Rieth József:
Anyagvilág - Háttérinformáció
Elektronszerkezet
Tartalomjegyzékhez
< Világképem <
Leptonidőszak
Az atomfizika területén, az elektronszerkezet
az elektronok elhelyezkedését jelenti az atomokban, a molekulákban vagy más
testekben. Az elektronszerkezet határozza meg az atomok és molekulák kémiai
viselkedését is. Az egyes elektronok elhelyezkedését elektronpályáknak
nevezzük, ez az elnevezés a Bohr-modell túllépése után is megmaradt.
Az atom
felépítése (elmélet)
Az atommagban van a nukleon. Ez a neutronokat
és protonokat jelenti. Az elektronfelhőben, elektronburokban (ki hogy
nevezi) vannak az elektronok. Ezek az elektronok nagyon gyorsan keringenek
az atomban. Minden atom valamilyen rendszer szerint felépül. Ez a rendszer
nem más, mint az elektronhéjak, alhéjak, és atompályák.
Atomi
és molekuláris elektronpályák
Atompálya:
Az elektron olyan gyorsan kering az atom körül, hogy nem tudjuk egy konkrét
pillanatban megállapítani, hogy az elektronburok melyik részén tartózkodik.
Az atompálya az a térrész, amelyen az elektron megtalálási valószínűsége
90%, ugyanis nem mindig az atompályán kering, hanem van hogy picit beljebb,
közelebb az atommaghoz, kijjebb viszont sosem található meg. Ez azt jelenti,
hogy az elektronról, ha tudnánk képeket, fotókat készíteni, akkor 100 képből
90-en az atompálya valamelyik részén található.
Csomósík:
A csomósík nagyon fontos fogalom ennél a témánál. A csomósík az a sík, amely
tartalmazza az atommagot, és ahol az elektron megtalálási esélye,
valószínűsége 0%.
Alhéj:A
különböző atompályák alhéjakba tömörülnek. Egy alhéjba tartoznak az azonos
nagyságú és alakú atompályák. Megkülönböztetünk s, p, d, és f alhéjat. Ez
azokra az elemekre vonatkozik, amelyek a periódusos rendszerben benne
vannak. Vannak még további alhéjakkal kapcsolatos hipotézisek, de anyag,
atom, ami több ilyen alhéjfajtát tartalmazna, olyan nincs.
Elektronhéj:
Ide azok az atompályák tartoznak, amelyek az atommagtól azonos távolságra
vannak. Magyarán a magtól azonos távolságra lévő atompályák összessége. Az
atom így épül fel, de még mindig nem tudjuk felépíteni például a szén atom
elektronszerkezetét.
Az atom
felépítése (gyakorlat)
Három elv alapján épül fel egy atom:
--
A Pauli-elv kimondja, ahogy az az
atomban nem lehet két olyan elektron, amelynek mind a négy kvantumszáma
megegyezik. Minimum ellentétes spinű elektronoknak kell lennie. Így a
spinkvantumszám eltér mindig.
--
A Hund-szabály szerint az
alhéjakon úgy helyezkednek el az elektronok, hogy közülük minél több
párosítatlan legyen. Mivel a párosítatlan elektronok azonos spinűek, a
feltöltődés úgy történik, hogy egy alhéjon minél több azonos spinű
elektron legyen. Az úgynevezett „buszos hasonlat” szerint a buszon a
székek párban vannak. Az utasok kezdetben arra törekszenek, hogy olyan
helyet foglaljanak el, ahol nem ül mellettük senki. Ha már csak egy másik
utas mellett van hely, akkor kezd feltöltődni a többi szék is. Ez azért
van az elektronoknál így, mert az elektronok azonos töltésűek, így
taszítják egymást. Hogy a taszítás kisebb legyen, az elektronok minél
távolabb helyezkednek el, arra "törekszenek", hogy páratlanul keringjenek
az atompályákon.
