STRUCTURA ATOMULUI

Atom - cea mai mică particulă a unui element care nu poate fi divizată prin metode chimice şi care păstreazătoate proprietăţile chimice ale elementului respectiv.

Dimensiuni: 62 pm (He) până la 520 pm (Cs)

1 pm (picometru) = 10-12m, 100 pm = 0.1 nm (nanometri) = 1 Å (angstrom) = 10-10 m

Masă: 1.67×10−27 to 4.52×10−25 kg

Explicarea proprietăţile atomilor - teoria structurii atomului, elaborându-se mai multe modele atomicecare s-au perfecţionat în timp.

Modele atomice:►precuantice;► cuantice.

Atomul - formaţiune complexă: nucleu central dens (+) în jurul căruia gravitează electroni (-).

Nucleul - alcătuit din particule elementare numite nucleoni (protoni - încărcaţi pozitiv şi neutroni – neutridin punct de vedere electric).

Sarcinile electrice ale protonilor şi electronilor sunt diferite dar egale în valoare absolută în cazul atomilorneutri.

Atomul de He este alcătuit din:► nucleu (+), compus din 2 protoni şi 2 neutroni;► doi electroni (-)

Cel mai simplu atom: H (1 proton, 2 neutroni, 1 electron)Cel mai mare atom din natură – U (92 protoni, 146 neutroni, 92 electroni).

Modelul Thomson (modelul atomic static, modelul cozonac cu stafide)

- J.J. Thomson studiază razele catodice şi descoperă că sunt alcătuite din particole mai ușoare decât

atomul de H – prima particulă subatomică identificată - electron- atomul are formă sferică, sarcina electrică pozitivă uniform distribuită în tot volumul iar electronul,

încărcat negativ, oscilează în interiorul atomului datorită câmpului electric care se creează.

A. Modelele atomice precuantice

Indicaţii timpurii ale existenţei atomilor:a) legea proporţiilor multiple – elementele se combină în multipli de numere întregi, deci

b) mișcarea browniană – observată de botanistul Robert Brown

ce studia polenul – datorată moleculelor de apă ce lovesc

grăuncioarele de polen

trebuie să fie alcătuite din unităţi discrete – atomi – teoria

atomică a lui Dalton

John Dalton - A New System of Chemical

Philosophy (1808).

Modelul Rutheford

- prin bombardarea unei foiţe de aur cu particule alfa (ioni de He2+), s-a demonstrat că particulelesunt deflectate, ceea ce nu corespunde cu teoria lui Thomson (nucleii sunt uniformi) -experimentul Geiger–Marsden. Rutheford propune un alt model al atomului – sarcina pozitivă aatomului e concentrată într-un nucleu mic în centrul atomului.

- atomii constau dintr-un nucleu central mic, dens, încărcat pozitiv înconjurat de electroni,încărcaţi negativ, care se mişcă pe orbite circulare în jurul nucleului.

Ex: atomul de Li constă dintr-un nucleu şi 3 electroni; particulele încărcate cu sarcini diferite ar trebui să seatragă prin forţe coulombiene, într-un mod asemănător cu cel în care Soarele atrage Pământul prin forţagravitaţională.

Ca urmare, electronii, în mişcarea sa în jurul nucleului emite radiaţii, pierde continuu energie, în conformitatecu teoria electromagnetismului, iar traiectoria sa devine o spirală care ar conduce la căderea electronului penucleu şi distrugerea acestuia din urmă.

Datele experimentale demonstrează că electronii nu emit radiaţii spontan şi continuu, infirmând aceastăipoteză.

B. Modele atomice cuantice

Modelul atomic Bohr are la bază concepţia nucleară a atomului elaborată de Rutherford şi concepţia cuantică asupraemisiei radiaţiei electromagnetice elaborată de Max Planck. Prin teoria sa Bohr presupune că:

► în stare staţionară (stare bine determinată în care atomii sau sistemele atomice se pot găsi timp îndelungat) electronii semişcă pe orbite specifice presupuse circulare, permise, care au energii restricţionate la anumite valori, adică suntcuantificate; energiile exacte ale orbitelor permise depind de atomul studiat; în mişcarea pe orbitele permise electronii nuemit şi nu absorb energie;

► când un electron face un salt de pe o orbită pe alta nu se aplică legile mecanicii clasice; diferenţa de energie dintre orbita curază mai mare şi cea cu rază mai mică este cedată sau acceptată prin intermediul unei singure cuante de energie(foton); nivelurile energetice spectrale corespund, conform teoriei lui Bohr, energiei electronului care se mişcă pe orbitecu raze din ce în ce mai mari;

► rangul orbitei este dat de numărul cuantic principal (n) care are valoarea cea mai mică egală cu 1. această valoare corespundecelei mai mici raze posibile cunoscută sub numele de raza Bohr şi explică de ce electronul, în mişcarea sa, nu cade penucleu şi ca urmare atomii sunt stabili.

