Powłoka elektronowa - Electron shell

W chemicznych i fizycznych atomowej An powłoka elektronowa może być traktowane jako orbity następnie elektronów wokół atomu „s jądra . Powłoka najbliżej jądra nazywana jest „ powłoką 1 ” (nazywaną również „powłoką K”), po której następuje „ powłoka 2 ” (lub „powłoka L”), a następnie „ powłoka 3 ” (lub „powłoka M” ) i tak dalej coraz dalej od jądra. Powłoki odpowiadają głównym liczbom kwantowym ( n = 1, 2, 3, 4 ...) lub są oznaczone alfabetycznie literami używanymi w notacji rentgenowskiej (K, L, M, …).

Każda powłoka może zawierać tylko ustaloną liczbę elektronów: pierwsza powłoka może pomieścić do dwóch elektronów, druga powłoka może pomieścić do ośmiu (2+6) elektronów, trzecia powłoka może pomieścić do 18 (2+6+10) ) i tak dalej. Ogólny wzór jest taki, że n- ta powłoka może w zasadzie pomieścić do 2 ( n 2 ) elektronów. Wyjaśnienie, dlaczego elektrony istnieją w tych powłokach, patrz konfiguracja elektronowa .

Każda powłoka składa się z jednej lub więcej podpowłok , a każda podpowłoka z jednego lub więcej orbitali atomowych .

Historia

Terminologia powłoki pochodzi z modyfikacji modelu Bohra dokonanej przez Arnolda Sommerfelda . Sommerfeld zachował model planetarny Bohra, ale dodał lekko eliptyczne orbity (charakteryzujące się dodatkowymi liczbami kwantowymi i m ), aby wyjaśnić drobną strukturę spektroskopową niektórych pierwiastków. Wielokrotne elektrony o tej samej głównej liczbie kwantowej ( n ) miały bliskie orbity, które tworzyły „powłokę” o dodatniej grubości zamiast nieskończenie cienkiej, kołowej orbity modelu Bohra.

Obecność powłok elektronowych zaobserwowano najpierw doświadczalnie Charles Barkla „S Henry Moseley ” S rentgenowskich badań absorpcji. Barkla oznaczył je literami K, L, M, N, O, P i Q. Pochodzenie tej terminologii było alfabetyczne. Podejrzewano również serię „J”, chociaż późniejsze eksperymenty wykazały, że linie absorpcji K są wytwarzane przez najbardziej wewnętrzne elektrony. Później okazało się, że litery te odpowiadają wartościom n 1, 2, 3 itd. Są one używane w spektroskopowej notacji Siegbahn .

Podpowłoki

Widoki 3D niektórych orbitali atomowych podobnych do wodoru, ukazujące gęstość prawdopodobieństwa i fazę ( nie pokazano orbitali g i wyższych).

Każda powłoka składa się z jednej lub więcej podpowłok, które same składają się z orbitali atomowych . Na przykład pierwsza powłoka (K) ma jedną podpowłokę o nazwie 1s ; druga powłoka (L) ma dwie podpowłoki, nazwane 2s i 2p ; trzecia powłoka ma 3s , 3p i 3d ; czwarta powłoka ma 4s , 4p , 4d i 4f ; piąta powłoka ma 5s , 5p , 5d i 5f i teoretycznie może pomieścić więcej w podpowłoce 5g, która nie jest zajęta w konfiguracji elektronowej stanu podstawowego żadnego znanego pierwiastka. W poniższej tabeli przedstawiono różne możliwe podpowłoki:

Etykieta podpowłoki Maksymalna liczba elektronów Zawierające go muszle Nazwa historyczna
s 0 2 Każda muszla  s harfa
P 1 6 2. powłoka i wyższa  p rincipal
D 2 10 3. powłoka i wyższa  d iffuse
F 3 14 4. powłoka i wyższa  f undamental
g 4 18 5. powłoka i wyższa (teoretycznie) (następna w alfabecie po f )
  • Pierwsza kolumna to „etykieta podpowłoki”, etykieta pisana małymi literami dla typu podpowłoki. Na przykład „ podpowłoka 4s ” jest podpowłoką czwartej (N) powłoki, o typie ( s ) opisanym w pierwszym wierszu.
  • Druga kolumna to azymutalna liczba kwantowa (ℓ) podpowłoki. Dokładna definicja obejmuje mechanikę kwantową , ale jest to liczba, która charakteryzuje podpowłokę.
  • Trzecia kolumna to maksymalna liczba elektronów, które można umieścić w podpowłoce tego typu. Na przykład górny wiersz mówi, że każda podpowłoka typu s ( 1s , 2s itd.) może zawierać co najwyżej dwa elektrony. W każdym przypadku cyfra jest o 4 większa niż ta powyżej.
  • Czwarta kolumna mówi, które pociski mają podpowłokę tego typu. Na przykład, patrząc na dwa górne wiersze, każda powłoka ma podpowłokę s , podczas gdy tylko druga i wyższa powłoka ma podpowłokę p (tj. nie ma podpowłoki „1p”).
  • Ostatnia kolumna podaje historyczne pochodzenie etykiet s , p , d i f . Pochodzą z wczesnych badań atomowych linii widmowych . Pozostałe etykiety, a mianowicie g , h oraz i , są alfabetyczną kontynuacją po ostatniej historycznie pocho- dzącej etykiecie f .

Liczba elektronów w każdej powłoce

Każda podpowłoka jest ograniczona do przechowywania co najwyżej 4 + 2 elektronów, a mianowicie:

  • Każda podpowłoka s zawiera co najwyżej 2 elektrony
  • Każda podpowłoka p zawiera co najwyżej 6 elektronów
  • Każda podpowłoka d zawiera co najwyżej 10 elektronów
  • Każda podpowłoka f zawiera co najwyżej 14 elektronów
  • Każda podpowłoka g zawiera co najwyżej 18 elektronów

Dlatego powłoka K, która zawiera tylko podpowłokę s , może pomieścić do 2 elektronów; powłoka L, która zawiera s i p , może pomieścić do 2 + 6 = 8 elektronów i tak dalej; ogólnie rzecz biorąc, n- ta powłoka może pomieścić do 2 n 2 elektronów.


Nazwa powłoki

Nazwa podpowłoki

Maksymalna liczba
elektronów podpowłoki

Maksymalna liczba
elektronów powłoki
K 1s 2 2
L 2s 2 2 + 6 = 8
2p 6
m 3s 2 2 + 6 + 10
= 18
3p 6
3d 10
n 4s 2 2 + 6 +
10 + 14
= 32
4p 6
4d 10
4f 14
O 5s 2 2 + 6 +
10 + 14 +
18 = 50
5p 6
5d 10
5f 14
5g 18

Chociaż ten wzór daje w zasadzie maksimum, w rzeczywistości maksimum jest osiągane (przez znane elementy) tylko dla pierwszych czterech powłok (K, L, M, N). Żaden znany pierwiastek nie ma więcej niż 32 elektrony w jednej powłoce. Dzieje się tak, ponieważ podpowłoki są wypełnione zgodnie z zasadą Aufbau . Pierwsze elementy posiadają więcej niż 32 elektronów w jednej powłoce, że należące do G-bloków w okresie 8 do okresowego . Te pierwiastki miałyby trochę elektronów w swojej podpowłoce 5g, a zatem miałyby więcej niż 32 elektrony w powłoce O (piąta powłoka główna).

Energie podpowłoki i kolejność wypełniania

Dla atomów wieloelektronowych n jest słabym wskaźnikiem energii elektronu. Widma energetyczne niektórych muszli przeplatają się.
Stany przekreślone tą samą czerwoną strzałką mają tę samą wartość. Kierunek czerwonej strzałki wskazuje kolejność wypełniania stanu.

