Fő tartalom
Kémia
Tantárgy/kurzus: Kémia > 3. témakör
4. lecke: Elektronkonfiguráció- Elektronhéjak, elektronalhéjak és elektronpályák
- Ismerkedés az atomok elektronszerkezetével
- Nemesgázszerkezet
- Elektronkonfigurációk az első periódusban
- A második periódus atomjainak elektronszerkezete
- A harmadik és negyedik periódus atomjainak elektronszerkezete
- A 3d mező átmenetifémeinek elektronszerkezete
- Elektronkonfiguráció
- Az atompályák betöltődési sorrendje (Aufbau-elv)
- Vegyértékelektronok
- Vegyértékelektronok és ionos vegyületek
- Vegyértékelektronok és ionos vegyületek
- Atomszerkezet és elektronkonfiguráció
- Bevezetés a fotoelektron-spektroszkópiába
- Fotoelektron-spektroszkópia
- Fotoelektron-spektroszkópia
© 2023 Khan AcademyFelhasználási feltételekAdatkezelési tájékoztatóSüti figyelmeztetés
Fotoelektron-spektroszkópia
Főbb pontok
- A fotoelektron-spektroszkópia (angol rövidítéssel PES) egy kísérleti módszer, amellyel meghatározhatók atomok és molekulák különböző elektronjaihoz tartozó ionizációs energiák.
- A fotoelektron-spektrométerekben nagy energiájú sugárzást (pl. ultraibolya fényt vagy röntgenugárzást) alkalmaznak elektronok kilépésének előidézésére, és megmérik a kilépő elektronok kinetikus energiáját (
). - A besugárzással érkező fotonok energiájának (
) és a kilépő fotoelektronok kinetikus energiájának ( ) különbsége megadja az egyes elektronok ionizációs energiáját ( ) az alábbi egyenletnek megfelelően: - A fotoelektron-spektrum (angol nevének rövidítésével PES spektrum) egy olyan diagram, amelyen a detektált fotoelektronok száma látszik az ionizációs energia függvényében.
- A PES spektrum csúcsai a különböző alhéjakon lévő elektronokhoz tartozó ionizációs energiáknak felelnek meg. A legkisebb energiájú csúcsok a vegyértékelektronoknak, míg az ezeknél nagyobb energiájúak a törzselektronoknak felelnek meg.
Bevezetés: Mi a fotoelektron-spektroszkópia?
A fotoelektron-spektroszkópia (PES) egy kísérleti módszer, amellyel meg lehet mérni atomok és molekulák különböző elektronjaihoz tartozó ionizációs energiákat. A tudományos kutatók gyakran alkalmazzák ezt a módszert anyagminták elemi összetételének meghatározására, illetve molekulán belüli kötési energiák meghatározására is. Ebben a tananyagban azonban a PES módszernek azokkal a vonatkozásaival foglalkozunk csak, amelyek segítségével mélyebben megérthetjük az atomok szerkezetét. Ehhez tiszta elemi minták fotoelektron-spektrumait tárgyaljuk, és megvizsgáljuk többek között azt, milyen közvetlen bizonyítékát adják ezek az elektronhéjak és alhéjak elméletének, valamint az elektronkonfigurációnak.
A fotoelektron-spektroszkópia alapjai
A fotoelektron-spektroszkópia a fotoeffektuson (más néven fényelektromos hatáson) alapul, amely fizikai folyamatot elméletileg először Albert Einstein értelmezte 1905-ben. A fotoeffektus az a jelenség, amikor valamely fémben lévő elektronok megfelelő fotonenergiájú sugárzás hatására kilépnek a fémből. (Ezeket nevezzük fotoelektronoknak.) Ha ismerjük a kilépő fotoelektronok energiáját és a belépő fotonok energiáját, kiszámíthatjuk azt az energiát, ami az elektronoknak a fémből történő kilépéséhez szükséges. Ezt nevezzük kilépési munkának. (További részleteket erről ebben a tananyagban találsz.)
A fotoelektron-spektroszkópia a fotoeffektus alkalmazása fémek helyett szabad atomokra, illetve molekulákra. A PES módszer alkalmazásakor a mintát nagy energiájú sugárzással, általában ultraibolya- vagy röngensugárzással „bombázzák”, aminek hatására a mintából elektronok lépnek ki. A mintából kilépő elektronok energia-analizátoron haladnak át, amely meghatározza azok kinetikus energiáját, majd egy detektorba érkeznek, amely meghatározza az adott kinetikus energiájú elektronok számát. Az alábbi ábrán a kapott eredmények egyszerűsített diagramja látható.
