Fő tartalom

Kémia

Tantárgy/kurzus: Kémia > 3. témakör

4. lecke: Elektronkonfiguráció

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 ( $KE$ ‍).
A besugárzással érkező fotonok energiájának ( $h ν$ ‍) és a kilépő fotoelektronok kinetikus energiájának ( ${KE}_{elektron}$ ‍) különbsége megadja az egyes elektronok ionizációs energiáját ( $IE$ ‍) az alábbi egyenletnek megfelelően: $IE = h ν - {KE}_{elektron}$ ‍
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 (

h ν

) ismerjük, így ha megmérjük a kilépő fotoelektronok kinetikus energiáját (

{KE}_{elektron}

), meghatározhatjuk a hozzájuk tartozó ionizációs energiát (

IE

IE = h ν - {KE}_{elektron}

[Megnézem, hogyan lehet levezetni ezt az egyenletet.]

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 (

eV

), vagy megajoule/mol (

MJ/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

Li

idealizált spektrumát. Emlékeztetésképpen: a lítium alapállapotú elektronkonfigurációja

1 s^{2} 2 s^{1}

[Hogyan határozhatjuk meg egy atom elektronkonfigurációját?]

A fenti PES spektrumban két csúcs látható, amelyek a lítium

2

különböző alhéjának (

1 s

és

2 s

) elektronjaihoz tartoznak. A diagram elejéhez közelebbi csúcs kétszer akkora, mint a távolabbi. A lítium

1 s

alhéján kétszer annyi elektron van, mint a

2 s

alhéján (

2

vs.

1

), így a diagram elejéhez közelebbi csúcs az

1 s

alhéjon lévő elektronoknak felel meg.

A fenti megállapításokkal összhangban van az elektronok ionizációs energiája is. Mint tudjuk, a lítium

1 s

alhéján lévő elektronok közelebb vannak az atommaghoz, és kevésbé leárnyékoltak, mint a

2 s

alhéjon lévők, emiatt az

1 s

alhéjon lévők kiszabadítása az atomból nagyobb energiát igényel. Ezzel összhangban az

1 s

elektronokhoz tartozó csúcs nagyobb energiánál található.

Megjegyezzük itt, hogy a

2 s

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 (

O

) idealizált PES spektruma látható. Emlékeztetésképpen: az oxigénatom alapállapotú elektronkonfigurációja

1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{4}

Ebben a spektrumban három csúcs található, amelyek az oxigénatom három alhéjának (

1 s

2 s

, vagy

2 p

) valamelyikéből származó elektronokhoz rendelhetők. A legnagyobb energiánál látható bal szélső csúcsot az

1 s

alhéj elektronjaihoz rendelhetjük, mivel ezek vannak a legközelebb az atommaghoz, valamint kevésbé árnyékoltak, mint a

2 s

vagy a

2 p

alhéj elektronjai. A sorrendben következő energiánál látható csúcs a

2 s

alhéj elektronjainak, míg a legkisebb energiájú (jobb szélső) csúcs a

2 p

alhéj elektronjainak felel meg.

A csúcsok hozzárendelésének helyességét a három csúcs magasságarányának vizsgálata alapján is ellenőrizhetjük. Az oxigén

2 p

alhéján kétszer annyi elektron van, mint akár az

1 s

vagy a

2 s

alhéjon (

4

illetve

2

). Ennek értelmében azt várjuk, hogy a

2 p

csúcs magassága kétszer akkora legyen, mint az

1 s

, illetve a

2 s

csúcsé. Amint látható, ez valóban így is van a spektrumban.

Végül figyeld meg azt is, hogy a

2 s

és a

2 p

alhéjon lévő elektronokhoz rendelt csúcsok energiája (mindkettő

1

és

10 MJ / mol

között van) meglehetősen hasonló, míg az

1 s

elektronok ionizációs energiája ezeknél sokkal nagyobb (majdnem

100 MJ / mol

). 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?

[Megnézem a megoldást]

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 (

1 s

2 s

2 p

3 s

és

3 p

) valamelyikéhez tartozik. A legnagyobb ionizációs energiájú (bal szélső) csúcs nyilván az

1 s

alhéjhoz tartozik, míg a legkisebb energiájú (jobb szélső) csúcs a

3 p

alhéjhoz. Figyeld meg, hogy a

3 p

csúcs magassága csak fele akkora, mint az

1 s

2 s

, és a

3 s

elektronokhoz tartozó csúcsoké. Ebből arra következtethetünk, hogy ismeretlen elemünk

3 p

alhéján csak

1

elektron van.

Nézzük meg, melyik elemnek van egyetlen elektronja a

3 p

alhéjon. A periódusos rendszer alapján azt találjuk, hogy az első elem a p mező harmadik sorában az alumínium (

Al

). Eszerint ismeretlen elemünk az alumínium. Hogy ebben biztosak lehessünk, vizsgáljuk meg, hogy a spektrum csúcsai összhangban vannak-e az

Al

1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{1}

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

2 p

alhéjon háromszor annyi elektron van, mint az

1 s

2 s

és

3 s

alhéjakon, valamint hatszor annyi, mint a

3 p

alhéjon. Végül azt is megfigyelhetjük, hogy a csúcsok három szűkebb energiatartományban csoportosulnak, ami megfelel annak, hogy az

Al

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 ( $KE$ ‍).
A besugárzással érkező fotonok energiájának ( $h ν$ ‍) és a kilépő fotoelektronok kinetikus energiájának ( ${KE}_{elektron}$ ‍) különbsége megadja az egyes elektronok ionizációs energiáját ( $IE$ ‍) az alábbi egyenletnek megfelelően: $IE = h ν - {KE}_{elektron}$ ‍
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.

[Hivatkozások]

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Jelentkezz be

Rendezés:

Még nincs hozzászólás.

Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.