Χηµεία Θετικής Κατεύθυνσης Γ Λυκείου 1 ο Κεφάλαιο Ηλεκτρονιακή δοµή των ατόµων Περιοδικός πίνακας Ηλεκτρονιακοί τύποι Lewis kostasctheos@yahoo.gr 1
1 ο παράδειγµα Πως υπολογίζουµε τη συχνότητα και το µήκος κύµατος του εκπεµπόµενου φωτονίου κατά την αποδιέγερση του ατόµου του υδρογόνου από στιβάδα µε κύριο κβαντικό αριθµό n 1 σε στιβάδα µε κύριο κβαντικό αριθµό n 2. Μεθοδολογία: Υπολογίζουµε την ενέργεια της αρχικής και της τελικής στιβάδας. E αρχ = E 1 n 1 2 E τελ = E 1 n 2 2 Το εκπεµπόµενο φωτόνιο έχει ενέργεια: E ϕωτ = E αρχ E τελ Εφαρµόζουµε τη σχέση E φωτ = h f και υπολογίζουµε τη συχνότητα του φωτονίου. Από τη σχέση c = λ f υπολογίζουµε το µήκος κύµατος του φωτονίου. 2 ο παράδειγµα Να υπολογίσετε το µήκος κύµατος της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας κατά τη µετάβαση του ηλεκτρονίου του ατόµου του υδρογόνου από το φλοιό µε n = 4 στο φλοιό µε n = 2. Δίνονται: h = 6,6 10-34 J s, E 1 = 2,18 10 18 J, c = 3 10 8 m/s. Απάντηση: Η ενεργειακή διαφορά των στιβάδων µε n = 4 και n = 2 είναι: E 4 E 2 = -2,18 10-18 16-2,18 10-18 4 4 10-19 J Το άτοµο εκπέµπει φωτόνιο µε ενέργεια ίση µε την ενεργειακή διαφορά των στιβάδων που προσδιορίσαµε. Eϕωτ = hc λ λ = hc Eϕωτ = 6,6 10-34 3 10 8 4 10-19 = 4,95 10-8 m kostasctheos@yahoo.gr 2
3 ο παράδειγµα Υπολογισµός της ελάχιστης απαιτούµενης ενέργειας για τον ιοντισµό ενός ατόµου υδρογόνου. Μετατροπή της ελάχιστης απαιτούµενης ενέργειας σε kj/mol. Μεθοδολογία: Το άτοµο του υδρογόνου βρίσκεται στην στιβάδα µε κύριο κβαντικό αριθµό n. Για να ιοντιστεί πρέπει να απορροφήσει ελάχιστη ενέργεια: E = E En = En 1 mol ατόµων υδρογόνου περιέχει Ν Α = 6 10 23 άτοµα. Εποµένως 1 mol ατόµων υδρογόνου χρειάζεται ίση µε Ε Ν Α που αποτελεί την ενέργεια σε kj/mol 4 ο παράδειγµα Να υπολογίσετε το µέγιστο αριθµό ηλεκτρονίων ενός πολυηλεκτρονιακού ατόµου που χαρακτηρίζονται µε τους κβαντικούς αριθµούς n=4 και m l =2. Απάντηση: Εφόσον έχουν κύριο κβαντικό αριθµό n = 4 ανήκουν στη 4η στιβάδα, που περιλαµβάνει τις υποστιβάδες 4s, 4p, 4d και 4f. Οι υποστιβάδες 4s και 4p δεν περιλαµβάνουν τροχιακά µε αζιµουθιακό αριθµό m l = 2. Οι υποστιβάδες 4d και 4f περιλαµβάνουν ένα τροχιακό κάθε µία µε m l = 2. Εποµένως έχουµε δύο τροχιακά µε m l = 2 δηλαδή τέσσερα το πολύ ηλεκτρόνια. kostasctheos@yahoo.gr 3
5 ο παράδειγµα Κατανοµή ηλεκτρονίων ενός ατόµου µε βάση τη δοµή του προηγούµενου ευγενούς αερίου. Παράδειγµα στο άτοµο 19 Κ. Μεθοδολογία: Το άτοµο του καλίου έχει ηλεκτρονιακή δοµή: 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 1 Γνωρίζουµε ότι τα ευγενή αέρια έχουν στην εξωτερική στιβάδα οκτώ ηλεκτρόνια (µε εξαίρεση το ήλιο που έχει µόνο δύο ηλεκτρόνια) Το προηγούµενο ευγενές αέριο είναι το αργό και η ηλεκτρονιακή δοµή του είναι 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 3d 6 Το κάλιο έχει δοµή: [Ar], 4s 1 6 ο παράδειγµα Ποια είναι η θέση στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων: (α) 11 Να και (β) 16 S; α. Το νάτριο ( 11 Νa) έχει ηλεκτρονιακή δοµή 1s 2,2s 2,2p 6,3s 1. Καταλαµβάνει 3 στιβάδες άρα ανήκει στην 3 η περίοδο. Η τελευταία υποστιβάδα που συµπληρώνεται έχει δοµή 3s 1, εποµένως το Να βρίσκεται στην 1 η οµάδα του τοµέα s δηλαδή στην 1 η οµάδα του Π.