A fotonenergiának azt a részét, amely ahhoz szükséges, hogy kiszabadítsuk az elektront az atombeli pályájáról, ionizációs energiának, ritkábban használt nevén az elektron kötési energiájának nevezzük. A besugárzott fotonok energiáját ( ) ismerjük, így ha megmérjük a kilépő fotoelektronok kinetikus energiáját ( ), meghatározhatjuk a hozzájuk tartozó ionizációs energiát ( ).
Az atomban kötött elektronok ionizációs energiája függ azoknak az atommag körül elfoglalt helyzetétől. A legkülső elektronhéjon lévő elektronok (a vegyértékelektronok) jobban leárnyékoltak és messzebb is vannak az atommagtól, így ezek ionizációs energiája a legkisebb. Ezzel szemben a belső elektronhéjakon lévő elektronok (a törzselektronok) kevésbé vannak leárnyékolva és közelebb is vannak az atommaghoz, ezért ezeknek nagyobb az ionizációs energiája. Amint a következő szakaszban olvashatjuk, ennek a megértése elengedhetetlen a fotoelektron-spektrumok értelmezéséhez.
A PES spektrumok értelmezése
A PES kísérletek eredményeit egy olyan diagramon ábrázolhatjuk, amelyen a detektált fotoelektronok száma látható azok mért ionizációs energiájának függvényében. Az energiát általában elektronvolt ( ), vagy megajoule/mol ( ) egységben fejezzük ki. A könnyebb átláthatóság kedvéért elemek esetében a PES adatait gyakran az ionizációs energia csökkenése függvényében szokás feltüntetni a vízszintes tengelyen jobbfelé haladva, ami azt sugallja, hogy az origóban van az atommag.
A szokásos PES spektrumokon a különböző ionizációs energiáknál egy csúcsot láthatunk. Mivel adott alhéjon az elektronok ionizációs energiája azonos, ezért a csúcsok mindig egy adott alhéjnak felelnek meg. Az ionizációs energia azt jelenti, hogy ekkora energia szükséges egy elektron kiszabadításához az adott alhéjról. A csúcsmagasság pedig arról hordoz információt, hogy hány elektron van az adott alhéjon.
A leírtak szemléltetésére nézzünk meg egy konkrét fotoelektron-spektrumot. A spektrumok a valóságban elég bonyolultan néznek ki, azok értelmezése gyakran nagyon nehéz a hozzá nem értők számára, ezért a következőkben olyan idealizált spektrumokat vizsgálunk, amelyek úgy lettek leegyszerűsítve, hogy könnyen érthetők legyenek.
A lítium PES spektruma
Tekintsük először a lítium idealizált spektrumát. Emlékeztetésképpen: a lítium alapállapotú elektronkonfigurációja .
.
A fenti PES spektrumban két csúcs látható, amelyek a lítium különböző alhéjának ( és ) elektronjaihoz tartoznak. A diagram elejéhez közelebbi csúcs kétszer akkora, mint a távolabbi. A lítium alhéján kétszer annyi elektron van, mint a alhéján ( vs. ), így a diagram elejéhez közelebbi csúcs az alhéjon lévő elektronoknak felel meg.
A fenti megállapításokkal összhangban van az elektronok ionizációs energiája is. Mint tudjuk, a lítium alhéján lévő elektronok közelebb vannak az atommaghoz, és kevésbé leárnyékoltak, mint a alhéjon lévők, emiatt az alhéjon lévők kiszabadítása az atomból nagyobb energiát igényel. Ezzel összhangban az elektronokhoz tartozó csúcs nagyobb energiánál található.
Megjegyezzük itt, hogy a alhéj első ionizációs energiája (ami az egyik elektron kiszabadításához kell) nem azonos a második ott lévő elektron ionizációs energiájával, miután az egyedül marad az alhéjon. Az első elektron kiszabadítása után ugyanis a maradék egy elektront az atommag erősebben vonzza, így annak kiszabadításához nagyobb energiára van szükség.
Az oxigén PES spektruma
A következőkben nézzük meg, mi a helyzet egy több elektront tartalmazó atom esetében. Alább példaként az oxigén ( ) idealizált PES spektruma látható. Emlékeztetésképpen: az oxigénatom alapállapotú elektronkonfigurációja .
