Ghid pentru bacalaureat: Chimie Anorganică: Structura învelişului electronic
- Orbital atomic
- Substrat
- Mişcare de spin
- Strat
- Configurație electronică
-
Tipuri de orbitali : 4 tipuri de orbitali s, p, d, f
- Element reprezentativ
- Element tranzițional
- Principiul stabilității
- Principiul lui Pauli
- Regula lui Hund
Materia are o structură discontinuă; ea este alcătuită din particule mici care nu pot fi observate cu ochiul liber numite atomi.
Atomul = cea mai mica particula dintr-o substanta care prin metode fizice sau chimice obisnuite nu mai poate fi divizat. (gr. atomos = indivizibil, „ce nu poate fi tăiat”).
Atomul este format din:
- nucleu,
- înveliș electronic.
Atomul. Ghid pentru Bacalaureat: Chimie Anorganică
ÎNVELIŞUL ELECTRONIC
→ totalitatea electonilor care gravitează în jurul nucleului
CONFIGURAȚIA ELECTRONICĂ A ATOMULUI
:Structura învelişului electronic:
Învelișul de electroni al atomului este format din totalitatea electronilor care graviteaza în jurul nucleului atomului.
Numărul electronilor diferă de la un element la altul și este egal cu numărul atomic, Z. Într-un atom numărul electronilor este egal cu numărul protonilor din nucleul său.
Structura învelişului electronic → comportarea chimică a atomilor → reactivitatea substanțelor
Mişcarea electronului în jurul nucleului poate fi comparată cu un nor electronic, încărcat negativ
Orbital atomic → zona din jurul nucleului în care există probabilitatea maximă de a găsi electronul
Mişcarea de spin → mişcarea pe care o efectuează electronul în jurul axei sale Mişcarea de spin → în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers
Straturi electronice
Electronii se deplaseaza în jurul nucleului pe diferite niveluri energetice, numite straturi electronice.
Numărul maxim al straturilor este 7. Straturile se notează cu litere, astfel:
|
STRAT |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
litera |
K |
L |
M |
N |
O |
P |
Q |
|
Substraturi |
1s |
2s |
3s, 2p |
4s, 3p |
5s, 4p, 3d |
5p, 4d |
|
Numărul maxim de electroni de pe un start este:
Ne_maxim =2•n2
-unde n este numărul stratului
→ comportarea chimică a atomilor
→ reactivitatea substanțelor
Mişcarea electronului în jurul nucleului poate fi comparată cu un nor electronic, încărcat negativ
Orbital atomic
→ zona din jurul nucleului în care există probabilitatea maximă de a găsi electronul
Mişcarea de spin
→ mişcarea pe care o efectuează electronul în jurul axei sale
Mişcarea de spin
→ în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers
Înveliș electronic (electroni care graviteaza in jurul nucleului pe straturi)
Electronul are masa = 0 (neglijabila), sarcina -1, notatie e- .
Electronii se deplaseaza cu viteze foarte mari, rotindu-se simultan in jurul nucleului (determinand o zona numita nor electronic) si in jurul propriei axe(miscare de spin).
Electronul participa efectiv la fenominele chimice, putand fi cedat de un atom si acceptat de alt atom.
Un atom poate avea maxim 7 straturi electronice(nivele energetice), notate de la nucleu spre exterior: 1, 2, 3... sau K ,L, M..., energia acestora crescand de la 1(K) la 7(Q), adica de la nucleu spre ultimul strat.
-partea externa a atomului, care contine particule numite
- Electroni - e- -particule cu sarcina negativa.
Reguli de ocupare a straturilor cu electroni:
- electronii tind sa ocupe straturile cu energie minima;
- nr. maxim de electroni dintr-un strat se calculeaza cu relatia: Nmax = 2n2, unde n este nr. stratului.
Electronul distinctiv = electronul care deosebeste atomul unui element de cel precedent(ultimul electron al atomului).
Configuratii stabile:
- dublet - 2 electroni pe stratul K, care sa fie ultimul
- octet - 8 electroni pe ultimul strat.