Π. ή ΙΑ. Το νάτριο έχει την ηλεκτρονιακή δοµή του προηγούµενου ευγενούς αερίου (Ne) και η εξωτερική του στιβάδα έχει δοµή 3s 1. Η ηλεκτρονιακή του δοµή µπορεί να γραφεί: [Ne] 3s 1 β. Το θείο ( 16 S) έχει ηλεκτρονιακή δοµή 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 4. Καταλαµβάνει 3 στιβάδες άρα ανήκει στην 3 η περίοδο. Η τελευταία υποστιβάδα που συµπληρώνεται έχει δοµή 3p 4 εποµένως το θείο βρίσκεται στην 4 η οµάδα του τοµέα p δηλαδή στην 16 η οµάδα του Π.Π. ή VIA. Το θείο έχει την ηλεκτρονιακή δοµή του προηγούµενου ευγενούς αερίου (Ne) και η εξωτερική του στιβάδα έχει 3s 2 3p 4. Η ηλεκτρονιακή του δοµή µπορεί να γραφεί: [Νe] 3s 2 3p 4 kostasctheos@yahoo.gr 4
7 ο παράδειγµα Ποια είναι η θέση του στοιχείου σίδηρος 26 Fe στον περιοδικό πίνακα; Ο σίδηρος 26 Fe έχει ηλεκτρονιακή δοµή 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6,3d 6,4s 2. Τα ηλεκτρόνια καταλαµβάνουν 4 στιβάδες εποµένως ανήκει στην 4 η περίοδο. Η τελευταία υποστιβάδα που συµπληρώνεται έχει δοµή 3d 6 εποµένως βρίσκεται στην 6 η οµάδα του τοµέα d. Οι υποστιβάδες 3d και 4s έχουν συνολικά 8 ηλεκτρόνια εποµένως ανήκει στην 8 η οµάδα του Π.Π. ή VIIIB. Ο σίδηρος έχει την ηλεκτρονιακή δοµή του προηγούµενου ευγενούς αερίου 18Ar (Αργό) και επί πλέον τη δοµή 4s 2 3d 6. Η ηλεκτρονιακή του δοµή µπορεί να γραφεί: [Αr] 3d 6 4s 2. 8 ο παράδειγµα Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δοµή των στοιχείων 24 Cr, 29 Cu; Τα στοιχεία της 6 ης οµάδας µεταπίπτουν από την ηλεκτρονιακή δοµή (n-1)d 4,ns 2 στη σταθερότερη ηλεκτρονιακή δοµή (n-1)d 5,ns 1 Έτσι το χρώµιο 24 Cr έχει ηλεκτρονιακή δοµή: 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6,3d 5,4s 1 Το Cr έχει στην 3d και στην 4s συνολικά 6 e -, ανήκει στην 6 η οµάδα ή VIΒ Ta στοιχεία της 11 ης οµάδας µεταπίπτουν από την ηλεκτρονιακή δοµή (n-1)d 9,ns 2 στην σταθερότερη ηλεκτρονιακή δοµή (n-1)d 10,ns 1 Έτσι ο χαλκός 29 Cu έχει ηλεκτρονιακή δοµή: 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6,3d 9,4s 1 Ο Cu έχει στην 3d και στην 4s συνολικά 10 e -, ανήκει στη 10 η οµάδα ή VIΙΙΒ. Αυτό γίνεται διότι οι ηλεκτρονιακές δοµές που αποκτούν έχουν χαµηλότερη ενέργεια και είναι σταθερότερες. kostasctheos@yahoo.gr 5
9 ο παράδειγµα Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis της χηµικής ένωσης θειικό νάτριο (Na 2 SO 4 ). Δίνονται: 11 Na, 16 S, 8 O. Απάντηση: Κατανέµουµε τα ηλεκτρονια των στοιχείων σε στιβάδες: 11Na: Κ(2)L(8)M(1) 16S: K(2)L(8)M(6) 8O: K(2)L(6) Συνολικά εξωτερικά ηλεκτρόνια: 2 1 + 6 + 4 6 = 32 Κάθε άτοµο νατρίου αποβάλλει ένα ηλεκτρόνιο και γίνεται κατιόν Na + µε εξωτερική στιβάδα την L. Η οµάδα SO 4 προσλαµβάνει τα 2 ηλεκτρόνια που απέβαλλαν τα άτοµα νατρίου και δηµιουργείται το ανιόν SO 4 2- Έτσι και τα 32 ηλεκτρόνια κατανέµονται στο ανιόν 2.. + : O :...... 2 : Na :, : O S O : : Ö : kostasctheos@yahoo.gr 6