χημεία, δομή του ατόμου

1. Η δομή του ατόμου.
Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο.
ΙΙΙ. Ηλεκτρονική δόμηση.
1

2. Αρχές ηλεκτρονικής δόμησης.
Η ηλεκτρονική
δόμηση
βασίζεται
σε τρεις αρχές.
Απαγορευτική αρχή του Pauli
Αρχή ελάχιστης ενέργειας.
Κανόνας του Hund.
2

3. Απαγορευτική αρχή του Pauli
Στο ίδιο τροχιακό
μπορεί να υπάρχουν
μόνο δύο ηλεκτρόνια με
αντιπαράλληλα spin.
Στο ίδιο άτομο δεν
μπορούν υπάρξουν
ηλεκτρόνια με ίδιους
και τους τέσσερις
κβαντικούς αριθμούς.
H απαγορευτική αρχή του Pauli καθορίζει ένα μέγιστο
αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε τροχιακό, υποστιβάδα
και στιβάδα.
3

4. Δυνατοί διαφορετικοί συνδυασμοί
κβαντικών αριθμών n, l, ml και ms.
στιβάδες
n
l
ml
υποστιβάδες
Κ2
2s2 2p6 3d10
1
0
0
1s
2
0
0
1
-1 +1
0
2s 2py 2pz 2px
3
0
0
1
-1 0 +1
2
-2 -1 0 +1 +2
3s 3py 3d 3d 3d 3d 3d
3px
3pz
ms
3s2
τροχιακά
3p6
2
1
- 2
1
+
L8 M18
1s2
Υπόμνημα , 4

5. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων
(ανά τροχιακό, υποστιβάδα και στιβάδα).
e
2
e
)
2
l
4
( 
Σε κάθε τροχιακό:
Σε υποστιβάδα:
Σε στιβάδα: e
n
2 2
s 2
p 6
d 10
f 14
ηλεκτρόνια
ανά
υποστιβάδα
K 2
L 8
M 18
N 32
ηλεκτρόνια
ανά
στιβάδα
5

6. Αρχή ελάχιστης ενέργειας.
(κανόνας δόμησης aufbau)
Στη θεμελιώδη (σταθερότερη δυνατή) κατάσταση του
ατόμου τα ηλεκτρόνια τοποθετούνται με τέτοια σειρά ώστε
να συμπληρώνονται πρώτα τα τροχιακά που έχουν την
μικρότερη ενέργεια.
 Όσο μικρότερο είναι το άθροισμα (n+l) τόσο μικρότερη είναι η
ενεργειακή στάθμη του τροχιακού.
 Αν δύο τροχιακά έχουν το ίδιο (n+l), τότε μικρότερη ενεργειακή
στάθμη έχει το τροχιακό με το μικρότερο 1ο κβαντικό αριθμό (n).
 Τα τροχιακά στην ίδια υποστιβάδα έχουν την ίδια ένέργεια
(εκφυλισμένα τροχιακά)
6

7. Παράδειγμα κατάταξης τροχιακών
με αύξουσα ενέργεια .
Άρα για τα τροχιακά αυτά η σειρά αυξανόμενης ενέργειας είναι:
2s < 3p < 4s < 3d
2s n+l=2+0=2
3p n+l=3+1=4
4s n+l=4+0=4
3d n+l=3+2=5
7

8. Διαγράμματα αυξανόμενης ενέργειας τροχιακών.
1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p,8s,5g,6f, ...
Σειρά
πλήρωσης
τροχιακών:
8

9. Διαγράμματα αυξανόμενης ενέργειας τροχιακών.
1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7p,8s,5g,6f, ...
1s
2s
2p
3p
4p
3s
4s
3d
E
9

10. Παραδείγματα ηλεκτρονικής δόμησης
(κατά αύξουσα ενέργεια υποστιβάδας)
1s2 2s2 2p6
Ne (Z=10)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d104p65s24d105p66s24f145d106p6…
Fe (Z=26)
[Νe]3s2 3p1
Al (Z=13) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
[Ne]
[Ar]
[Ar] 4s2 3d6
10

