H εικόνα του ατόμου έχει αλλάξει δραστικά

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "H εικόνα του ατόμου έχει αλλάξει δραστικά"

Πορφύριος Βάμβας
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Δομή Ατόμου και Ατομικά Τροχιακά

2 Α Τα κλασσικά πρότυπα

3 Η ιστορία της δομής του ατόμου (1/2) ατομική θεωρία Δημόκριτου (άτομοι) ατομική θεωρία Dalton Πλανητικό πρότυπο Rutherford πρότυπο Schrodinger 460 π.χ 1808 μ.χ 1898, 1904 μ.χ 1911 μ.χ 1913 μ.χ 1926 μ.χ H εικόνα του ατόμου έχει αλλάξει δραστικά Το πρότυπο της απλής συμπαγούς σφαίρας αντικαταστάθηκε από ένα πρότυπο στο οποίο κυριαρχεί η αβεβαιότητα και η πιθανότητα. πρότυπο Thomson πρότυπο Bohr

4 ατομική θεωρία Δημόκριτου (άτομοι) Η ιστορία της δομής του ατόμου (2/2) Πλανητικό πρότυπο Rutherford Μ Plank, A Einstein Η διττή φύση του φωτός πρότυπο Schrodinger 460 π.χ 1898, 1904 μ.χ 1911 μ.χ 1913 μ.χ 1926 μ.χ πρότυπο Thomson πρότυπο Bohr n=1 n=2 n=3 n=4 n= Κ L M N

5 Η διττή φύση του φωτός Μαx Planck (1900) Η ακτινοβολία εκπέμπεται ασυνεχώς σε διακριτές "δέσμες" ενέργειας τα κβάντα φωτός ή φωτόνια. σταθερά Planck h = 6.626x10626x10 34 J s ενέργεια φωτονίου Eφωτονίου φ = h ν συχνότητα Το φως έχει διπλή υπόσταση όπου συνυπάρχουν και οι δύο φύσεις του, χωρίς η μία φύση του φωτός να αναιρεί την άλλη. Η εξίσωση της ενέργειας του φωτονίου εμπεριέχει τη σωματιδιακή φύση (φαίνεται στο μέγεθος «Ε φωτονίου») και την κυματική φύση (φαίνεται στο μέγεθος «ν φωτονίου», μέγεθος κατ εξοχήν κυματικό)

6 Το πρότυπο του Bohr (το 1 ο κβαντισμένο άτομο) Ο Bohr διατύπωσε δύο αυθαίρετες συνθήκες γνωστές ως μηχανική και οπτική συνθήκη που σκιαγραφούν ένα νέο πρότυπο του ατόμου. Οι συνθήκες, παρότι αντιβαίνουν σε θεωρίες της φυσικής, έγιναν δεκτές, διότι εξήγησαν το γραμμικό φάσμα εκπομπής και απορρόφησης του υδρογόνου.

7 Mηχανική συνθήκη του Bohr Τα ηλεκτρόνια των ατόμων κινούνται μόνο σε αυστηρά καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα με καθορισμένη (κβαντισμένη) ενέργεια. Κάθε επιτρεπόμενη τροχιά (στοιβάδα) συμβολίζεται με Κ, L, Μ, N, και αντιστοιχεί στην τιμή ενός ακέραιου αριθμού n (n=1,2,3, = πρώτος ςήή κύριος κβαντικός αριθμός. n=1 Κ L M N n=2 n=3 n=4 n=

8 Θεμελιώδης και διεγερμένες καταστάσεις στο άτομο Η Tο άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει την μικρότερη δυνατή ενέργεια όπου το ηλεκτρόνιο είναι στην 1 η (n=1) στοιβάδα. TT ο άτομο είναι δυνατόν να απορροφήσει ενέργεια (διεγερμένη κατάσταση) οπότε το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε στοιβάδα με n 2. Η ενέργεια που απορροφάται είναι ίση με τη διαφορά των ενεργειών της αρχικής και της τελικής στοιβάδας μετάβασης. Ε απορροφάται = Ε τ Ε α

9 Oπτική συνθήκη του Bohr Tο άτομο δεν εκπέμπει ακτινοβολία όταν το ηλεκτρόνιο κινείται στην ίδια στοιβάδα. Εκπέμπει ακτινοβολία μόνο όταν ηλεκτρόνια μεταπηδήσουν από στοιβάδα μεγάλης ενέργειας σε στοιβάδα χαμηλότερης ενέργειας Για κάθε μετάπτωση e από στοιβάδα n α μεγάλης ενέργειας Ε α, σε στιβάδα η τ χαμηλότερης ενέργειας Ε τ, εκπέμπεται ένα φωτόνιο. e ΗΗ συχνότητα του φωτονίου είναι: E φ fh hv v f h φωτόνιο