Numere ce caracterizeaza atomii elementelor:
Nr. atomic = Z = nr. protonilor = nr. electronilor = nr. casutei din Sistemul Periodic in care se afla elementul(nr. de ordine) = sarcina nucleului = sarcina invelisului electronic.
Nr. de masa = A = nr. nucleonilor = nr. protonilor + nr. neutronilor = Z + nr. neutronilor.
izotopi = acelasi Z
izobari = acelaşi A
izotoni = acelaşi N
Invelisul de electroni: regiunea exterioara, incarcata negative si cu masa neglijabila.
Electronii: particule fundamentale, cu sarcina electrica negativa(-10e)
Configuratia electronică
Invelisul electronic este format din totalitatea electronilor care graviteaza in jurul nucleului.
Invelisul electronic are o structura stratificata,fiind format din straturi, substraturi si orbitali.
Orbitalul atomic reprezinta zona din jurul nucleului in care exista probabilitatea maxima de a gasi electroni.
Exista 7 straturi principale numite orbitali, pe care electronii se aranjeaza si graviteaza in jurul nucleelor atomice. Cu cat orbitalul se afla mai departe de nucleul atomic, cu atat electronii trebuie sa aiba o energie mai mare (o stare de excitatie mai pronuntata necesara pentru a ramane departe de nucleu), populand astfel orbitali tot mai indepartati. Cu cat orbitalul este mai aproape de nucleu, cu atat starea de excitatie a electronilor este mai scazuta si energia mai mica.
Electronii populeaza orbitalii pornind de la cel cu nivelul energetic cel mai scazut (orbitalul cel mai apropiat de nucleu) si ajungand treptat, prin completarea locurilor disponibile, la nivelul energetic cel mai ridicat, corespunzator orbitalului cel mai indepartat de nucleu.
S-a convenit sa se denumeasca Orbitalul 1 ca fiind orbitalul cel mai putin energetic (pe care electronii il completeaza primul), asadar cel mai apropiat de nucleu, in timp ce Orbitalul 7 va fi cel mai indepartat de nucleu si cel mai energetic, practic orbitalul pe care electronii il populeaza ultimul. Nu exista elemente pe care sa le cunoastem azi ai caror atomi sa detina electroni dispusi pe mai mult de 7 orbitali.
Notatia stiintifica pentru cei 7 orbitali s-a convenit a fi: s, p, d, f, g, h, i. Totusi, lucrurile nu sunt atat de simple si nu se opresc aici. Fiecare orbital (exceptandu-l pe primul) este alcatuit la randul lui din suborbitali.
- Primul ORBITAL are un singur suborbital care se confunda cu orbitalul principal. S-a convenit notarea lui: 1s.
- Al doilea ORBITAL are 2 suborbitali. S-a convenit notarea lor: 2s, 2p
- Al treilea ORBITAL are 3 suborbitali: 3s, 3p, 3d.
s.a.m.d.
- Al 7-lea ORBITAL are 7 suborbitali: 7s, 7p, 7d, 7f, 7g, 7h, 7i.
Pe fiecare dintre aceste subnivele se pot un afla un numar maxim de electroni dati de formula:
2 x (n x 2 - 1), unde n este subnivelul (de la 1 la 7, aferent s .. i)
Asadar, avem:
- Pe orice suborbital de tip s, un numar maxim de electroni 2 x (1x2 - 1) = 2 x 1 = 2
- Pe orice suborbital de tip p, un numar maxim de electroni 2 x (2x2 - 1) = 2 x 3 = 6
- Pe orice suborbital de tip d, un numar maxim de electroni 2 x (3x2 - 1) = 2 x 5 = 10
- Pe orice suborbital de tip f, un numar maxim de electroni 2 x (4x2 - 1) = 2 x 7 = 14
- Pe orice suborbital de tip g, un numar maxim de electroni 2 x (5x2 - 1) = 2 x 9 = 18
- Pe orice suborbital de tip h, un numar maxim de electroni 2 x (6x2 - 1) = 2 x 11 = 22
- Pe orice suborbital de tip i, un numar maxim de electroni 2 x (7x2 - 1) = 2 x 13 = 26
Se cunosc 4 tipuri de orbital, notati cu literele s, p , d , f .
