Ηλεκτρονική Διαμόρφωση Ατόμων

Στη χημεία, η ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων είναι η διάταξη των ηλεκτρονίων σε συγκεκριμένα τροχιακά ενός ατόμου ή ενός μορίου. Το πρώτο παράδειγμα ηλεκτρονικής διαμόρφωσης δόθηκε στο μοντέλο ατόμου του Bohr. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση περιλαμβάνει την τοποθέτηση διαφορετικών ηλεκτρονίων σε διαφορετικά κελύφη και υποστυλώματα ενός ατόμου. Αν και ο Niel Bohr είχε ανακαλύψει την έννοια της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης, πολλές άλλες αρχές από διαφορετικούς επιστήμονες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός ατόμου, όπως η αρχή αποκλεισμού του Pauli, η αρχή Aufbau κ.λπ. Κάθε στοιχείο του περιοδικού πίνακα έχει τη μοναδική ηλεκτρονική του διαμόρφωση με μερικές εξαιρέσεις.

Ιστορικό

Το μοντέλο του ατόμου του Thomson που αναπτύχθηκε το 1904 – επίσης γνωστό ως μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου – δήλωσε ότι ένα άτομο είναι μια σφαίρα στην οποία είναι ενσωματωμένα θετικά και αρνητικά φορτία
Στη συνέχεια ήρθε το μοντέλο του Ράδερφορντ που έλεγε ότι σε ένα άτομο, το θετικό φορτίο είναι παρόν στο κέντρο. Το μεγαλύτερο μέρος του χώρου γύρω από το θετικό φορτίο είναι κενό και τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές.
Το 1913, ο Bohr πρότεινε το ατομικό του μοντέλο που δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε μια σταθερή τροχιά γύρω από τον πυρήνα
Δήλωσε επίσης ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να φιλοξενηθούν σε ένα κέλυφος μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο 2n2, όπου n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός. Για παράδειγμα, το πρώτο κέλυφος μπορεί να φιλοξενήσει 2 ηλεκτρόνια, ενώ το δεύτερο κέλυφος μπορεί να φιλοξενήσει 8 ηλεκτρόνια
Ακολούθησε η κβαντομηχανική περιγραφή ενός ατόμου και περιέγραψε την ηλεκτρονική διαμόρφωση με όρους κβαντικών αριθμών. Αυτή η περιγραφή ως προς τους κβαντικούς αριθμούς αποτελεί την ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ατόμου

Κβαντικοί αριθμοί

Κύριος κβαντικός αριθμός (n) – Καθορίζει το κύριο κέλυφος ηλεκτρονίων και την απόσταση μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πυρήνα. Το n μπορεί να είναι οποιοσδήποτε θετικός ακέραιος από το 1 και μετά
Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (l) – Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός χαρακτηρίζει το σχήμα και τη γωνιακή κατανομή ενός τροχιακού. Η τιμή του l καθορίζει τα υποκελύφη s, p, d, f, καθένα από τα οποία έχει ένα μοναδικό σχήμα. Το l κυμαίνεται από «0» έως «n-1»
Μαγνητικός κβαντικός αριθμός (ml) – Καθορίζει τον αριθμό και τον προσανατολισμό των τροχιακών μέσα σε ένα υποκέλυφος. Η τιμή του σε ml κυμαίνεται από «-l» έως «+l»
Κβαντικός αριθμός σπιν ηλεκτρονίων (ms) – Είναι ο τέταρτος κβαντικός αριθμός και δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια έχουν σπιν που συμβολίζεται με βέλος. Ένα βέλος προς τα κάτω είναι -1/2 και ένα βέλος προς τα πάνω είναι +1/2. Είναι ανεξάρτητο από άλλους κβαντικούς αριθμούς. ms=+1/2 ή -1/2

Οι κβαντικοί αριθμοί και η ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων

Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και καταλαμβάνουν τα τροχιακά που υπάρχουν γύρω από τον πυρήνα του ατόμου
Ο κύριος κβαντικός αριθμός, που συμβολίζεται με n, καθορίζει τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε ένα κέλυφος
Ο κανόνας 2n2 χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του μέγιστου αριθμού ηλεκτρονίων που μπορούν να καταλάβουν ένα τροχιακό
Το κέλυφος Κ μπορεί να έχει έως 2 ηλεκτρόνια, το κέλυφος L το πολύ 8 ηλεκτρόνια, το κέλυφος M το πολύ 18 ηλεκτρόνια και το κέλυφος Ν το μέγιστο 32 ηλεκτρόνια
Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός, που συμβολίζεται με l, καθορίζει το υποκέλυφος ενός ηλεκτρονίου
Τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλάβουν τέσσερα διαφορετικά τροχιακά:s τροχιακό, p τροχιακό, d τροχιακό και f τροχιακό. Όλα τα τροχιακά έχουν διαφορετικά σχήματα και προσανατολισμούς στο άτομο

Αρχές που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων

Χρησιμοποιούνται διαφορετικές αρχές για τον προσδιορισμό της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός ατόμου.

Η αρχή αποκλεισμού του Pauli δηλώνει ότι 2 ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό δεν μπορούν να έχουν τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Με άλλα λόγια, τα 2 ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό θα έχουν αντίθετα σπιν
Ο κανόνας του Hund δηλώνει ότι κάθε τροχιακό ενός υποκέλυφος καταλαμβάνεται πρώτα μεμονωμένα από ένα ηλεκτρόνιο και στη συνέχεια καταλαμβάνεται διπλά για να επιτευχθεί η πλήρης διαμόρφωση
Η αρχή του Aufbau δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα τα χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας και μετά τα υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα

Κύριος κβαντικός αριθμός (n)	Κέλυφος	Αριθμός υποκελύφους	Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (l)	Ηλεκτρονική διαμόρφωση	Αριθμός ηλεκτρονίων
1	K	1	0	1s	2
2	L	2	0,1	2s, 2p	8
3	M	3	0,1,2	3s, 3p, 3d	18

Παραδείγματα ηλεκτρονικής διαμόρφωσης μερικών στοιχείων του περιοδικού πίνακα

Λίθιο – περιέχει 3 ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι 1s2, 2s1
Βόριο – περιέχει 5 ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι 1s2, 2s2, 2p1

Χλώριο – περιέχει 17 ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5
Ασβέστιο – περιέχει 20 ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2

Εξαιρέσεις της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης

Chromium

Αριθμός ηλεκτρονίων – 24 ηλεκτρόνια

Ηλεκτρονική διαμόρφωση – 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d5, 4s1

Χαλκός

Αριθμός ηλεκτρονίων – 29

Ηλεκτρονική διαμόρφωση – 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s1

Οι εξαιρέσεις στην ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων προκύπτουν λόγω της πρόσθετης σταθερότητας των μισογεμισμένων και πλήρων τροχιακών. Όλα τα ηλεκτρόνια θέλουν να επιτύχουν μια σταθερή κατάσταση. Ως εκ τούτου, προτιμούν τα μισογεμάτα και γεμάτα τροχιακά.

Η ανάγκη για ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων μας λέει για τη χημική συμπεριφορά των στοιχείων
Μας ενημερώνει για τη θέση ενός στοιχείου ως προς το πού θα τοποθετηθεί στον σύγχρονο περιοδικό πίνακα
Εξηγεί τη σταθερότητα των στοιχείων του περιοδικού πίνακα
Μας λέει για τη μη αντιδραστική φύση των ευγενών αερίων του περιοδικού πίνακα
Μας λέει επίσης για τη διάταξη των ηλεκτρονίων στα τροχιακά, το σχήμα, το μέγεθος και τη δομή τους

Συμπέρασμα

Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι μια διαδικασία διάταξης ηλεκτρονίων στα τροχιακά ενός ατόμου. Υπάρχουν πολλές αρχές βάσει των οποίων γεμίζονται τα ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό. Το μοντέλο ατόμων του Bohr ήταν η πρώτη θεωρία που αποδέχτηκε την ιδέα της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης των ατόμων. Αν και η θεωρία ήταν ασύμβατη με τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου, ήταν ένα σκαλοπάτι για την κβαντομηχανική περιγραφή ενός ατόμου. Αυτή η θεωρία ήταν επιτυχής στην παροχή της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης στοιχείων του περιοδικού πίνακα.