10 Οι αδυναμίες του προτύπου του Bohr Λειτουργεί μόνο για τα άτομα του υδρογόνου ή τα υδρογονοειδή (μονοηλεκτρονικά) ιόντα π.χ. 2 Ηe +, 3 Li 2+ και έτσι δεν μπόρεσε να ερμηνεύσει το φάσμα των ακτινοβολιών που εκπέμπουν τα πολυηλεκτρονικά άτομα. Δεν έχει την δυνατότητα να εξηγήσει το χημικό δεσμό. Είναι και αυτό σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία (όπως και το πρότυπο του Rutherfond).

11 Η κβαντομηχανική ήθ θεώρηση του ατόμου

12 Η γέννηση της κβαντομηχανικής Kβάντωση β ητης ενέργειας (Planck 1900) Kυματοσωματιδιακή θεωρία (De Broglie 1924) Aρχή της αβεβαιότητας (Heisenberg 1925) Eξίσωση του Schrodinger (Schrodinger 1926)

13 Η διττή φύση του φωτός και της ύλης Louis De Broglie 1924 Όπως το ηλεκτρομαγνητικό κύμα έχει και σωματιδιακή φύση (φωτόνιο), έτσι και κάθε κινούμενο σωματίδιο μπορεί να έχει και κυματική υπόσταση. Το μήκος κύματος του κινουμένου σωματιδίου είναι: λ h h p m υ p=ορμή, λ=μήκος κύματος, m=μάζα, υ=ταχύτητα

14 Aρχή αβεβαιότητας (Aρχή απροσδιοριστίας). Είναι αδύνατος ο ταυτόχρονος καθορισμός της θέσης και της ορμής του ηλεκτρονίου. Werner Heisenberg 1925 Δx Δp x h 2π Δx=σφάλμα καθορισμού θέσης. Δp x =σφάλμα καθορισμού ορμής. Καταργούνται όλα τα πλανητικά πρότυπα του ατόμου που βασίζονται στον καθορισμό των τροχιών των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα, αφού ο καθορισμός της τροχιάς συνεπάγει και τον ταυτόχρονο καθορισμό της θέσης, της ορμής. Η περιγραφή του ατόμου γίνεται βάσει πιθανοτήτων.

15 Η κυματική εξίσωση Schrodinger Βάσει της εξίσωσης Sh Schrodinger η κίνηση του e περιγράφεται ως μαθηματική συνάρτηση της θέσης και της ενέργειάς του. Από την επίλυση της, προκύπτουν οι κυματοσυναρτήσεις που δίνουν τις κυματικές συμπεριφορές των σωματιδίων του μικρόκοσμου.

16 Τα τροχιακά Η επίλυση της εξίσωσης Schrodinger είναι δυνατόν να γίνει μόνο για το άτομο του υδρογόνου Ατομικό τροχιακό (atomic orbital) τροχιακό είναι κάθε παραδεκτή λύση της εξίσωσης Schrödinger Το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης ψ, δηλαδή το ψ 2, εκφράζει την πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε ένα ορισμένο σημείο του χώρου γύρω από τον πυρήνα Τα ΑΟ μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μεγάλη προσέγγιση και στα πολυηλεκτρονικά άτομα.

17 Κύρια σημεία κβαντομηχανικής θεωρίας Ηενέργειατουe e είναι κβαντισμένη Τα κβαντισμένα ενεργειακά επίπεδα είναι άμεση συνέπεια των κυματικών ιδιοτήτων του e Η ακριβής θέση και ορμή του e δεν μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα Η περιοχή στο χώρο γύρω από τον πυρήνα όπου μπορεί να βρεθεί κάθε e μπορεί να προβλεφθεί στο άτομο. Ηλεκτρόνια με διαφορετική ενέργεια βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές

18 Oι ι κβαντικοί αριθμοί και τα τροχιακά Κάθε AO περιγράφεται από μια τετράδα κβαντικών αριθμών n, l, m l, m s και αντίστροφα. Οι κβαντικοί αριθμοί προκύπτουν σαν απαίτηση κάθε παραδεκτής λύσης (τροχιακoύ), της εξίσωσης του Schrodinger για το άτομο του υδρογόνου.