Orbitalii de tip s au cea mai mica energie si este unul in fiecare strat.
Orbitalii de tip p urmeaza ca energie si se gasesc in numar de 3 in fiecare strat,pe cele trei axe x, y, z.
Orbitalii de tip d sunt in numar de 5.
Orbitalii de tip f sunt in numar de 7.
Substratul este format din orbitalii de acelasi tip.
Stratul este format din substraturi. Sunt in numar de 7 notate de la 1 la 7 sau K , L, M, N, O, P si Q.
Numarul de electroni dintr-un substrat al unui strat electronic se noteaza ca exponent la litera care arata tipul orbitalului.
Ex: s2, p5
Substratul: nax unde n =numarul stratului; a = tipul orbitalului ; x = numarul de electroni.
Mișcarea de spin. Mişcarea electronilor
În jurul nucleului unui atom gravitează un număr de electroni egal cu numărul de protoni din nucleu, formând învelişul de electroni al atomului.
Electronii se rotesc în jurul axei lor şi în jurul nucleului cu viteză foarte mare. Mişcarea de rotaţie a electronului în jurul propriei axe se numeşte mişcare de spin. Sunt posibile două sensuri de rotaţie: de la dreapta la stânga şi de la stânga la dreapta.
Doi electroni care se rotesc în acelaşi sens sunt numiţi electroni de spin paralel, iar doi electroni care se rotesc în sensuri diferite sunt numiţi electroni de spin opus sau electroni cuplaţi şi se reprezintă convenţional prin două săgeţi cu orientări opuse: ⇑⇓.
Fiecare electron din învelişul de electroni se află concomitent sub influenţa atracţiei nucleului şi sub influenţa respingerii electrostatice a tuturor celorlalţi electroni.
Mişcarea electronilor în jurul nucleului ascultă de legile mecanicii cuantice. Conform acestei teorii, fiecare electron gravitează în jurul nucleului, într-un anumit spaţiu, unde se poate găsi cu probabilitatea maximă, formând o zonă de electricitate negativă sau nor electronic, numită orbital.
CONFIGURAȚIA ELECTRONICĂ A ATOMULUI
- Repartizarea electronilor pe straturi şi substraturi
- ocuparea cu electroni a orbitalilor atomici are la bază
Ocuparea orbitalilor atomici cu electroni se sprijină pe 3 principii de bază:
⇒ principiul stabilității (al minimei energii);
⇒ principiul de excluziune al lui Pauli
⇒ regula lui Hund
Principiul stabilitații sau al minimei energii
În atomii multielectronici, electronii se plasează în orbitali atomici în ordinea succesivă a creşterii energiei lor, de la nucleu spre exterior. Altfel spus, electronul distinctiv (de valență) tinde să ocupe orbitalul vacant cu energia cea mai scăzută.
Principiul de excluziune al lui Pauli:
Un orbital atomic poate fi ocupat cu maximum doi electroni cu spin opus.
Regula lui Hund
Completarea orbitalilor aceluiaşi substrat cu electroni are loc astfel încât numărul de electroni necuplați (impari) să fie maxim.
După semiocuparea orbitalilor aceluiaşi substrat urmează cuplarea (completarea) cu al doilea electron de spin opus, în cazul fiecărui orbital.
Diagrama de energie reprezentarea nivelurilor energetice în funcție de nivelul de energie al fiecărui orbital, pentru primele 5 straturi electronice.
Ordinea ocupării cu electroni a orbitalilor atomici pentru primele 4 straturi:
Regula lui Hund:
Completarea orbitalilor aceluiași substrat (de aceeași energie) cu electroni are loc astfel încât numărul de electroni necuplați (impari) să fie maxim. După semiocuparea orbitalilor aceluiași substrat cu un electron, urmează apoi cuplarea (completarea) cu al doilea electron de spin opus, în cazul fiecărui orbital.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p 6 4s 2 3d10 4 p6 5s2 4d10 5p6 6s2 5d10 4f14 6p6 7s2 6d10 5f14
Configuratia electronică a atomului. Orbitalii
Configuratia electronica a atomului reprezinta schema in care orbitalii atomici se completeaza cu electroni,in ordinea cresterii energiei lor.