Modelul atomic Sommerfeld - dezvoltare a modelului atomic Bohr.Analizând spectrul atomului H, Sommerfeld constată că fiecare linie spectrală este formată din mai multe linii foarte

apropiate. Aceasta dovedeşte că în atom există mai multe niveluri energetice decât cele prevăzute de teoria luiBohr. Sommerfeld a încercat să explice structura fină a liniilor spectrale admiţând că electronul parcurge înjurul nucleului nu numai traiectorii circulare ci şi traiectorii eliptice.

Spectrul de emisie al Fe

Teoria mecanic-cuantică asupra structurii atomuluiModelele atomice anterioare nu au putut calcula intensitatea liniilor spectrale şi energia atomilor multielectronici.Louis de Broglie a emis ideea dualităţii de comportare a microparticulelor. În mişcarea sa o microparticulă

(electronul), se comportă atât ca particulă cât şi ca undă.

Fiecărei particule i se asociază o undă cu λ invers proporţională cu masa (m) şi viteza particulei (v)

λ= h/mv, în care h - constanta lui Plank

Principiul de incertitudine al lui Heisenberg - elimină noţiunea de traiectorie a unei microparticule arătând că esteimposibil să se cunoască simultan atât poziţia cât şi viteza de deplasare a unei particule.

Schrödinger, având în vedere natura ondulatorie a microparticulelor, a tratat atomul ca un sistem de unde staţionareelaborând, pentru unda tridimensională asociată electronului, ecuaţia de undă a lui Schrödinger - ecuaţiafundamentală a mecanicii cuantice ce corelează caracteristicile de corpuscul ale electronului (E, m, v) cu celeondulatorii (amplitudinea vibraţiei într-un punct caracterizat de coordonatele x, y, z).

Rezolvarea ecuaţiei lui Schrödinger dă probabilitatea de a găsi o particulă cum este electronul în învelişul electronic şiconduce la o funcţie matematică numită funcţie de undă orbitală sau orbital.

În concluzie: în mecanica cuantică noţiunea de traiectorie a electronului este înlocuită cu noţiunea de probabilitate deexistenţă a electronului. Electronul este imaginat ca o particulă care se mişcă cu viteză foarte mare în spaţiul dinjurul nucleului. Atomul este imaginat ca fiind format dintr-un nucleu înconjurat de un nor electronic (orbital) care nuare graniţe precise.

Fiecare orbital se poate descrie folosind 3 numere cuantice (n, l, m) şi fiecare electron folosind 4 numere cuantice (n,l, m, ms).

Aceste 4 numere cuantice ale fiecărui electron definesc energia, orientarea în spaţiu şi interacţiunile posibile cu alţielectroni.

n = număr cuantic principal (n=1, 2, 3, 4,……., n) – se referă la energia unui electron şi indică stratul electroniccare se află la aceeaşi distanţă medie faţă de nucleu. Energia electronilor creşte în sensul îndepărtării de nucleu astfelcă cea mai mare energie o au electronii de pe ultimul strat. Electronii care aparţin aceluiaşi strat electronic au aceeaşienergie. Straturile electronice sunt reprezentate simbolic prin cifre sau litere ale alfabetului, în ordine crescătoaredinspre nucleu spre exterior:

n = 1 2 3 4 5 6 7K L M N O P Q

l = număr cuantic secundar (l=0, 1, 2, ……….n-1) – indică forma substraturilor. Electronii care au acelaşi numărcuantic secundar alcătuiesc un substrat. Orbitalii aceluiaşi substrat au energii egale. Diferenţa dintre aceştia constă însimetria în raport cu axele de coordonate. Subnivelurile energetice se desemnează prin simboluri:

Electronii cu l=0 - orbitali s; l=1 p; l=2 d; l=3 f;

Subnivelul s conţine un orbital, subnivelul p - 3 orbitali, subnivelul d - 5 orbitali, subnivelul f - 7 orbitali. Fiecaredintre orbitali poate să fie ocupat sau nu cu electroni. Energia creşte în ordinea:

s < p < d < f.

m = număr cuantic magnetic (poate lua 2l+1 valori care variază între –l şi +l) – indică poziţia orbitei electronice într-un câmp magnetic, adică cele 2l+1 orientări posibile ale orbitelor electronilor într-un câmp magnetic aplicat dinexterior (perturbator) sau generat de alţi electroni. Este o mărime cuantificată şi ne arată unghiul de înclinare alorbitelor faţă de câmpul magnetic.

ms = număr cuantic de spin (ms=±1/2) – indică faptul că electronul se roteşte în jurul axei proprii. În funcţie de sensulde rotaţie numărul cuantic de spin are valorile –1/2 şi +1/2.