Structura invelisului de electroni al atomului

Structura invelisului de electroni al atomului. În cazul atomilor mai grei decât hidrogenul, orbitalii atomici sunt constituiti dupa aceleasi reguli ca si la atomul de hidrogen. Ocuparea cu electroni a acestor orbitali se face respectând urmatoarele principii:

a)Nivelurile energetice în atomi se ocupa cu electroni în ordinea crescânda a energiei lor. Mai întâi se ocupa orbitalul 1s apoi 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p etc.

b)Principiul de excluziune al lui Pauli (1925). Un orbital poate fi ocupat de cel mult doi electroni caracterizati prin spin opus (electroni cuplati). Acest principiu mai poate fi formulat si astfel: într-un atom nu pot exista doi electroni cu toate numerele cuantice identice, ei vor avea cel putin un numar cuantic diferit.

c)Regula lui Hund (1925) Aceasta regula se refera la ocuparea nivelelor energetice degenerate, adica a substraturilor cu mai multi orbitali identici. În asemenea substraturi se ocupa fiecare orbital cu câte un electron pâna se capata o multiplicitate maxima (maximul posibil de electroni necuplati, impari) dupa care se completeaza cu al doilea electron (se împerecheaza). Nu începe completarea unui substrat superior pâna ce nu s-a completat substratul inferior. Asezarea stratificata a electronilor se reflecta în configuratia electronica.

Configuratia electronica a atomilor se descrie prin indicarea numarului de electroni alaturi de simbolurile fiecarui tip de orbital în ordinea crescânda a energiei si folosind numerele cuantice n si l. Pentru hidrogen, singurul sau electron aflându-se în orbitalul 1s configuratia electronica este H(1s¹). La heliu, al doilea electron ocupa acelasi orbital dând o configuratie stabila de dublet, deci He(1s²). Al treilea electron al litiului nu mai poate intra în orbitalul 1s din primul strat astfel încât începe ocuparea celui de-al doilea strat cu orbitalui 2s. Deci litiul are configuratia electronica Li(1s² 2s¹). Pentru ca fiecare element dintr-o perioada prezinta structura electronica a gazului monoatomic (gaz rar) cu care s-a încheiat perioada anterioara, se poate scrie formula configuratiei electronice utilizând simbolul gazului inert: Li(²He, 2s¹). Pentru primele doua perioade prezinta în tabel succesiunea ocuparii straturilor, substraturilor si orbitalilor atomici cu electroni, precum si formula configuratiei electronice a elementelor respective. Pentru fiecare perioada ocuparea straturilor, substraturilor si orbitalilor cu electroni se face astfel:

1: 1s^1-2 → ²He  

2: ²He 2s^1-2, 2p^1-6 → ¹⁰Ne

3: ¹⁰Ne 3s^1-2, 3p^1-6 →¹⁸Ar   

4: ¹⁸Ar 4s^1-2, 3d ^1-10, 4p^1-6 → ³⁶Kr

5: ³⁶Kr 5s^1-2, 4d ^1-10, 5p^1-6 →⁵⁴Xe 

6: ⁵⁴Xe 6s^1-2, 5d ¹, 4f ^1-14, 5d ^2-10, 6p^1-6 →⁸⁶Rn

7: ⁸⁶Rn 7s^1-2, 6d ¹, 5f ^1-14, 6d ^2-10, 7p^1-6 →

Este de remarcat ca fiecare perioada se termina cu un element monoatomic (gaz rar) cu configuratii electronice stabile pe ultimul strat si anume configuratie de 2 electroni în cazul heliului (dublet stabil) si de 8 electroni, octet stabil, în cazul celorlalte.