Orbitali
Tipuri de orbitali : 4 tipuri de orbitali
-Orbitali de tip s
-Orbitali de tip p
-Orbitali de tip d
-Orbitali de tip f
Orbitalii se deosebesc prin :
-Formă
-Energie
-Orientare spațială
Spaţiul din jurul unui nucleu „acoperit” de un electron în mişcarea sa în jurul nucleului se numeşte orbital.
Un orbital poate fi ocupat cu un electron sau cu doi electroni de spin opus.
Se cunosc patru tipuri de orbitali notaţi: s, p, d, f care se deosebesc între ei prin formă, energie şi orientare în spaţiu.
Orbitalul de tip s are formă sferică.
Orbitalul p este bilobal cu lobi egali.
Orbitalii d şi f au forme mai complicate.
Ocuparea cu electroni are la baza:
a.Principiul stabilitatii: electronii se aranjeaza in orbital in ordinea cresterii energiei orbitalilor s, p, d, f.
b.Principiul lui Pauli: un orbital atomic poate fi ocupat cu maxim doi electroni de spin opus.
c.Principiul lui Hund: dupa semiocuparea orbitalilor urmeaza cuplarea cu al doilea electron de spin opus.
Pe baza acestor principii avem:
- pe orbitalii s incap maxim 2e-;
- pe orbitalii p incap maxim 6e-;
- pe orbitalii d incap maxim 10e-;
- pe orbitalii f incap maxim 14e-;
-ordinea energetica a substraturilor este incepand de la nucleu : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p ( 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p);
ORBITALI DE TIP S : formă sferică – nucleul este situat în centrul sferei
-
1 orbital / strat
Orbitalul s: are simetrie sferică (de exemplu, orbitalul ocupat de electronul atomului de hidrogen).
Orbitalul s este caracterizat prin n = 1 și 1=0, notat 1s
Substrat: s
Nr. orbitali: 1 orbital s (s2)
ORBITALI DE TIP p : formă bilobară – lobii sunt orientați de-a lungul axelor de simetrie
- 3 orbitali / strat
Orbitalii p sunt orientați în spațiu după axele Ox, Oy și Oz, deci câte trei pentru fiecare strat principal cu n≥2. Forma: nu este simetrică, ci bipolară.
Substrat: p
Nr. orbitali: 3 orbitali p (p6)
ORBITALI DE TIP d : formă complicată, tetralobară
-
5 orbitali / strat
Orbitalii d: sunt în număr de cinci pentru fiecare strat. Au două planuri nodale -> împart nodul de electroni în patru secțiuni și prezintă o structură mai complicată, tetralobară.
Orbitalii d apar n ≥3, sunt caracterizați 1=2 și m ±1, ±2, 0, sunt în număr de cinci pe fiecare strat.
Substrat: p
Nr. orbitali: 5 orbitali d (d10)
ORBITALI DE TIP f : formă complicată, octalobară
-
7 orbitali / strat
Orbitalii f: sunt în număr de șapte. Structura lor -> complicată, au trei planuri nodale ce trec prin nucleu; formă octalobară.
Substrat: f
Nr. orbitali: 7 orbitali f (f14)
Orbitalii f apar la n ≥4, sunt caracterizați 1=3 și m ±1, ±2, ±3, 0, și sunt în număr de șapte.
Orbitalii se deosebesc:
-
Formă
-
Energie
-
Orientare spațială
Exercițiu:
Notează în tabelul de mai jos numărul de orbitali corespunzători fiecărui substrat
| Substrat | s | p | d | f |
| Nr. Orbitali |
creşte energia orbitalilor
--------------------------------------------------------->
Exemplu Fe
Fierul (Fe) este un metal tranzițional care are Z=26; repartiția celor 26 de electroni pe straturi este următoarea: K=2e-; L=8e- ; M=14e- și N=2e-.
