A második periódus atomjainak elektronszerkezete

Vizsgáljuk meg a második periódus atomjainak elektronszerkezetét! Ha megnézzük a periódusos rendszer második sorát, az első elem, amit ott látunk, a lítium. A lítiumnak három elektronja van. Foglalkozzunk először az első két elektronnal! A lítium első két elektronja az első héjon foglal helyet. Erről már volt szó egy másik videóban. Az első héjon, ahol n értéke 1, l egyetlen lehetséges értéke nulla. Következésképpen egy s-pályáról van szó. s-pálya az első héjon is csak egy van, ezt ide fel is rajzolom. Itt van az első héj egyetlen s-pályája. Szóval a lítiumnak három elektronja van. Az első két elektronja erre az s-pályára kerül. Ahol így párosítjuk a spineket. Ide most el is kezdem felírni a lítium elektronszerkezetét. Írjuk ide az eddig megbeszélt 1s²-t. A lítiumnak három elektronja van, de az első héj már betelt. Tovább kell lépnünk a második héjra, hogy a harmadik elektront elhelyezzük. A második héjon n = 2. Milyen értékei lehetnek itt l-nek? l értéke lehet nulla vagy egy. Erről is beszéltünk már a kvantumszámokról szóló videóban. Ha l = 0, akkor s-pályáról van szó. Eszerint a második héjon, a második energiaszinten is van egy s-pálya. Azt az esetet is figyelembe kell vennünk, amikor l = 1, azaz p-pályáról van szó. mₗ lehetséges értéke ebben az esetben -1, 0 és +1 lehet. Ha három értéke lehet, akkor három p pálya van, ami természetesen érvényes a második héjon is. Felrajzolom ezeket az atompályák diagramjára. Az első héj s-pályája már itt van. Következzen a második héj, a második energiaszint s-pályája! Ennek nagyobb az energiája, ezért az előző fölé rajzolom. Ez a 2s-pálya. A második héjon p-pályák is vannak, méghozzá három. Felrajzolom a második energiaszint p-pályáit. Nagyobb az energiájuk, ezért ide kerülnek a 2p-pályák; mind a három. Az egyiket 2px-nek nevezzük, a másikat 2py-nak, a harmadikat 2pz-nek. Az egyébként mindegy, hogy melyiket hova rajzoljuk. A lítiumban eddig a három elektronból kettőt elhelyeztünk. A harmadiknak a következő, nagyobb energiájú pályára kell mennie, ami a 2s-pálya. Az energia a nyíl irányában felfelé nő. A lítium követező elektronjának ezért erre a pályára kell mennie, azaz a 2s-pályára. Így a lítium elektronszerkezete 1s² 2s¹. Idézzük fel, mit is jelent ez! A 2s¹ azt jelenti, hogy a második héjon, egy s-pályán van egy elektron. Tehát a lítium elektronszerkezete 1s² 2s¹. Nézzük a következő elemet, a berilliumot! A berilliumnak négy elektronját kell elhelyeznünk. A berilliumot pirossal fogom írni. Eggyel több elektronja van. A negyedik elektront elhelyezhetjük ide a 2s-pályára, ellentétes spinnel. Írjuk fel a berillium elektronszerkezetét ennek megfelelően! Először van 1s², ezen túlmenően van még két elektron és szintén van a 2s-pálya, tehát 2s²-t írhatunk. Megtöltöttük mindkét s-pályát. Ne feledd: egy pályán legfeljebb két elektron lehet! Mindkét s-pálya betelt, ezért ha rátérünk következő elemre, ami a bór, tudjuk, hogy a bórnak öt elektronja van. Írjuk fel az elektronszerkezetét! Eddig az 1s² 2s² szerkezetnél tartunk, de ez csak négy elektron, viszont most ötöt kell elhelyeznünk. Hova kerüljön az ötödik elektron? A következő elérhető pályára, azaz a bór ötödik elektronját elhelyezzük az egyik 2p-pályára. 2p¹-et írunk, ami megfelel annak, hogy a bór ötödik elektronja a második héj egyik p-pályájára került. Tehát a bór teljes elektronszerkezete 1s² 2s² 2p¹. Ezután a szén következik, amit írjunk kékkel! A szénnek összesen hat elektronja van, így eggyel többet kell most elhelyeznünk. Tudjuk, hogy ez egy p-pályán lesz a második héjon, de melyik p-pályán? Ezt a Hund-szabály segítségével dönthetjük el. (Soha nem sikerül németül jól mondanom.) Szóval a Hund-szabály azt mondja ki, hogy az elektronok közti taszítást minimalizálni kell. Gondoljuk meg... Felrajzolom a p-pályákat ide alulra. Ezen a pályán már van egy elektron. Nem sok értelme volna egy újabb elektront ugyanarra a pályára tenni, mivel akkor igen közel lennének egymáshoz. A p-pályák, mint tudjuk, súlyzóhoz hasonló alakúak. Mondjuk, hogy ennek a tengelynek az iránya mentén van már egy p-pálya. Kékkel fogom írni. Mivel ezen már van egy elektron, semmi értelme ugyanerre a pályára elhelyezni még egyet, mert nagyon közel lennének egymáshoz, és erősen taszítanák egymást. Emiatt ezt az elektront ki kell