Deoarece nivelul 4s este foarte apropiat în energie de nivelul 3d , la subgrupa VI_b elementul Cr prezinta o exceptie având configuratia 4s¹ 3d⁵ în loc de  4s² 3d⁴ ceea ce conduce la un numar de 6 orbitali monoelectronici cu implicatii deosebite în proprietatile cromului în aliaje si anume rezistenta deosebita la agentii chimici motiv pentru care în industria chimica se utilizeaza numai aliaje cu crom. Asemenea exceptie este generala si pentru Mo si W, din aceeasi subgrupa, molibdenul utilizându-se în aliaje extrem de rezistente la compresiuni mari iar wolframul este elementul cu cele mai ridicate puncte de topire si de fierbere. Si elementele din subgrupele vecine (sgr. VII_b si V_b) poseda un numar mare de electroni necuplati ceea ce le confera proprietati fizice exceptionale în utilizarea lor ca aliaje. Astfel Mn se afla aliat cu Fe în sinele de cale ferata rezistente la presiuni mari iar vanadiul se întrebuinteaza la fabricarea otelurilor rapide pentru cutitele de strung sau la aliajele de Cr-V pentru fabricarea diferitelor scule. Exceptii asemanatoare în care gasim un singur electron în substratul 4s întâlnim si la subgrupa I_b (Cu), la care al doilea electron completeaza substratul 3d⁹ la 3d¹⁰ încât noua configuratie 4s¹ 3d¹⁰ îi confera acestui element o stabilitate mult mai mare, fapt observabil în special la perioada 5 si 6 a acestei subgrupe (Ag, Au) care sunt metale nobile, rezistente la agentii chimici.

Exista si alte exceptii mai putin semnificative la perioadele 6 si 7 la care unul din electronii 6s² , respectiv 7s² se afla în substratul 4f , respectiv 5f. Tot datorita tendintei de stabilizare în starea fundamentala, elementul paladiu are ambii electroni 5s în substratul 4d încât configuratia 5s² 4d⁸ devine 5s⁰ 4d¹⁰ ceea ce îi confera acestuia rezistenta mare la agentii chimici.

Sistemul periodic. Dimitri Ivanovici Mendeleev a realizat clasificarea elemen-telor în sistemul periodic în anul 1868 prin însiruirea acestora în ordinea crescânda a maselor lor atomice si asezarea în aceeasi coloana a elementelor cu proprietati asemanatoare.

Aceasta clasificare a fost confirmata printre altele de structura electronica a atomilor. Locul unui element în sistem, notat cu un numar numit numar de ordine Z, este egal cu numarul de electroni din atom. Ulterior, datorita caracterului neutru al atomului, s-a dovedit ca numarul de sarcini negative (electroni) din atom este egal cu numarul de sarcini pozitive (protoni) din nucleu. Deci numarul de ordine Z este egal cu numarul de protoni din nucleul atomic, fapt pentru care s-a numit si numar atomic. Odata cu alcatuirea sistemului periodic, Mendeleev a descoperit legea periodicitatii care a fost formulata ulterior astfel:„proprietatile elementelor sunt functii periodice ale numarului lor atomic”. Aceasta lege este consecinta revenirii periodice la configuratii electronice asemanatoare pe stratul exterior al atomilor.

Considerând electronul care se adauga de la un element la altul ca electron distinctiv, elementele se clasifica azi în trei categorii:

a) Elemente reprezentative (nemetale si cele cu caracter net metalic) la care electronul distinctiv se adauga pe un nivel din ultimul strat.

- I_a: ^{1H, 3Li, 11Na, 19K, 37Rb, 55Cs, 87Fr;}

^{- IIa: 4Be, 12Mg, 20Ca, 38Sr, 56Ba, 88Ra;}

^{- IIIa: 5B, 13Al, 31Ga, 49In, 81Tl;}

^{- IVa: 6C, 14Si, 32Ge, 50Sn, 82Pb;}

^{- Va: 7N, 15P, 33As, 51Sb, 83Bi;}

^{- VIa: 8O, 16S, 34Se, 34Se, 84Po;}

^{- VIIa: 9F, 17Cl, 35Br, 53I, 85At;}

^{- VIIIa: 2He, 10Ne, 18Ar, 36Kr, 54Xe.}

b)Elemente de tranzitie (metale grele), la care electronul distinctiv se adauga pe un nivel din penultimul strat.

