Ηλεκτρονιακή Δομή των Ατόμων ⚛️

Όλα όσα βλέπουμε γύρω μας —ένα κομμάτι μέταλλο, ένας κόκκος αλατιού, μια σταγόνα νερού— δεν είναι παρά στοιβαγμένα άτομα, διαταγμένα με τρόπο που καθορίζει τις ιδιότητες κάθε σώματος. Το ενδιαφέρον για τη διερεύνηση του ατόμου είναι αμείωτο εδώ και χιλιάδες χρόνια, από την εποχή του Δημόκριτου μέχρι σήμερα.

Οι σύγχρονες αντιλήψεις για το άτομο βασίζονται στις αρχές της κβαντομηχανικής, μιας μηχανικής προσαρμοσμένης στον απειροελάχιστο κόσμο των ατόμων. Οι αντιλήψεις αυτές έχουν όμως μεγάλη πολυπλοκότητα. Για τις ανάγκες της Α' Λυκείου αρκεί ένα απλούστερο, ξεπερασμένο σήμερα, μοντέλο.

Ένα Απλό Μοντέλο για το Άτομο 🌌

Μια πολύ απλή εικόνα για το άτομο μάς έχει δώσει ο Bohr, εμπνευσμένος από τη βαρύτητα και αξιοποιώντας τα πειραματικά δεδομένα του Rutherford για την ανακάλυψη του πυρήνα. Το ατομικό πρότυπο του Bohr μοιάζει με μια μινιατούρα πλανητικού συστήματος:

• Το άτομο αποτελείται από τον πυρήνα, που περιέχει τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα ουδέτερα νετρόνια. Στον πυρήνα είναι πρακτικά συγκεντρωμένη όλη η μάζα του ατόμου.
• Γύρω από τον πυρήνα, σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις, κινούνται σε καθορισμένες (επιτρεπτές) τροχιές τα ηλεκτρόνια.
• Τα ηλεκτρόνια που κινούνται στην ίδια περίπου απόσταση από τον πυρήνα λέμε ότι βρίσκονται στην ίδια στιβάδα ή φλοιό ή ενεργειακή στάθμη.

Όταν τα άτομα δεν είναι σε διέγερση, τα ηλεκτρόνιά τους κατανέμονται σε επτά το πολύ στιβάδες: τις Κ, L, Μ, Ν, Ο, Ρ και Q. Κάθε στιβάδα χαρακτηρίζεται από έναν αριθμό που συμβολίζεται με $n$ και ονομάζεται κύριος κβαντικός αριθμός.

Για $n=1$ έχουμε την πλησιέστερη προς τον πυρήνα στιβάδα, την Κ. Για $n=2$ έχουμε τη στιβάδα L, κ.ο.κ. Όσο απομακρυνόμαστε από τον πυρήνα, τόσο αυξάνεται η ενεργειακή στάθμη της στιβάδας. Δηλαδή:

Ποιο ατομικό πρότυπο χρησιμοποιούμε;

Η επιλογή του μοντέλου εξαρτάται από τη χρήση. Στα πλαίσια της Α' Λυκείου, το μοντέλο του Bohr επαρκεί. Παρά την απλότητά της, η ατομική θεωρία του Dalton κατέχει κυρίαρχη θέση, καθώς αποτελεί τη βάση διαφόρων χημικών υπολογισμών (προσδιορισμός σχετικών ατομικών και μοριακών μαζών, στοιχειομετρικοί υπολογισμοί κ.λπ.). Σε αυτή τη θεωρία στηρίχτηκαν οι χημικοί του 19ου αιώνα για να οικοδομήσουν τη χημική επιστήμη.

Κατανομή Ηλεκτρονίων σε Στιβάδες 📊

Για τη διάταξη των ηλεκτρονίων σε στιβάδες (ηλεκτρονιακή δομή) ακολουθούμε τους εξής κανόνες:

1. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορεί να πάρει καθεμία από τις τέσσερις πρώτες στιβάδες δίνεται από τον τύπο $2n^2$, όπου $n$ είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός, δηλαδή ο αριθμός της στιβάδας. Έτσι:
   • η Κ ($n=1$) μπορεί να πάρει έως $2 \times 1^2 = 2$ ηλεκτρόνια,
   • η L ($n=2$) έως $2 \times 2^2 = 8$ ηλεκτρόνια,
   • η Μ ($n=3$) έως $2 \times 3^2 = 18$ ηλεκτρόνια,
   • η Ν ($n=4$) έως $2 \times 4^2 = 32$ ηλεκτρόνια.
2. Η τελευταία στιβάδα οποιουδήποτε ατόμου δεν μπορεί να έχει περισσότερα από 8 ηλεκτρόνια, εκτός αν είναι η Κ, που συμπληρώνεται με 2 ηλεκτρόνια.
3. Η προτελευταία στιβάδα δεν μπορεί να περιέχει περισσότερα από 18 ηλεκτρόνια, αλλά ούτε λιγότερα από 8, εκτός αν είναι η Κ, που έχει το πολύ 2.

Με βάση τους παραπάνω κανόνες μπορούμε να βρούμε την κατανομή των ηλεκτρονίων στα 20 πρώτα στοιχεία (ατομικός αριθμός 1-20):

Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων, όπως φαίνεται στον πίνακα, εμφανίζει μια περιοδικότητα η οποία τελικά εκφράζεται στον περιοδικό πίνακα.

Παράδειγμα: η κατανομή του καλίου

Να κατανεμηθούν τα 19 ηλεκτρόνια του ατόμου του καλίου (Κ) σε στιβάδες.

Λύση: Πρώτα συμπληρώνεται η στιβάδα Κ με 2 ηλεκτρόνια και στη συνέχεια η στιβάδα L με 8 ηλεκτρόνια. Απομένουν 9 ηλεκτρόνια. Η κατανομή 2, 8, 9 όμως δεν υπακούει στον κανόνα ότι η εξωτερική στιβάδα δεν μπορεί να έχει περισσότερα από 8 ηλεκτρόνια. Έτσι, η ηλεκτρονιακή δομή του καλίου γίνεται (2, 8, 8, 1).

Εφαρμογή

Να βρεθεί και να ερμηνευθεί η ηλεκτρονιακή δομή του $_{17}Cl$.