Ebben a spektrumban három csúcs található, amelyek az oxigénatom három alhéjának ( , , vagy ) valamelyikéből származó elektronokhoz rendelhetők. A legnagyobb energiánál látható bal szélső csúcsot az alhéj elektronjaihoz rendelhetjük, mivel ezek vannak a legközelebb az atommaghoz, valamint kevésbé árnyékoltak, mint a vagy a alhéj elektronjai. A sorrendben következő energiánál látható csúcs a alhéj elektronjainak, míg a legkisebb energiájú (jobb szélső) csúcs a alhéj elektronjainak felel meg.
A csúcsok hozzárendelésének helyességét a három csúcs magasságarányának vizsgálata alapján is ellenőrizhetjük. Az oxigén alhéján kétszer annyi elektron van, mint akár az vagy a alhéjon ( illetve ). Ennek értelmében azt várjuk, hogy a csúcs magassága kétszer akkora legyen, mint az , illetve a csúcsé. Amint látható, ez valóban így is van a spektrumban.
Végül figyeld meg azt is, hogy a és a alhéjon lévő elektronokhoz rendelt csúcsok energiája (mindkettő és között van) meglehetősen hasonló, míg az elektronok ionizációs energiája ezeknél sokkal nagyobb (majdnem ). Az elektronok energiája ugyanazon a héjon általában egymáshoz nagyon közeli, ezért azt várjuk, hogy ugyanazon héjon lévő elektronok csúcsai egy csoportot alkotnak a PES spektrumban. Ennek figyelembe vétele segít megkülönböztetni pl. a vegyértékelektronokat a törzselektronoktól.
Ellenőrizd a fentiek megértését: hány csúcsot várnál a semleges kalciumatom PES spektrumában?
Elemek azonosítása PES spektrumuk alapján
Az alábbi spektrumot egy ismeretlen elem azonosítása céljából vették fel. Vizsgáljuk meg, milyen elemet tartalmazott az ismeretlen minta.
A spektrumban öt csúcsot láthatunk, amelyek mindegyike a maghoz legközelebbi alhéjak ( , , , és ) valamelyikéhez tartozik. A legnagyobb ionizációs energiájú (bal szélső) csúcs nyilván az alhéjhoz tartozik, míg a legkisebb energiájú (jobb szélső) csúcs a alhéjhoz. Figyeld meg, hogy a csúcs magassága csak fele akkora, mint az , , és a elektronokhoz tartozó csúcsoké. Ebből arra következtethetünk, hogy ismeretlen elemünk alhéján csak elektron van.
Nézzük meg, melyik elemnek van egyetlen elektronja a alhéjon. A periódusos rendszer alapján azt találjuk, hogy az első elem a p mező harmadik sorában az alumínium ( ). Eszerint ismeretlen elemünk az alumínium. Hogy ebben biztosak lehessünk, vizsgáljuk meg, hogy a spektrum csúcsai összhangban vannak-e az elktronkonfigurációjával.
Amint azt láttuk, a spektrum öt csúcsot tartalmaz, ami valóban megfelel az alumínium elektronkonfigurációjában szereplő öt betöltött alhéjnak. A csúcsok relatív magassága pedig összhangban van azzal, hogy a alhéjon háromszor annyi elektron van, mint az , és alhéjakon, valamint hatszor annyi, mint a alhéjon. Végül azt is megfigyelhetjük, hogy a csúcsok három szűkebb energiatartományban csoportosulnak, ami megfelel annak, hogy az három betöltött elektronhéjjal rendelkezik. Mindezek tükrében meggyőződéssel állíthatjuk, hogy ez a spektrum valóban az alumíniumé.
Összefoglalás
- A fotoelektron-spektroszkópia (angol rövidítéssel PES) egy kísérleti módszer, amellyel meghatározhatók atomok és molekulák különböző elektronjaihoz tartozó ionizációs energiák.
- A fotoelektron-spektrométerekben nagy energiájú sugárzást (pl. ultraibolya fényt vagy röntgenugárzást) alkalmaznak elektronok kilépésének előidézésére, és megmérik a kilépő elektronok kinetikus energiáját (
). - A besugárzással érkező fotonok energiájának (
) és a kilépő fotoelektronok kinetikus energiájának ( ) különbsége megadja az egyes elektronok ionizációs energiáját ( ) az alábbi egyenletnek megfelelően: - A fotoelektron-spektrum (angol nevének rövidítésével PES spektrum) egy olyan diagram, amelyen a detektált fotoelektronok száma látszik az ionizációs energia függvényében.
- A PES spektrum csúcsai a különböző alhéjakon lévő elektronokhoz tartozó ionizációs energiáknak felelnek meg. A legkisebb energiájú csúcsok a vegyértékelektronoknak, míg az ezeknél nagyobb energiájúak a törzselektronoknak felelnek meg.
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.