- I_b: , , ;

- II_b: ^{30Zn, 48Cd, 80Hg;}

- III_b: ^21Sc, ^39Y, ^57La, ^89Ac;

- IV_b: ^22Ti, ^40Zr, ^72Hf, ^104Ku;

- V_b: ^23V, ^41Nb, ^73Ta, ^105Hn;

- VI_b: ^24Cr, ^42Mo, ^74W;

- VII_b: ^25Mn, ^43Tc, ^75Re;

- VIII_b: ^26Fe, ^44Ru, ^76Os;

- IX_b: ^27Co, ^45Rh, ^77Ir;

- X_b: ^28Ni, ^46Pd, ^78Pt.

c) Lantanide (Z = 58-71) si actinide (Z = 90-103) , la care electronul distinctiv se adauga pe un nivel din antepenultimul strat fata de stratul de valenta.

- III_b (6): ⁵⁸Ce, ⁵⁹Pr, ⁶⁰Nd, ⁶¹Pm, ⁶²Sm, ⁶³Eu, ⁶⁴Gd, ⁶⁵Tb, ⁶⁶Dy, ⁶⁷Ho, ⁶⁸Er, ⁶⁹Tm, ⁷⁰Yb, ⁷¹Lu;

- III_b (7): ⁹⁰Th, ⁹¹Pa, ⁹²U, ⁹³Np, ⁹⁴Pu, ⁹⁵Am, ⁹⁶Cm, ⁹⁷Bk, ⁹⁸Cf, ⁹⁹Es, ¹⁰⁰Fm, ¹⁰¹Md, ¹⁰²No, ¹⁰³Lr.

Cele 109 cunoscute azi sunt asezate în sistemul periodic în sapte siruri orizontale numite perioade si în 18 coloane verticale numite grupe dupa cum urmeaza: elementele reprezentative sunt asezate în opt siruri verticale (grupe) notate cu cifre romane de la I_a la VIII_a , elementele de tranzitie sunt asezate în  zece coloane verticale numerotate cu I_b - X_b, iar lantanidele cuprinse între Z = 58-71 si actinidele între Z = 90-103, sunt scrise în partea de jos a sistemului periodic.

Elementele din aceeasi subgrupa au proprietati asema-natoare, de exemplu subgrupa metalelor alcaline (I_a), a halogenilor (VII_a) sau a gazelor rare (VIII_a).

Numarul elementelor din perioade si proprietatile lor difera foarte mult. Astfel, în perioada 1 exista numai doua elemente (H si He), în perioadele 2 si 3 câte 8 elemente, în perioadele 4 si 5 câte 18, în perioada 6 un numar de 32, iar în ultima perioada exista tot 32 de elemente din care se cunosc pâna în prezent 24. Perioadele 1, 2 si 3 se mai numesc si perioade scurte, având un numar redus de elemente, în timp ce perioadele 4, 5, 6, 7 se numesc perioade lungi. Se observa deci ca numerele de elemente din perioade se afla între ele în raporturile: 2 : 8 : 18 : 32 adica 2·1² : 2·2² : 2·3² : 2·4² , regularitate ce decurge din numarul de electroni care formeaza straturile electronice.

Proprietatile fizice si chimice ale elementelor variaza într-o anumita ordine, atât în grupe cât si în perioade. Astfel, valenta maxima fata de oxigen variaza periodic si este data, cu mici exceptii, de numarul grupei din care face parte elementul. Valenta fata de hidrogen a elementelor reprezentative creste de la 1 la 4 pentru primele patru grupe (este data de numarul grupei) iar de la cinci la opt scade, fiind data de diferenta dintre opt si numarul grupei.

Electronegativitatea elementelor (masurata prin afinitatea fata de electroni) scade în subgrupe de sus în jos si creste în perioade de la stânga la dreapta.

O serie de proprietati fizice ale elementelor ca volumul atomic, razele atomice si ionice, potentialele de ionizare, spectrele optice, punctele de topire si de fierbere ale elementelor etc., sunt de asemenea functii periodice ale numarului lor atomic.