Repartiția electronilor pe substraturi și orbitali : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d6.
- Întrebare: Reprezentați structura atomului de fier.
- Răspuns: Z = 26 A = 56
nucleu : 26 protoni + 30 neutroni
invelis electronic : 26 electroni
- Răspuns: Z = 26 A = 56
STRAT
7 straturi → 1....7; K...Q
fiecare strat electronic → unul sau mai multe substraturi
Substrat → totalitatea orbitalilor de acelasi tip
Modul de notare al stratului, substratului si al numărului de electroni:
Exemplu: 4p2
4 → numărul stratului
p → tipul substratului
2 → numărul de electroni din orbitalul p
Mg:
12Mg: 1s22s22p63s2 sau 12Mg [Ne]3s2
CONFIGURAȚIA ELECTRONICĂ A ATOMILOR DIN PERIOADELE 1, 2 ȘI 3
Perioada 1
| H (Z = 1) | 1s1 |
| He (Z = 2) |
2s2 = [He] are configurație stabilă |
Perioada 2
| Li (Z = 3) | [He] 2s1 Electronul distinctiv se află intr-un orbital s |
| Be (Z = 4) | [He] 2s2 |
| B (Z = 5) |
[He] 2s2 2p1 Electronul distinctiv se află |
| C (Z = 6) | [He] 2s2 2p2 |
| N (Z = 7) | [He] 2s2 2p3 |
| O (Z = 8) [He] | 2s2 2p4 |
| F (Z = 9) | [He] 2s2 2p5 |
| Ne (Z = 10) | [He] 2s2 2p6 = [Ne] |
Perioada 3
| Na (Z = 11) | [Ne] 3s1 |
| Mg (Z = 12) | [Ne] 3s2 |
| Al (Z = 13) | [Ne] 3s2 3p1 |
| Si (Z = 14) | [Ne] 3s2 3p2 |
| P (Z = 15) | [Ne] 3s2 3p3 |
| S (Z = 16) | [Ne] 3s2 3p4 |
| Cl (Z = 17) | [Ne] 3s2 3p5 |
| Ar (Z = 18) | [Ne] 3s2 3p6 = [Ar] |
Intr-un atom neutru numarul electronilor care compun invelisul de electroni este egal cu numarul sarcinilor positive ale nucleului( protoni) e- =p+ =Z
Numarul atomic Z indica:- numarul protonilor din nucleu
- numarul electronilor din invelis electronic
- ordinea in care se succed elementele in sistemul periodic( nr. de ordine)
Invelisul de electroni are o structura stratificata, fiind format din 7 straturi, numerotate de la nucleus pre exterior cu cifre sau cu litere. Energia straturilor creste de la stratul 1 la stratul 7, electronii tinzand sa ocupe in atom pozitiile caracterizate de energia cea mai mica.
Electron distinctiv: electronul prin care un element se deosebeste de elementul care il precede.
Electronii de valenta: electronii de pe ultimul strat. Numarul maxim de electroni pe ultimul strat este dat de relatia: Nmax.= 2*n2 (unde n reprezinta numarul stratului)
Structurile electronice stabile sunt:- dublet: 2e- pe ultimul strat, caracteristica heliului;
- octet 8 e- pe ultimul atrat, caracteristica gazelor rare( nobile)
Element chimic:- mai multi atomi de acelasi fel.
Simbol chimic:- litera sau grupul de litere cu ajutorul caruia se scrie prescurtat denumirea unui element chimic.
Chimistul si omul de stiinta rus Dmitri Ivanovici Mendeleev, a realizat prima clasificare stiintifica a elementelor, cunoscuta sub denumirea de” sistemul periodic al elementelor”. Aceste cuprinde 18 coloane verticale (grupe) si 7 siruri orizontale (perioade).
Perioada- sirul orizontal cuprins intre doua gaze rare successive.
Grupa- coloana verticala care cuprind elemente cu aceeasi configuratie electronic ape ultimul strat.
Numarul electronilor de pe ultimul strat reprezinta numarul grupei iar numarul straturilor cu electroni reprezinta numarul perioadei.