--
Az Energiaminimum elve
kimondja, hogy az elektronok a legalacsonyabb energiájú szabad helyet
foglalják el az atomban. Az elektronok mindig a legkisebb energiaszintű
alhéjat próbálják feltölteni.
Az elektronoknak két energiafajtájuk van:
--
A helyzeti energia, ami nem
más, mint az atommagtól való távolság. Minél messzebb van az elektron az
atommagtól, annál nagyobb a helyzeti energiája.
--
A mozgási energia, amely függ
az atompálya csomósíkjainak számától. Minél több a csomósík, annál nagyobb
az mozgási energia. Erre is van egy gyakorlati példa, ami megkönnyíti az
elképzelést. Van egy legyünk, amely a szabadban röpköd össze-vissza.
Bezárjuk ezt a legyet egy ketrecbe, ahonnan nem tud kijönni. Kisebb lesz a
mozgástere, ezért gyorsabban fog röpködni. Az elektronnal is ez történik.
Minél több a csomósík, (ahol az elektron megtalálási valószínűsége 0%)
annál kisebb az elektron mozgástere, így annál gyorsabban mozog.
Az atomok elektronszerkezetét az alhéjakból
állapítjuk meg és jellemezzük. Az alhéjak energiaszintjét az "n+l"
egyenlettel kapjuk meg, ahol az "n" a héj sorszáma, az "l" pedig a
csomósíkok száma. A csomósíkok száma pedig "n-1". A két képletet egyesítve
kapjuk meg a következőt: "n+(n-1)". Így kapjuk meg az egyre növekvő
energiaszintű pályákat a következő sorrendben (legkisebb energiaszinttől a
legnagyobbig): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
Kvantumszámok
A
hidrogénatom elektronjának a tartózkodási valószínűsége a különböző
állapotokban
Egy elektron állapotát egy atomban, illetve
egy atompálya tulajdonságait kvantumszámokkal jellemezhetjük. A
kvantumszámok:
Főkvantumszám: Az elektronnak
az atommagtól való átlagos távolságát jellemzi. Minél nagyobb a
főkvantumszám értéke, az elektron mozgása annál nagyobb térrészre terjed ki.
Jele n. Értéke lehet 1, 2, 3… Az azonos főkvantumszámú elektronpályák
héjakat alkotnak. A héjakat nagybetűkkel jelöljük. Az 1-es főkvantumszámú
pályák alkotják a K, a 2-es főkvantumszámúak az L, a 3-as főkvantumszámúak
az M, a 4-es főkvantumszámúak az N, az 5-ös főkvantumszámúak az O héjat. Az
egyes héjakon 2n2 elektron tartózkodhat.
Mellékkvantumszám: Az elektron
mag körüli mozgásából származó impulzusmomentumát illetve atompálya térbeli
alakját jellemzi. Az adott pályán található elektron energiája a pálya
alakjától is függ. Jele: l. Értéke 0, 1, 2, … n-1 lehet (n a főkvantumszám).
A mellékkvantumszámok helyett gyakran azok betűjeleit használjuk. 0 -
s(=Sharp*) pálya, 1 - p(=principle*) pálya, 2 - d(=diffuse*) pálya, 3 - f(=fundamental*)
pálya. Egy héjon belül az azonos mellékkvantumszámú pályák alhéjakat
alkotnak. *=amikről rövidítették
Mágneses kvantumszám: Az
elektron mag körüli mozgása miatt mágneses nyomaték is keletkezik. A
mágneses kvantumszám az elektron pályamozgásából adódó mágneses momentumot
jellemzi. Az adott alakú (adott mellékkvantumszámú) atompálya térbeli
irányát is megadja. Jele: m. Értéke egy egész szám -l-től +l-ig. Ha a
mellékkvantumszám 0, a pálya a térbeli állása csak egyféle lehet, a pálya
gömbszimmetrikus. Ekkor a mágneses kvantumszám mindig 0. Ha a
mellékkvantumszám 1, a mágneses kvantumszám 1, 0, vagy -1 lehet, egy p pálya
háromféleképpen helyezkedhet el a térben, háromféle p-pálya lehetséges. d
pályából ötféle (m = 2, 1, 0, -1, -2), f pályából hétféle (m = 3, 2, 1, 0,
-1, -2, -3) létezik.