19 1 ος ή κύριος κβαντικός αριθμός (n) Παίρνει ακέραιες τιμές 1, 2, 3,..., n Όσο μεγαλώνει ο κύριος κβαντικός (n) μεγαλώνει το μέγεθος του τροχιακού. μεγαλώνει η ενέργεια του τροχιακού. μικραίνει η έλξη ηλεκτρονικού νέφους και πυρήνα.

20 2 ος ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (l) Παίρνει ακέραιες τιμές: 0, 1, 2,..., n 1. Ο 2 ος κβαντικός αριθμός (l) σχετίζεται με τις δυνάμεις μεταξύ των ηλεκτρονικών νεφών και γι αυτό καθορίζει το σχήμα τωνηλεκτρονικώννεφών. Σχετίζεται με την ενέργεια του τροχιακού μόνο στα πολυηλεκτρονικά άτομα ή ιόντα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο κβαντικός αριθμός (l) τόσο μεγαλώνει η ενέργεια του τροχιακού

21 Συμβολισμοί τροχιακών Για τις διάφορες τιμές του κβαντικού αριθμού (l) συμβολίζουμε τα τροχιακά με γράμματα ως εξής: τιμή 2 ου κβαντικού (l) συμβολισμός τροχιακού s p d f g Αν μπροστά από τα γράμματα s, p, d, υπάρχει αριθμός, τότε αυτός υποδηλώνει τον 1 ο κβαντικό αριθμό (n) του τροχιακού. π. χ. με το συμβολισμό 2s εννοούμε τροχιακό με n=2 και l=0, με το συμβολισμό 3d εννοούμε τροχιακό με n=3 και l=2

22 3 ος ή μαγνητικός κβαντικός αριθμός (m l ) Παίρνει ακέραιες τιμές l 0 +l. Σχετίζεται με το μαγνητικό πεδίο λόγω της περιφοράς ρ του ηλεκτρονίου. Καθορίζει τον προσανατολισμό του τροχιακού

23 4 ος ή μαγνητικός κβαντικός αριθμός (m s ). Δεν χαρακτηρίζει το τροχιακό αλλά το ηλεκτρόνιο. Παίρνει τιμές +½ ή ½ Σχετίζεται με το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρονίου λόγω της ιδιοπεριστροφής του. S N S e e δέσμη ατόμων Η N N S

24 Συμβολισμός ατομικών τροχιακών χ Αριθμός e nl ml 1 ος κβαντικός 2 ος κβαντικός 3 ος κβαντικός

25 Ηλεκτρονική διαμόρφωση ατόμου Ηλεκτρονική δομή ή διαμόρφωση ατόμου: ο τρόπος κατανομής των e στα τροχιακά. Για την απεικόνιση καταγράφουμε τα σύμβολα των τροχιακών το ένα δίπλα στο άλλο και σε καθένα εξ αυτών τοποθετούμε εκθέτη ο οποίος αφορά στον αριθμό των e του τροχιακού Li: 1s 2 2s 1 Ο τρόπος διαμέσου του οποίου καταλαμβάνονται τα τροχιακά αποτελεί το διάγραμμα τροχιακών, όπου κάθε τροχιακό παριστάνεται με ένα κύκλο και το κάθε e με ένα βέλος Li: 1s 2s 2p

26 Κανόνες τοποθέτησης e στα τροχιακά Κανόνες Βury 1. Μέγιστος Αριθμός e ανά στοιβάδα 2n 2 2. Μέγιστος αριθμός e εξώτατης 8, προεξώτατης 18, προπροεξώτατης 32 Κβαντικοί κανόνες Αρχή Pauli: 2 e δεν μπορούν να έχουν όμοιους και τους 4 κβαντικούς αριθμούς Αρχή Δόμησης: Τα e καταλαμβάνουν πρώτα τα επιτρεπόμενα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας Αρχή Hund: Τα e που καταλαμβάνουν τα επιτρεπόμενα τροχιακά τοποθετούνται πρώτα ανά ένα με παράλληλα spin και κατόπιν στα ίδια με αντιπάραλληλο