innen venni, mivel az itt nem lehet. Másik p-pályára kell tennünk ezt az elektront. Kiveszem erről a pályáról. Tudjuk, hogy van még p-pálya a másik két tengely mentén is. Itt van még egy p-pálya, itt pedig még egy további. Ezek valamelyikére kell elhelyeznünk az elektront. Hogy melyikre, annak nincs jelentősége. Tegyük mondjuk erre a pályára! Ezután még egy elektront kell egy másik pályára helyezni, ami lehet akár a px, akár a py, akár a pz. Az elektronok közti taszítás akkor lesz a legkisebb, ha a spinek egy irányba mutatnak. Ennek elég bonyolult oka van, valószínűleg még mindig kutatják az igazi okot. A lényeg az, hogy egy másik pályára kell helyezni az elektront, azonos spinnel, hogy ezzel minimalizáljuk az atom energiáját. Ezért tesszük ide a szén hatodik elektronját egy másik p-pályára, azonos spinnel. Most már felírhatjuk a szénatom elektronszerkezetét. Csak le kell olvasni mindent, ami a pályák diagramján látható. Van tehát itt az 1s² 2s² és itt a 2p², azaz két elektron van a szén második héjának p-pályáin. A következő elem a nitrogén, ezt zölddel írom. A nitrogénnek ismét eggyel több, azaz összesen hét elektronja van. Írjuk az elejétől, ami volt: 1s² 2s². A nitrogénnél még egy elektront kell hozzáadnunk a diagramhoz. Ismét alkalmazzuk a Hund-szabályt. Nem valamelyik már elfoglalt pályára tesszük az elektront, hanem az üres pályára, méghozzá a többivel azonos spinnel, hogy kisebb legyen az energiája. A nitrogén 2p-pályáin tehát 3 elektron van, így ide 2p³-at írunk. A nitrogén teljes elektronszerkezete tehát 1s² 2s² 2p³. Térjünk át most az oxigénre! Írjuk ezt narancs színnel! Összesen 8 elektron van az atomban. Ide írom az oxigént. Itt is megvan az 1s² 2s², hány elektron van még? Összesen 8 elektronból négy már megvan, így még további négy kell. A nyolcadik elektronnál, mivel addigra minden p pálya foglalt, elkezdhetjük párba rendezni a spineket. Az oxigén nyolcadik elektronját így oda helyezhetjük. Ezzel négy elektron lesz a 2p-pályákon, ezért 2p⁴-et írhatunk. A szerkezet tehát 1s² 2s² 2p⁴. Látszik, hogy ha összeadjuk ezeket a számokat, 2 + 2 + 4 éppen 8-at ad, ami az elektronok számának összege az oxigénatomban. Térjünk át most a fluorra! Ezt egy másféle zölddel írom. Összesen 9 elektronja van, így ezúttal ismét párosíthatunk spineket. A fluor kilencedik elektronját tehát egy 2p-pályára helyezzük. A fluor elektronszerkezetére így írhatjuk: 1s² 2s², a 2p-pályákon pedig már öt elektron van, így ide 2p⁵-öt írunk. Végül pedig foglalkozzunk a neonnal! A neonnak tíz elektronja van, így ismét eggyel többet kell elhelyeznünk. Még éppen van itt egy hely neki. A neon utolsó elektronja szintén egy 2p-pályára kerül. A neon elektronszerkezetét így a következőképpen írhatjuk: 1s² 2s² 2p⁶. Figyeld meg, hogy ennél több elektronnak már nincs hely az első vagy a második elektronhéjon! Azok teljesen tele vannak. Itt tehát a második héj is betelt; ha még egy elektront akarnánk elhelyezni, új héjat kellene megnyitnunk, át kellene lépni a harmadik elektronhéjra. Megfigyelheted, hogy van egy jellegzetes mintázat a periódusos rendszerben. A hidrogén elektronszerkezete 1s¹. A héliumé 1s². Ezután a második héj, a második energiaszint következik. A lítium elektronszerkezete 2s¹-gyel végződik. A berilliumé 2s²-vel, ezzel betelik a 2s-pálya, következnek a p-pályák. A bór utolsó elektronja a 2p¹ pályán van, a szén elektronszerkezete 2p²-vel, a nitrogéné 2p³-mal, az oxigéné 2p⁴-gyel, a fluoré 2p⁵-tel, és végül a neoné 2p⁶-tal végződik. Figyeljük meg ezt a hat elemből álló mezőt a periódusos rendszerben! Ezekben épülnek ki a p-pályák, a bal oldali, két elemből álló mezőben pedig az s-pályák. Az s-pályán, amelyből csak egy van, legfeljebb két elektron lehet. Ezért itt, a periódusos rendszer bal szélén két elem van. A jobb oldalon viszont hat elem van, ami megegyezik a p-pályákon elhelyezhető elektronok maximális számával, mivel három p-pálya van, és mindegyiken két elektron lehet. Ezeknek a mintázatoknak a megfigyelése a periódusos rendszerben segít az elektronszerkezetek felírásában. Ha elég gyakorlatot szerzel, csak ránézel a periódusos rendszerre, és fel tudod írni az elektronszerkezetet. Érdemes a fentieket átismételned, és átgondolnod az elektronszerkezeteket; azt, hogy hova helyezünk elektronokat, és hogyan függ ez össze a periódusos rendszer szerkezetével.