:Exercitii:
Precizează tipul fiecărui atom de carbon din următoarele catene hidrocarbonate:
a) H3C - CH2- (CH3)CH - CH2 - CH3
- conţine 3 atomi de carbon primari; 1 atom de carbon terţiar; 2 atomi de carbon secundari.
b) HC ≡ C – (CH3)CH – HC = CH2
- conţine 1 atom de carbon primar; 3 atomi de carbon terţiari; 1 atom de carbon secundar, 1 atom de carbon cuaternar.
c) H2C = C = CH – CH3
- conţine 1 atom de carbon primar; 1 atom de carbon terţiar; 1 atom de carbon secundar, 1 atom de carbon cuaternar.
- Un element X are 4 e- in stratul L. Care este numarul atomic Z al acestui element?
- Elementul A, are Z= 15. Se cere: pozitia elementului in sistemul periodic
- Se dau elementele A, B, C, cu suma numerelor atomice 31. Determinati pozitia acestor elemente in sistemul periodic stiind ca: ZA= x+1, ZB= 2x+9, iar ZC= 3x-3.
2. a. Scrieţi configuraţia electronică a atomului elementului (E), care are în învelişul electronic cu 4 electroni mai puţin decât atomul de neon.
b. Notaţi numărul straturilor complet ocupate cu electroni din învelişul electronic al atomului elementului (E).
c. Notaţi numărul electronilor necuplaţi ai atomului elementului (E). (SUBIECTUL al II-lea Subiectul D. 2) Bacalaureat 2019, Sesiune Specială)
Răspuns: a. scrierea configurației electronice a atomului elementului (E): 1s2 2s2 2p2
b. notarea numărului straturilor complet ocupate cu electroni: 1 strat
c. notarea numărului electronilor necuplați ai atomului a elementului (E): 2 electroni.
3. a. Notați numărul electronilor de valență ai atomului de magneziu.
b. Modelaţi procesul de ionizare a atomului de magneziu, utilizând simbolul elementului chimic şi puncte pentru reprezentarea electronilor.
c. Notați caracterul chimic al magneziului. (SUBIECTUL al II-lea Subiectul D. 3) Bacalaureat 2019, Sesiune Specială)
Răspuns: a. notarea numărului electronilor de valență ai atomului de magneziu: 2 electroni
b. modelarea procesului de ionizare a atomului de magneziu
c. notarea caracterului chimic al magneziului: caracter metalic (1p)
4. Precizaţi compoziţia nucleară(protoni, neutroni) pentru atomul 7332 Ge. (SUBIECTUL al II-lea Subiectul D. 1) Bacalaureat 2019, Sesiune Iunie-iulie)
Răspuns: precizarea compoziției nucleare pentru atomul 7332 Ge : 32 protoni și 41 neutroni.
5. a. Scrieţi configuraţia electronică a atomului elementului (E), care are 6 electroni în substratul 2p.
b. Determinaţi numărul atomic al elementului (E).
c. Notaţi poziţia în tabelul periodic (grupa, perioada) a elementului (E). (SUBIECTUL al II-lea Subiectul D. 2) Bacalaureat 2019, Sesiune Iunie-iulie)
Răspuns: a. scrierea configurației electronice a atomului elementului (E): 1s22s22p6 (2p)
b. determinarea numărului atomic al elementului (E): 10 (1p)
c. notarea poziţiei în tabelul periodic a elementului (E): grupa 18 (VIIIA) (1p), perioada 2 (1p)
6. a. Notați numărul electronilor de valență ai atomului de azot.
b. Modelaţi procesul de ionizare a atomului de azot, utilizând simbolul elementului chimic şi puncte pentru reprezentarea electronilor. (SUBIECTUL al II-lea Subiectul D. 3) Bacalaureat 2019, Sesiune Iunie-iulie)
Răspuns: a. notarea numărului electronilor de valență ai atomului de azot: 5 (1p)
b. modelarea procesului de ionizare a atomului de azot, utilizând simbolul elementului chimic şi puncte pentru reprezentarea electronilor (2p)