Spinkvantumszám: Az
elektronoknak a pályamozgásukon kívül is van egy saját impulzusmomentumuk.
Az elektron úgy viselkedik, mint egy elemi mágnes, amely a külső mágneses
térben csak kétféleképpen állhat be: Az erővonalakkal ellentétes vagy
megegyező irányban. Értéke -½ vagy +½ lehet. spinvetület kvantumszáma: egy
kitüntetett irányban az ms spinvetület kvantumszáma +1/2 vagy
−1/2 lehet. Az atomban lévő elektron állapotát ezekkel a kvantumszámokkal is
jellemezzük; az impulzusmomentum kvantumszámának különböző értékeit betűkkel
jelöljük: s-sel jelöljük az l=0, p-vel az l=1, d-vel, f-fel, g-vel, h-val az
l=2;3;4; értékeket. A 2p1 állapot így arra utal, hogy az elektron
hullámfüggvényét az n=2, l=1, m=1 kvantumszámok határozzák meg. Az azonos
főkvantumszámú állapotok energiája megegyezik; például a 2s0, 2p0, 2p1
azonos energiájú állapotok. Az n főkvantumszámú energiaszintek n2-szeresen
elfajultak.
A kvantumszámok táblázata
Elektronhéj |
fő k.sz. |
mellék k. sz. |
mágneses kvantumszám |
spin kvantumszám |
elektron-
szám |
Alhéj |
Atom-
pályák |
K |
1 |
0 |
0 |
−1/2, +1/2 |
2 |
1s |
1 |
L |
2 |
0
1 |
0
−1, 0, +1 |
−1/2, +1/2
−1/2,+1/2 −1/2,+1/2 −1/2,+1/2 |
2
6 |
2s
2p |
1
3 |
M |
3 |
0
1
2 |
0
−1, 0, +1
−2, −1, 0, +1, +2 |
−1/2, +1/2
3 (−1/2, +1/2)
5 (−1/2, +1/2) |
2
6
10 |
3s
3p
3d |
1
3
5 |
N |
4 |
0
1
2
3 |
0
−1, 0, +1
−2, −1, 0, +1, +2
−3, −2, −1, 0, +1, +2, +3 |
−1/2, +1/2
3 (−1/2, +1/2)
5 (−1/2, +1/2)
7 (−1/2, +1/2) |
2
6
10
14 |
4s
4p
4d
4f |
1
3
5
7 |
O |
5 |
0
1
2
3
4 |
0
−1, 0, +1
−2, −1, 0, +1, +2
−3, −2, −1, 0, +1, +2, +3
−4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4 |
−1/2, +1/2
3 (−1/2, +1/2)
5 (−1/2, +1/2)
7 (−1/2, +1/2)
9 (−1/2, +1/2) |
2
6
10
14
18 |
5s
5p
5d
5f
5g |
1
3
5
7
9 |
P |
6 |
0
1
2
3
4
5 |
0
−1, 0, +1
−2, −1, 0, +1, +2
−3, −2, −1, 0, +1, +2, +3
−4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4
−5, −4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 |
−1/2, +1/2
3 (−1/2, +1/2)
5 (−1/2, +1/2)
7 (−1/2, +1/2)
9 (−1/2, +1/2)
11 (−1/2, +1/2) |
2
6
10
14
18
22 |
6s
6p
6d
6f
6g
6h |
Tartalomjegyzékhez
< Világképem <
Leptonidőszak
-------------------------------------
http://hu.wikipedia.org/wiki/Kvantumk%C3%A9mia
http://hu.wikipedia.org/wiki/Elektronszerkezet
|