Modele atomice

1. Modelul static al atomului (Thomson)

2. Modelul dinamic (planetar) al atomului (Rutherford)

3. Modelul atomic al lui Bohr

J.J. Thomson (1904) a elaborat primul model al atomului. El explica static aşezarea electronilor: într-o masă pozitivă de dimensiunile atomului se află dispuşi electronii după vârfurile unor figuri geometrice. Aşezarea lor este dictată de respingerea electrostatică dintre ei şi de atragerea lor de către masa pozitivă în care se află. În modelul static, atomul era încă sferic, cu masa aşezată uniform, în care se aflau şi electronii, a căror apartenenţă la atom fusese dovedită. Natura exactă a sarcinii pozitive nu era clarificată, ea fiind împrăştiată omogen în volumul sferic al atomului (asemănat cu un material vâscos de consistenţa jeleului).

Sir Joseph John Thomson

1. Modelul static al atomului (Thomson)

Experimentele anterioare au dus la concluzia că atomii sunt constituiţi din electroni negativi de masă foarte mică şi sarcini pozitive purtate de fracţiunea mai mare a masei atomice.

Dacă atomul conţine 3 electroni, aceştia vor fi repartizaţi în vârfurile unui triunghi echilateral, această aşezare corespunzând poziţiei de echilibru, dată de energia minimă a interacţiunii electrostatice.

Modelul atomic al lui Thomson, fiind total în acord cu teoria electromagnetică clasică, a fost acceptat de contemporani, dar pentru scurt timp. Orice încercare de a corela pe acest model frecvenţele radiaţiilor electromagnetice emise de atomi cu cele experimentale au eşuat.

Modelul static nu a explicat fenomenul de radioactivitate naturală, dar a stat la baza primelor încercări de a explica sistemul periodic şi reacţiile chimice care decurg cu transfer de electroni (redox).

2. Modelul dinamic (planetar) al atomului (Rutherford)

Ernest Rutherford

Conform acestui model, atomii sunt constituiţi dintr-un nucleu central mic şi de densitate egală cu 1012 g/cm3, încărcat cu electricitate pozitivă care conţine aproape întreaga masă a atomului.

Sarcina electrică a nucleului este numeric egală şi de semn contrar cu suma sarcinilor tuturor electronilor din atom.

Între electroni şi nucleu acţionează forţe de atracţie de natură coulombiană. Electronii se mişcă în jurul nucleului pe orbite circulare sau eliptice, astfel încât forţa centrifugă să echilibreze atracţia nucleului.

Pe baza cercetării difuziei particulelor , Rutherford a ajuns la concluzia că structura atomului se aseamănă cu structura sistemului solar.

Datom =10 –10 m; Dnucleu = 10 –14 m; Delectron = 10 –18 m

electron in mişcare accelerată

nucleu

radiatii

radiatii

Conform legilor electrodinamicii clasice:

Modelul planetar este instabil conform legilor electrodinamicii clasice, datorită faptului că electronii, ca orice particulă încărcată electric care se mişcă accelerat, ar trebui să piardă energie sub formă de radiaţii electromagnetice, viteza lor şi forţa centrifugă ar trebui să scadă iar în final electronii ar trebui să fie atraşi şi captaţi de nucleu. În realitate însă, electronii rămân pe orbite, atomul este stabil şi nu emite continuu unde electromagnetice.

3. Modelul atomic al lui Bohr

Niels Henrik David Bohr Max Planck

Idei preluate din modelele precedente:- modelul lui Thomson - configuraţii stabile ale electronilor;- modelul planetar - un atom în care se disting un nucleu central şi un înveliş electronic, constituit din orbite pe care se mişcă electronii. Grefând cuanta elementară de acţiune a lui Planck în modelul planetar, Bohr putea explica stabilitatea atomilor şi mecanismul de formare al spectrelor atomice de emisie.

Niels Bohr, pe baza modelului planetar al lui Rutherford şi pe baza unor date experimentale şi a cunoştinţelor acumulate prin studiul luminii emise de atomii excitaţi cu ajutorul temperaturii , a conceput în 1913 modelul atomului de hidrogen, pornind de la legile fizicii clasice pe care le-a completat cu teoriile cuantice ale lui Max Plank.