27 Στοιβάδες και υποστοιβάδες. Στοιβάδα είναι το σύνολο των τροχιακών που έχουν τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό K υ π ο σ τ ι β ά δ α s p d f g h i l 5 6 n 1 1s (n). L 2 α 2s 2p Υποστιβάδα είναι το σύνολο των τροχιακών που έχουν τους ίδιους κύριους κβαντικούς ά δ σ τ ι β αριθμούς (n) και (l). 7 7s 7p 7d 7f 7g 7h 7i M N O P 3 3s 3p 3d 4 4s 4p 4d 4f 5 5s 5p 5d 5f 5g 6 6s 6p 6d 6f 6g 6h Q 7 7s 7p 7d 7f 7g 7h 7i

28 Απεικόνιση των τροχιακών

29 Τα s τροχιακά Τα s τροχιακά έχουν όλα σφαιρική συμμετρία. 1s 2s 3s 2 Ψ 4πr 2 Γραφική παράσταση της πιθανότητας να βρεθεί το ηλεκτρόνιο 1s σε επιφάνεια σφαίρας ακτίνας r. r r Aκτίνα τροχιάς Bohr.

30 Τα p τροχιακά Τα p τροχιακά έχουν σχήμα δύο λοβών. Ο ένας λοβός αντιστοιχεί στις θετικές τιμές της κυματοσυνάρτησης Ψ ενώ ό άλλος στις αρνητικές. x y z

31 Τα d τροχιακά z x y 3d 3d 2 z x 2 y 2 3d yz 3dzx xy 3d Τα d τροχιακά έχουν πολλές κομβικές επιφάνειες.

32 Τα f τροχιακά z x y z 3zr 5 xz xr zx zy xyz 3 y 3yx 2 2 5yz yr 2 3 x 3xy 2 Τα f τροχιακά έχουν και αυτά πολλές κομβικές επιφάνειες.

33 Σταθερές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις

34 Σταθερές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις 1. Διαμόρφωση ευγενών αερίων ns 2, np 6 (n = εξώτατη) αλκάλια, αλογόνα Διαμόρφωση με συμπληρωμένα d ΑΟ (n 1)d ενώ τα ns & np δεν έχουν e Ιόντα μεταβατικών στοιχείων Zn 2+, Cd 2+ κλπ 3. Διαμόρφωση με ημι συμπληρωμένα d ή p ΑΟ (n 1)d 5, (n 1)p 3 ενώ τα ns & np δεν έχουν e Ιόντα Fe 3+, Mn 2+ κλπ 4. Διαμόρφωση με συμπληρωμένα s ΑΟ (ns 2 ) ενώ τα άλλα n δεν έχουν e He, Be Tl + ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ ΑΠΟΔΙΔΕΤΑΙ ΣΤΗ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΝΕΦΟΥΣ

35 Σταθερές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις 1. Διαμόρφωση ευγενών αερίων ns 2, np 6 (n= εξώτατη) αλκάλια, αλογόνα... (υπάρχει οκτάδα e ) 10Ne 1s 2 2s 2 2p 6 18Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 11Na+ 1s 2 2s 2 2p 6 11 p 17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

36 Σταθερές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις 2. Διαμόρφωση με συμπληρωμένα d ΑΟ (n 1)d 10 ενώ τα ns & np δεν έχουν e Ιόντα μεταβατικών στοιχείων Zn 2+, Cd 2+ κλπ 30Zn 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 30Zn 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 50Sn [Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 50Sn [Kr] 4d 5s 5p 50Sn 2+ [Kr] 4d 10 5s 2 50Sn 4+ [Kr] 4d 10

37 Σταθερές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις 3. Διαμόρφωση με ημι συμπληρωμένα d ή p ΑΟ (n 1)d 5 (n 1)p 3 ενώ τα ns & np δεν έχουν e Ιόντα Fe 3+, Mn 2+ κλπ 26Fe 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 26Fe 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 26Fe 3+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5

38 Σταθερές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις 4. Διαμόρφωση ημε συμπληρωμένα μ s ΑΟ (ns 2 ) ενώ τα άλλα n δεν έχουν e He, Be Tl + 2He 1s 2 4Be 4 1s 2 2s 2

Σχετικά έγγραφα

Ατομικός αριθμός = Αριθμός πρωτονίων. Μαζικός αριθμός = Αριθμός πρωτονίων + Αριθμός νετρονίων (nucleon number)

Δομή Ατόμου και Ατομικά Τροχιακά Ατομικός και μαζικός αριθμός Ατομικός αριθμός = Αριθμός πρωτονίων (proton number) Μαζικός αριθμός = Αριθμός πρωτονίων + Αριθμός νετρονίων (nucleon number) 2 Ισότοπα Ισοβαρή