έχουν την ίδια ενέργεια όπως συμβαίνει στην περίπτωση του ατόμου του Η (δες Σχήμα 1-14) π.χ. τα τροχιακά s και p της στιβάδας με n=2 έχουν διαφορετική ενέργεια, το ίδιο και τα τροχιακά s, p και d με n=3. Το παραπάνω συμβαίνει γιατί στα πολυηλεκτρονικά άτομα εκτός από τις ελκτικές δυνάμεις πυρήνα – ηλεκτρονίου (που καθορίζονται από τον κύριο κβαντικό αριθμό) ασκούνται και απωστικές δυνάμεις ηλεκτρονίου – ηλεκτρονίου (που καθορίζονται από τον δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό που περιγράφει το σχήμα του τροχιακού). Έτσι τα ηλεκτρόνια στα τροχιακά της ίδιας στιβάδας στα πολυηλεκτρονικά άτομα (τα ηλεκτρόνια στα τροχιακά 2s και 2p της στιβάδας με n=2) δέχονται διαφορετικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις37 που επηρεάζονται από το σχήμα του τροχιακού38 στο οποίο βρίσκονται με αποτέλεσμα να έχουν διαφορετική ενέργεια.

Τα ηλεκτρόνια κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση ενός πολυηλεκτρονικού ατόμου καταλαμ-βάνουν τα τροχιακά με την μικρότερη ενέργεια ώστε να αποκτήσει το άτομο την μέγιστη σταθερότητα στην θεμελιώδη κατάσταση.

(2η αρχή δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων– Αρχή Ελάχιστης Ενέργειας)

37 Οι ηλεκτροστατικές αυτές δυνάμεις είναι ελκτικές με τον πυρήνα και απωστικές με τα άλλα ηλεκτρόνια 38 Το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους στην πραγματικότητα

49

KΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

Ένας μνημονικός κανόνας για την διαδοχική συμπλήρωση των υποστιβάδων ατόμων (και των ατομικών τροχιακών) από ηλεκτρόνια δίνεται παρακάτω (Aufbau διάγραμμα):

Aufbau διάγραμμα

Μεθοδολογία #2: Γραφή της Ηλεκτρονιακής Δομής των Ατόμων χρησιμοποιώντας το Aufbau διάγραμμα

Για να γράψουμε την ηλεκτρονιακή δομή ενός ατόμου με γνωστό ατομικό αριθμό Ζ (ή γνωστό αριθμό ηλεκτρονίων) ακολουθούμε την Μέθοδο Α: Μέθοδος A

Βήμα Ι: Προσδιορίζουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων (n) του ατόμου ως εξής:

Σε περίπτωση ουδέτερου ατόμου ο αριθμός ηλεκτρονίων (n) είναι ίσος με τον ατομικό του αριθμό (Ζ) δηλ. n=Z

Σε περίπτωση που το άτομο έχει φορτίο (q) ισχύει: q = Z+n n = |q-Z|

Βήμα ΙΙ: Τοποθετούμε τα ηλεκτρόνια αρχίζοντας από την υποστιβάδα με την μικρότερη ενέργεια (1s) ακολουθώντας το Aufbau διάγραμμα από πάνω προς τα κάτω και σύμφωνα με τα βέλη από τα δεξιά προς τα αριστερά παίρνοντας υπόψη ότι:

Κάθε τροχιακό (1s, 2s, 2px) μπορεί να έχει έως 2 ηλεκτρόνια (Δες Απαγορευτική Αρχή του του Pauli).

Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε μία στιβάδα n είναι = 2n2 (όπου n ο κύριος κβαντικός αριθμός της στιβάδας).

Τα ηλεκτρόνια κάθε υποστιβάδας καταγράφονται ως εκθέτης στο σύμβολο της υποστιβάδας αυτής (π.χ. ο συμβολισμός 2p4 σημαίνει ότι στην υποστιβάδα 2p έχουν τοποθετηθεί 4 ηλεκτρόνια (2 ηλεκ-

50 τρόνια στο px και 2 στο pψ τροχιακό).

KΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

52

Άσκηση - Παράδειγμα #1-10

α) Να γραφεί η ηλεκτρονιακή δομή τoυ ατόμου του 6C. β) Να γραφεί επίσης η ηλεκτρονιακή δομή του 6C ως προς τις στιβάδες του. Λύση: α) Ο ατομικός αριθμός του άνθρακα C είναι 6. Ακολουθούμε την Mεθοδολογία #2 και την Μέθοδο Α:

BHMA ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΣΗΜΕΙΩΣΗ

I Προσδιορίζουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων (n) του ατόμου

n = Z = 6

Το άτομο του C δεν έχει φορτίο άρα ο αριθμός των ηλεκτρονίων του είναι n = ατομικό αριθμό = Z

IIα Τοποθετούμε τα ηλεκτρόνια αρχίζοντας από την υποστιβάδα με την μικρότερη ενέργεια (1s)

1s2

Στην πρώτη υποστιβάδα 1s τοπoθετούνται τα δύο πρώτα ηλεκτρόνια. Tα ηλεκτρόνια γράφονται ως εκθέτης στην υποστιβάδα. Θυμηθείτε επίσης ότι κάθε υποστιβάδα μπορεί να έχει έως δύο ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια που μένουν για τοποθέτηση είναι:

n = 6 – 2 = 4 ηλεκτρόνια IIβ Τοποθετούμε ηλεκτρόνια στην

αμέσως ε ποστιβάδα πόμενη υ(2s) σύμφωνα με το διάγραμμα Aufbau

1s22s2

Στην υποστιβάδα 2s τοποθετούνται τα επόμενα δύο ηλεκτρόνια. Τα ηλεκ ουν για τρόνια που μέντοποθέτηση είναι: n = 4 – 2 = 2 ηλεκτρόνια.

IΙγ Τοποθετούμε τα τελευταία δύο ηλεκτρόνια στ αμέσως επόμε-ηννη υποστιβάδα (2p) σύμφωνα με το διάγραμμα Aufbau

1s2 22s22p

Θυμηθείτε ότ η υποστιβάδα 2p αποτελείται από τις ιυποστιβάδες 2px, 2py, 2pz που έχουν ίση ενέργεια. Για συντομία στις ηλεκτρονιακές δομές συμβολίζουμε τις τρεις παραπάνω υποστιβάδες ως p. Λόγω του ότι η p υποστιβάδα αποτελείται από τρεις υποστιβάδες μπορεί να έχει έως 3 x 2 = 6 ηλεκτρόνια.

Η ηλεκτρον p2 ιακή δομή του C είναι: 1s22s22 β) Η λεκτ υ στιβάδες του είναι: 2 4 η ρονιακή δομή το C ως προς τις Κ L (χρησιμοποιούμε το διάγραμμα Aufbau για συμ σελίδα όμασττην πλήρωση των στιβάδων στην 50). Θυμ ε ότι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε μία στιβάδα είν ς αριθμός της στιβάδαι 2n2 όπου n o κύριος κβαντικό ας. Όμοιες ασκήσεις: 20, 21, 22, 23, 24, 132, 128

Άσκηση - Παράδειγμα #1-11

Γράψε την σειρά με την οποία τα παρακάτω τροχιακά συμπληρώνονται με ηλεκτρόνια: 5s, 3p, 3d, 4p, 6p, 6s. Λύση: Χρησιμοποιώντας το Aufbau διάγραμμα προκύπτει ότι η σειρά συμπλήρωσης των υποστιβάδων και των αντίστοιχων τροχιακών τους είναι: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s Επομένως η ζητούμενη σειρά συμπλήρωσης των τροχιακών είναι: 3p, 3d, 4p, 5s, 6s, 6p.