11. 1η παρατήρηση στην ενέργεια των τροχιακών.
Στο άτομο του υδρογόνου η ενέργεια εξαρτάται μόνο
από τον 1ο κβαντικό αριθμό n .
Έτσι τα τροχιακά της ίδιας στιβάδας του υδρογόνου έχουν την ίδια
ενέργεια (εκφυλισμένα) και δεν διαφοροποιούνται ενεργειακά όπως
τα τροχιακά των πολυηλεκτρονικών ατόμων.
2s
3s
2p
3d
3p
1s
2s
2p
3s
3p
3d
1s
ενέργεια
άτομο Η (z=1) άτομο Νa (Z=11)
11

12. 2η παρατήρηση στην ενέργεια των τροχιακών.
Από τους κανόνες δόμησης είδαμε ότι το ns τροχιακό έχει μικρότερη
ενέργεια από τα (n-1)d τροχιακά και γι’ αυτό συμπληρώνεται πρώτα
το ns και μετά τα (n-1)d.
Όταν όμως τοποθετούνται τα ηλεκτρόνια στα (n-1)d τροχιακά, αυτά
αποκτούν μικρότερη ενέργεια από τα ηλεκτρόνια στο ns.
Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια (n-1)d εξασκούν
απωστικές δυνάμεις στα εξωτερικά ns με
αποτέλεσμα τα ns ηλεκτρόνια να
αυξάνουν την ενέργειά τους.
(n-1)d
ns
ns
(n-1)d
12

13.  Πρέπει να είμαστε προσεκτικοί όταν μας ζητείται μία ηλεκτρονική
διαμόρφωση και πάντα να γίνεται διευκρίνιση για την διαμόρφωση που
γράφουμε.
3η παρατήρηση στην ηλεκτρονική δόμηση.
Σύμφωνα με την προηγούμενη (2η) παρατήρηση είναι δυνατόν να
γράφουμε της ηλεκτρονικές διαμορφώσεις με δύο τρόπους:
Με αύξουσα ενέργεια τροχιακών 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Με αύξουσα ενέργεια ηλεκτρονίων 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
π.χ. Fe (Z=26)
 Καλό είναι να γράφουμε την ηλεκτρονική διαμόρφωση με αύξουσα
ενέργεια ηλεκτρονίων γιατί διευκολύνει στην διαμόρφωση των κατιόντων:
π.χ. για τον Fe2+ γράφουμε: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6
ενώ για τον Fe3+ γράφουμε: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5
13

14. Η σταθερότητα συμπληρωμένων και
ημισυμπληρωμένων υποστιβάδων
4η παρατήρηση στην ενέργεια των τροχιακών.
Την αρχή της μεγίστης σταθερότητας των συμπληρωμένων
και ημισυμπληρωμένων υποστιβάδων σύμφωνα με την οποία
αυξημένη σταθερότητα επιδεικνύουν οι συμπληρωμένες και
ημισυμπληρωμένες υποστιβάδες.
Cr: [Ar]3d54s1 και όχι [Ar]3d44s2
Cu: [Ar]3d104s1 και όχι [Ar]3d94s2
14

15. Κανόνας του Hund .
Τα ηλεκτρόνια
της ίδιας υποστιβάδας
τοποθετούνται σε τροχιακά
έτσι ώστε να έχουν το μέγιστο
συνολικό spin.
Τα ηλεκτρόνια
της ίδιας υποστιβάδας ,
τοποθετούνται σε τροχιακά
έτσι ώστε να έχουν κατά
προτίμηση παράλληλα spin.
π. χ. στο άτομο του οξυγόνου με δομή 1s2, 2s2, 2p4, τα 4 ηλεκτρόνια
στην υποστιβάδα (2p) έχουν δυνατότητα να έχουν δύο διαμορφώσεις:
σωστή διαμόρφωση.
λάθος διαμόρφωση.
2py
2 2pz
2px
2 2py
1 2pz
1
2px
2
0
2
1
2
1
2
1
2
1
So 





 1
2
1
2
1
2
1
2
1
So 






15