Chociaż czasami mówi się, że wszystkie elektrony w powłoce mają tę samą energię, jest to przybliżenie. Jednak elektrony w jednej podpowłoce mają dokładnie ten sam poziom energii, przy czym późniejsze podpowłoki mają więcej energii na elektron niż wcześniejsze. Efekt ten jest na tyle duży, że zakresy energii związane z pociskami mogą się nakładać.

Wypełnianie powłok i podpowłok elektronami przebiega od podpowłok o niższej energii do podpowłok o wyższej energii. Wynika to z reguły n + ℓ, która jest również powszechnie znana jako reguła Madelunga. Podpowłoki o niższej wartości n + ℓ są wypełniane przed podpowłokami o wyższych wartościach n + ℓ . W przypadku równych wartości n + ℓ podpowłoka z mniejszą wartością n jest wypełniana jako pierwsza.

Lista pierwiastków z elektronami na powłokę

Poniższa lista zawiera pierwiastki uporządkowane według rosnącej liczby atomowej i pokazuje liczbę elektronów na powłokę. Na pierwszy rzut oka podzbiory listy pokazują oczywiste wzorce. W szczególności każdy zestaw pięciu elementów (w  błękit elektryczny ) przed każdym gazem szlachetnym (grupa 18, in  żółty ) cięższy od helu ma w zewnętrznej powłoce kolejne liczby elektronów, mianowicie od trzech do siedmiu.

Sortowanie tabeli według grup chemicznych pokazuje dodatkowe wzorce, zwłaszcza w odniesieniu do dwóch ostatnich zewnętrznych powłok. (Elementy 57 do 71 należą do lantanowców , a 89 do 103 do aktynowców .)

Poniższa lista jest przede wszystkim zgodna z zasadą Aufbau . Istnieje jednak szereg wyjątków od reguły; na przykład pallad (liczba atomowa 46) nie ma elektronów w piątej powłoce, w przeciwieństwie do innych atomów o niższej liczbie atomowej. Niektóre wpisy w tabeli są niepewne, gdy dane eksperymentalne są niedostępne. (Na przykład pierwiastki po 108 mają tak krótkie okresy półtrwania, że ich konfiguracje elektronowe nie zostały jeszcze zmierzone.)