I. Mişcarea electronilor în jurul nucleului nu se poate efectua pe orice orbite, ci numai pe anumite orbite circulare stabile, numite staţionare sau permise, ce corespund unei anumite energii determinate cinetic.

Postulatele lui Bohr

II.Trecerea electronilor de pe o orbită pe alta este însoţită de o variaţie a energiei lor, cu emisie sau absorbţie de energie radiantă, după cum saltul se face spre interiorul sau exteriorul atomului. Această energie este egală cu energia fotonului emis sau absorbit: Efinală - Einiţială = h

II.Trecerea electronilor de pe o orbită pe alta este însoţită de o variaţie a energiei lor, cu emisie sau absorbţie de energie radiantă, după cum saltul se face spre interiorul sau exteriorul atomului. Această energie este egală cu energia fotonului emis sau absorbit: Efinală - Einiţială = h

Conform acestui postulat, numit şi mecanic, electronii se mişcă pe orbitele permise fără pierderi de energie, fără să iradieze lumină. Pentru fiecare electron al atomului sunt permise mai multe orbite stabile, fiecare determinând o stare staţionară sau un nivel de energie al electronului sau atomului.

Acest postulat este numit şi condiţia de radiaţie sau postulat optic. Conform lui, nu orice radiaţie poate fi emisă sau absorbită, ci numai radiaţiile a căror frecvenţă satisface relaţia:

h

EE initialfinal

h este constanta lui Plank şi este egală cu 6,63 10 –34 Js .

Salturile electronilor pe orbitele staţionare

Modelul atomic al lui Bohr nu poate fi extins la atomii polielectronici, nici chiar la cel de heliu, cu doar doi electroni.

Când electronul absoarbe energie, trece pe o orbită mai îndepărtată de nucleu (E2, cu un număr cuantic principal mai mare). El are tendinţa să revină pe orbita iniţială (E1), fie brusc, fie în etape, cu emisie de energie

Orbitali atomici

Funcţiile de undă orbitale sau, mai simplu, orbitalii, definesc fiecare câte o stare posibilă a electronului în atom, caracterizată prin energia şi geometria ei.

Mecanica cuantică descrie mişcarea electronilor în jurul nucleului prin atribuirea unei funcţii de undă (), dependentă de poziţia electronului în spaţiul din jurul nucleului şi de timp.

Valori ale numerelor cuanticeNumăr orbitali pentru

o valoare a lui lNumăr orbitali pentru

o valoare a lui n

n l m 2 l + 1 n2

1 0 0 1 1

20 0 1

41 -1,0,+1 3

3

0 0 1

91 -1,0,+1 3

2 -2,-1,0,+1,+2 5

Numere cuantice: principal - n = 1, 2, 3, 4,.....secundar - l = 0, 1,....., (n - 1)magnetic - ml = (2 l + 1) valori = (2l + 1) sau ml = -l, 0, l

de spin - s = pentru fiecare valoare ml, s poate lua două valori : (-1/2 ) şi

(+1/2)

Există patru tipuri de orbitali:

a) orbitalii s – au simetrie sferică, cu nucleul în centrul sferei. Se caracterizează prin numărul cuantic secundar l = 0. În fiecare strat electronic există câte un orbital s.

b) orbitalii p – sunt compuşi din doi lobi identici, repartizaţi simetric de ambele părţi ale unui plan nodal în care este situat nucleul atomic. Există trei orbitali p (în funcţie de cele trei valori ale numărului cuantic magnetic m = -1, 0, +1, distribuiţi de-a lungul a trei axe perpendiculare, cu nucleul în originea axelor. Se caracterizează prin numărul cuantic secundar l = 1. Ei apar începând cu nivelul n = 2.

c) orbitalii d – sunt caracterizaţi de numărul cuantic secundar l = 2. Apar două planuri nodale perpendiculare între ele pentru fiecare orbital d şi în consecinţă, apar patru lobi. Deoarece numărul cuantic magnetic ia cinci valori (-2,-1,0,+1,+2), rezultă cinci orbitali de tip d.

d) orbitalii f - sunt caracterizaţi de numărul cuantic secundar l = 3; apar numai în straturile cu n = 4,5,6,7.

