Distributia electronilor din invelisul electronic in starea fundamentala. Configuratia electronica a elementelor.

Distributia electronilor din invelisul electronic in starea fundamentala. Configuratia electronica a elementelor.

Atomul de hidrogen are un singur electron care graviteaza in jurul nucleului si va ocupa orbita­lul de energie cea mai joasa din primul strat (K), adica orbitalul 1s. Acelasi electron functie de aportul de energie radiativa din exterior poate ocupa oricare orbital din nivelele de energie superioare (L,M, N) situatie care are loc atunci cand atomul este excitat.

Energia, simetria si orientarea orbitalilor atomici in camp magnetic sunt determinate de cele 3 numere cuantice n, l, m. Toti orbitalii ce corespund aceleiasi valori a numarului cuantic principal n formeaza un strat. Toti orbitalii ce corespund aceleiasi valori a numarului cunatic secundar l formeaza un substrat. Numarul de substraturi al unui strat este egal cu valoarea lui n. In cazul unui substrat toti orbitalii sunt de aceiasi forma si energie si se zice ca sunt degenerati. Orientarile diferite ale orbitalilor dintr-un substrat in prezenta unui camp magnetic sunt caracterizate de valorile numarului cuantic magnetic m (2l+1 valori). Pentru o valoare data a lui n, exista n valori pentru l si pentru fiecare valoare l corespunzatoare unui n dat, 2l+1 valori pentru m. (Tabelul 5)

Tabelul 5. Relatii intre numerele cuantice

Deci fiecare strat cu un anumit n contine n tipuri de orbitali si 2n² electroni. Se observa ca pentru n =1, 2, 3, la totalul electronilor se obtin numerele 2, 8, 18, 32 "numere magice" care reprezinta tocmai lungimile perioadelor din tabelul lui Mendeleev. Totalitatea electronilor din straturile si substraturile ce antureazanucleul constituie invelisul electronic al atomului.

Ceea ce intereseaza insa nu numai pentru hidrogen dar pentru toate elementele, sunt princiipile ce guverneaza popularea nivelelor si subnivelelor cu electroni din straturile inconjuratoare nucleului atomic astfel incat stabilitatea atomului sa fie maxima (cu alte cuvinte care este sucesiunea popularii nivelelor energetice in starea fundamentala). In atomii mai grei ca hidrogenul (Z>1), cu mai multi electroni, au loc nu numai interactiuni de atractie electrostatica intre electronii purtatori de sarcini negative si nucleul incarcat pozitiv ci si interactiuni de natura electrica, dar mai ales magnetica intre particulele incarcate negativ. Urmare a acestor interactiuni degenerarea intre substraturi este supri­mata si apar diferente energetice intre orbitalii diferitelor substraturi.

Daca am considera ca ocuparea cu electroni a straturilor respecta regula dupa care fiecare strat se completeaza cu maximum de electroni permis de numarul de orbitali liberi existenti si numai dupa aceea se trece la completarea cu electroni a stratului energetic imediat superior atunci chiar si cel mai greu atom cunoscut (Z=110) si-ar construi invelisul electronic numai prin utilizarea orbitalilor din primele 5 straturi (2+8+18+32+50 =110) (Tabelul 6).

Tabelul 6. Incarcarea straturilor si substraturilor cu electroni

Deoarece s-a constat ca in atomii elementelor grele se pot gasi electroni atat pe al saselea cat si pe al saptelea strat s-a concluzionat ca ordinea energetica de ocupare a orbitalilor din straturi si substraturi ascultade alte reguli. Acestea pot fi enuntate sumar astfel:

1) Ocuparea orbitalilor incepe de la cei aflati in straturile cu energie joasa si se continua succesiv pe cei din straturile de energie mai inalta.

2) Completarea cu electroni a straturilor si substraturilor se va face in sensul cresterii energiei orbitalilor, ordinea crescatoare a energiei orbitalilor fiind data de valoarea sumei n+l; in caz de egalitate, se va completa acel substrat pentru care numarul cuantic principal n este mai mic (regula lui Klecikovski)

3) pe un orbital nu pot exista decat doi electroni si acestia trebuie sa aiba numarul cuantic de spin diferit (Principiul lui Pauli);

4) electronii ocupa OA in asemenea mod, incat numarul electronilor necuplati (cu spin paralel) in orbitali de aceeasi energie (acelasi n si l) sa fie maxim (regula 1 a lui Hund)

5) Semicompletarea unui subnivel (adica a unui set de orbitali degenerati p,d,f ) confera acestuia o stabilitate ridicata (regula 2 a lui Hund).

Exemplu: se ordooneaza toti oribitalii din fiecare strat si se calculeaza suma n+l:

nl  1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p

n+l   1+0 2+0 2+1 3+0 3+1 3+2 4+0 4+1 4+2 4+3 5+0 5+1

Total 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6

Si daca tinem cont de primele doua reguli rezulta ca ordinea reala de completare cu electroni a orbitalilor este:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d,

Regula lui Kleicikovski isi gaseste o reprezentare sugestiva in "tabla de sah" a lui Goldanski care reprezinta o maniera usor de memorat a regulii n+l (Figura 6). Completarea cu electroni a orbitalilor din straturi si substraturi se face in ordinea citirii rand cu rand a orbitalilor nomina­li­zati.Ea ne permite sa scriem rapid care este repartitia electronilor din invelisul electronic al oricarui atom cu numar atomic Z, adica sa prezentam configuratia electronica a atomului respectiv

Figura 6. Tabla de sah a lui Goldanski

Pentru detalii mai fine ale repartitiei electronilor in orbitali trebuie apelat la diagrama energetica detaliata a succesiunii de ocupare a orbitalilor din invelisul electronic (Figura 7).

Figura 7. Diagrama energetica a invelisului electronic

O alta modalitate de a descrie configuratia electronica a unui element este aceea de a inlocui enumerarea straturilor interioare complete prin simbolul gazului nobil ce precede elementul a carui configuratie vrem sa o scriem. Sodiul (Z=11) de exemplu are configuratia electronica 1s²2s²2p⁶3s¹, care poate fi redata simplificat: [₁₀Ne]3s¹, in care [₁₀Ne] simbolizeaza configuratia neonului