Z Element Liczba elektronów/powłokę Grupa
1 Wodór 1 1
2 Hel 2 18
3 Lit 2, 1 1
4 Beryl 2, 2 2
5 Bor 2, 3 13
6 Węgiel 2, 4 14
7 Azot 2, 5 15
8 Tlen 2, 6 16
9 Fluor 2, 7 17
10 Neon 2, 8 18
11 Sód 2, 8, 1 1
12 Magnez 2, 8, 2 2
13 Aluminium 2, 8, 3 13
14 Krzem 2, 8, 4 14
15 Fosfor 2, 8, 5 15
16 Siarka 2, 8, 6 16
17 Chlor 2, 8, 7 17
18 Argon 2, 8, 8 18
19 Potas 2, 8, 8, 1 1
20 Wapń 2, 8, 8, 2 2
21 Skand 2, 8, 9, 2 3
22 Tytan 2, 8, 10, 2 4
23 Wanad 2, 8, 11, 2 5
24 Chrom 2, 8, 13, 1 6
25 Mangan 2, 8, 13, 2 7
26 Żelazo 2, 8, 14, 2 8
27 Kobalt 2, 8, 15, 2 9
28 Nikiel 2, 8, 16, 2 10
29 Miedź 2, 8, 18, 1 11
30 Cynk 2, 8, 18, 2 12
31 Gal 2, 8, 18, 3 13
32 German 2, 8, 18, 4 14
33 Arsen 2, 8, 18, 5 15
34 Selen 2, 8, 18, 6 16
35 Brom 2, 8, 18, 7 17
36 Krypton 2, 8, 18, 8 18
37 Rubid 2, 8, 18, 8, 1 1
38 Stront 2, 8, 18, 8, 2 2
39 Itr 2, 8, 18, 9, 2 3
40 Cyrkon 2, 8, 18, 10, 2 4
41 Niob 2, 8, 18, 12, 1 5
42 Molibden 2, 8, 18, 13, 1 6
43 Technet 2, 8, 18, 13, 2 7
44 Ruten 2, 8, 18, 15, 1 8
45 Rod 2, 8, 18, 16, 1 9
46 Paladium 2, 8, 18, 18 10
47 Srebro 2, 8, 18, 18, 1 11
48 Kadm 2, 8, 18, 18, 2 12
49 Ind 2, 8, 18, 18, 3 13
50 Cyna 2, 8, 18, 18, 4 14
51 Antymon 2, 8, 18, 18, 5 15
52 Tellur 2, 8, 18, 18, 6 16
53 Jod 2, 8, 18, 18, 7 17
54 Ksenon 2, 8, 18, 18, 8 18
55 Cez 2, 8, 18, 18, 8, 1 1
56 Bar 2, 8, 18, 18, 8, 2 2
57 Lantan 2, 8, 18, 18, 9, 2
58 Cer 2, 8, 18, 19, 9, 2
59 Prazeodym 2, 8, 18, 21, 8, 2
60 Neodym 2, 8, 18, 22, 8, 2
61 promet 2, 8, 18, 23, 8, 2
62 Samar 2, 8, 18, 24, 8, 2
63 Europ 2, 8, 18, 25, 8, 2
64 Gadolin 2, 8, 18, 25, 9, 2
65 Terb 2, 8, 18, 27, 8, 2
66 Dysproz 2, 8, 18, 28, 8, 2
67 Holmium 2, 8, 18, 29, 8, 2
68 Erb 2, 8, 18, 30, 8, 2
69 Tul 2, 8, 18, 31, 8, 2
70 Iterb 2, 8, 18, 32, 8, 2
71 Lutet 2, 8, 18, 32, 9, 2 3
72 Hafn 2, 8, 18, 32, 10, 2 4
73 Tantal 2, 8, 18, 32, 11, 2 5
74 Wolfram 2, 8, 18, 32, 12, 2 6
75 Ren 2, 8, 18, 32, 13, 2 7
76 Osm 2, 8, 18, 32, 14, 2 8
77 Iryd 2, 8, 18, 32, 15, 2 9
78 Platyna 2, 8, 18, 32, 17, 1 10
79 Złoto 2, 8, 18, 32, 18, 1 11
80 Rtęć 2, 8, 18, 32, 18, 2 12
81 Tal 2, 8, 18, 32, 18, 3 13
82 Prowadzić 2, 8, 18, 32, 18, 4 14
83 Bizmut 2, 8, 18, 32, 18, 5 15
84 Polon 2, 8, 18, 32, 18, 6 16
85 Astatin 2, 8, 18, 32, 18, 7 17
86 Radon 2, 8, 18, 32, 18, 8 18
87 Francium 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 1
88 Rad 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 2
89 Aktyn 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
90 Tor 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
91 Protaktyn 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
92 Uran 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
93 Neptun 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94 Pluton 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95 Ameryk 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96 Kiur 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 Berkel 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98 Kaliforn 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99 Einsteina 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100 Ferm 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101 Mendelew 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102 Nobel 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103 Wawrzyńca 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 3
104 Rutherford 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 4
105 Dubnium 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 5
106 Seaborgium 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2 6
107 Bohrium 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 7
108 Hass 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2 8
109 Meitnerium 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 (?) 9
110 Darmsztadt 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 (?) 10
111 Rentgen 2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (?) 11
112 Kopernik 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (?) 12
113 Nihon 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 (?) 13
114 Flerow 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (?) 14
115 Moskwa 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 (?) 15
116 Livermorium 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (?) 16
117 Tennessine 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (?) 17
118 Oganesson 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (?) 18

Zobacz też

Bibliografia