Numărul cuantic magnetic admite şapte valori (-3,-2,-1,0,+1,+2,+3), care determină şapte orbitali. Existenţa a trei planuri nodale duce la apariţia a 8 lobi, orientaţi în spaţiu după colţurile unui cub.

Distribuţia electronilor pe nivelele energetice ale atomilorReguli de completare a straturilor şi substraturilor electronice

1.Regula lui Klecikovsky (regula sumei n + l)

Electronii unui atom se vor plasa mai întâi în acei orbitali atomici care au energia cea mai joasă. Această energie este determinată doar de numerele cuantice principal şi secundar. Orbitalii aceluiaşi substrat, care au acelaşi n şi l au aceeaşi energie.

Observaţie: pentru valori egale ale sumei, energia mai mică îi revine subnivelului care aparţine la rândul său nivelului energetic caracterizat prin cea mai mică valoare a numărului cuantic principal n.

Ordinea succesiunii straturilor şi substraturilor se stabileşte conform sumei (n+l) minime. Subnivelele energetice se dispun în ordinea crescătoare a valorii acestei sume.

Orbitalii tuturor elementelor sunt constituiţi după acelaşi principiu ca atomul de hidrogen. Deosebirea constă în faptul că la hidrogen, orbitalii au acelaşi număr cuantic principal n şi au energie egală, iar la atomii multielectronici, orbitalii s, p, d, f au energii diferite.

Configuraţia electronică a unui element reprezintă dispunerea electronilor dintr-un atom al acestui element în orbitali atomici, într-o ordine bine stabilită.

n 1 2 3 4 5 6

l

0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5

s s p s p d s p d f s p d f g s p d f g h

n+l 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 9 6 7 8 9 10 11

Ordinea de completare a straturilor şi substraturilor va fi:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s, 5g, 6f, 7d, 8p.

Exceptii: -elementul Z = 57 (La), unde, după ocuparea orbitalului 6s cu doi

electroni, următorul electron se plasează în orbitalul 5d şi abia la următoarele elemente începe ocuparea cu electroni a orbitalilor 4f;

-la elementul analog lantanului, actiniul (Z = 89), unde electronul se plasează întâi în orbitalul 6d şi numai după aceea se ocupă orbitalul 5f.

2. Regula tablei de şah

Pe o tablă imaginară se trec pe diagonală subnivelele s, apoi tot pe diagonală, spre stânga, subnivelele p etc. Completarea cu electroni are loc în ordinea ce apare pe orizontală

s - sharp; p - principal; d - difuse; f - fundamental.

Iniţialele caracteristice straturilor şi substraturilor electronice provin de la denumirile seriilor spectrale din structura metalelor alcaline:

apoi urmează litere în ordinea alfabetică : g, h, i etc

3. Principiul lui Pauli (principiul excluziunii)

Intr-un orbital pot exista doi electroni doar dacă au spin opus. Cei doi electroni au numerele cuantice principale, secundare şi magnetice identice, dar diferă prin numărul cuantic de spin.

4. Regula lui Hund sau regula multiplicităţii

Orbitalii cu energie egală se ocupă întâi cu câte un electron cu spin paralel, apoi cu cel de-al doilea electron, cu spin opus. Semiocuparea orbitalilor de acelaşi tip conduce la o configuraţie electronică stabilă.

Stabilitatea cea mai mare se obţine în cazul în care toţi electronii sunt cuplaţi într-un subnivel.

Numărul electronilor (Z) cu care se poate ocupa un strat va fi dublul sumei (2l+1), în care l ia valori de la 1 la (n-1). (2l+1) este suma primelor n numere naturale impare, a cărei valoare este n2.

Z = 2 (2l+1) , deci Z = 2 n2.Exemplu: n = 1 ; Z = 2 12 ; Z = 2 - prima perioadă conţine două elemente; n = 2 ; Z = 2 22 ; Z = 8 - a doua perioadă conţine opt elemente. n = 3 ; Z = 2 32 ; Z = 18 - a treia perioadă conţine optsprezece

elemente etc.