Επίπεδο ενέργειας
Ο Niels Bohr πρότεινε την έννοια των ενεργειακών επιπέδων στο ατομικό μοντέλο του Bohr το 1913. Το μοντέλο του υδρογόνου εξήγησε τη σταθερότητα των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται σε τροχιές, που ονομάζονται σταθερές τροχιές, γύρω από τον πυρήνα. Το ενεργειακό επίπεδο είναι η απόσταση από τον πυρήνα ενός ατόμου στο τροχιά στην οποία περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια. Ένα ηλεκτρόνιο απαιτεί λίγη ενέργεια για να μετακινηθεί από το ένα ενεργειακό επίπεδο στο άλλο. Μπορούν να αποκτήσουν μόνο ένα ενεργειακό επίπεδο κάθε φορά και δεν μπορούν να βρεθούν στο διάστημα μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας ονομάζονται επίσης κελύφη ηλεκτρονίων.
Επισκόπηση του ενεργειακού επιπέδου
Τα επίπεδα ενέργειας αντιπροσωπεύονται από τον Κύριο Κβαντικό Αριθμό (n), όπου n=1,2,3…. και ούτω καθεξής. Τα ηλεκτρόνια σε ένα ενεργειακό επίπεδο στο n =1 έχουν συγκριτικά λιγότερη ενέργεια από τα ηλεκτρόνια στο n =2. Το πρώτο ενεργειακό επίπεδο μπορεί επίσης να εκφραστεί ως 'K', το δεύτερο ως 'L', το τρίτο ως 'M' και ούτω καθεξής on.Τα ηλεκτρόνια από το ενεργειακό επίπεδο πιο κοντά στον πυρήνα έχουν λιγότερη ενέργεια, ενώ τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πιο μακριά από τον πυρήνα έχουν περισσότερη ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο εξωτερικό περίβλημα είναι γνωστά ως ηλεκτρόνια σθένους και το εξωτερικό περίβλημα ονομάζεται φλοιός σθένους. Ορισμένες θεμελιώδεις ιδιότητες των ατόμων βασίζονται στα ηλεκτρόνια του φλοιού σθένους.Σημασία του ενεργειακού επιπέδου
Η μελέτη των ενεργειακών επιπέδων είναι σημαντική για την κατανόηση των διαφόρων χημικών ιδιοτήτων ενός στοιχείου. Βοηθά στην εκμάθηση του χημικού δεσμού των στοιχείων και στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται τα μοριακά τροχιακά.Το ηλεκτρόνιο και η ενεργειακή του κατάσταση
Τα ηλεκτρόνια μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια και να πηδήξουν από χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια μπορούν επίσης να πηδήξουν από υψηλότερα σε χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας εκπέμποντας ενέργεια. Η εκπομπή της ενέργειας είναι συνήθως με τη μορφή φωτός. Ως εκ τούτου, και οι δύο αυτές διαδικασίες απαιτούν είτε εκπομπή είτε απορρόφηση φωτός. Το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας είναι γνωστό ως θεμελιώδης κατάσταση, ενώ το υψηλότερο επίπεδο ενέργειας είναι γνωστό ως διεγερμένη κατάσταση ενός ηλεκτρονίου.Κβαντικοί αριθμοί
Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αναγνωριστεί σε ένα άτομο με τη βοήθεια αυτών των τεσσάρων κβαντικών αριθμών:Κύριος κβαντικός αριθμός (n):Μας λέει για το κύριο κέλυφος στο οποίο βρίσκεται το ηλεκτρόνιο και το ενεργειακό επίπεδο ενός ηλεκτρονίου. Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (l) : Μας λέει για τον αριθμό των δευτερευόντων κελύφους (s,p,d,f) που υπάρχουν σε οποιοδήποτε κύριο κέλυφος. Αντιπροσωπεύει επίσης τη γωνιακή ορμή ενός ηλεκτρονίου και το σχήμα του υποστυλώματος:l=0 για s, l=1 για p και l=2 για d. Μαγνητικός κβαντικός αριθμός (m): Μας λέει για τα τροχιακά και τον προσανατολισμό από κάθε υποκέλυφος. Η τιμή του m =-l έως +l. Ο αριθμός των τροχιακών που υπάρχουν σε κάθε υποκέλυφος δίνεται ως (2l+1). Κβαντικός αριθμός περιστροφής (s): Δηλώνει την κατεύθυνση της περιστροφής των ηλεκτρονίων - δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα.Διάγραμμα στάθμης ενέργειας
Τα διαγράμματα ενεργειακών επιπέδων μας λένε ότι όλα τα τροχιακά του ίδιου ενεργειακού επιπέδου δεν έχουν τις ίδιες ενέργειες.- Τα τροχιακά 2s και 2p δεν έχουν την ίδια ενέργεια καθώς δεν είναι τοποθετημένα μαζί
- Τα τροχιακά με χαμηλή ενέργεια τοποθετούνται πιο κοντά στον πυρήνα από τα τροχιακά με περισσότερη ενέργεια, όπως s
- Για το επίπεδο ενέργειας 3, 3s <3p <3d
- Για το επίπεδο ενέργειας 4, 4s <4p <4d
- Το πιο εξωτερικό υποκέλυφος ενός χαμηλότερου ενεργειακού επιπέδου είναι πιο σταθερό από το πιο εσωτερικό υποκέλυφος ενός υψηλότερου ενεργειακού επιπέδου
Ηλεκτρονική διαμόρφωση και οι κανόνες της
Η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι η διάταξη των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο. Τα ηλεκτρόνια γεμίζονται μέσα σε ένα άτομο ανάλογα με το ενεργειακό τους επίπεδο ως:1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p. Η διαδικασία πλήρωσης ηλεκτρονίων σε ένα άτομο και διαμόρφωσης της ηλεκτρονικής του διαμόρφωσης είναι με βάση τους ακόλουθους κανόνες:- Η αρχή αποκλεισμού του Pauli:"Κανένα ηλεκτρόνιο δεν έχει τους ίδιους 4 κβαντικούς αριθμούς και n,l,m,s". Εάν δύο ηλεκτρόνια πρέπει να καταλαμβάνουν το ίδιο τροχιακό, πρέπει να έχουν αντίθετο σπιν. Σημαίνει επίσης ότι ένα τροχιακό μπορεί να καταληφθεί από το πολύ δύο ηλεκτρόνια μόνο.
- Κανόνας του Χουντ για τη μέγιστη πολλαπλότητα:"Για μια δεδομένη διαμόρφωση ηλεκτρονίων, ο όρος χαμηλότερης ενέργειας είναι αυτός με τη μεγαλύτερη τιμή πολλαπλότητας σπιν". Αυτό σημαίνει ότι, αρχικά, μόνο ένα ηλεκτρόνιο γεμίζεται σε ένα τροχιακό και μόνο εάν απαιτείται, ένα άλλο ηλεκτρόνιο γεμίζεται στο ίδιο τροχιακό με αντίθετο σπιν.
- Αρχή Aufbau:«Τα τροχιακά με χαμηλότερη ενέργεια γεμίζονται πριν από τα τροχιακά με υψηλότερη ενέργεια». Σημαίνει ότι τα τροχιακά με τη χαμηλότερη ενέργεια γεμίζουν πρώτα με ηλεκτρόνια και μετά γεμίζουν αυτά με τη μεγαλύτερη ενέργεια. Τα μισά ή πλήρως γεμάτα τροχιακά έχουν λιγότερη ενέργεια από άλλα τροχιακά. ως εκ τούτου, είναι πιο σταθερά. Επομένως, η διαμόρφωση των στοιχείων με μισά ή πλήρως γεμάτα τροχιακά είναι διαφορετική.
