Elektronhéj — az atom elektronjainak szerkezete, alhéjak és szerepük
Fedezd fel az elektronhéjak és alhéjak szerkezetét, szerepét az atom elektronkonfigurációjában — Bohr‑modell, kvantumszámok és elektroneloszlás áttekintése.
Az elektronhéj az atom körül elhelyezkedő tartomány, amelyben az elektronok előfordulnak és amelyekre jellemző az n fő kvantumszám azonos értéke: azonos atomi pályák csoportját foglalja magában. Az elektronhéjak nem merev „burkok”, hanem a kvantummechanika szerinti valószínűségi eloszlásokból álló rendszerek — a modern elméletben az elektronok hullámtulajdonságaiból adódó elektronfelhőkben találhatók.
Az egyes elektronhéjak tovább tagolódnak alhéjokra (alszintekre). Egy alhéj olyan pályák halmaza, amelyeknek azonos a szögimpulzus- (azaz az l) kvantumszáma. Az alhéjak elnevezése hagyományosan betűkkel történik: s, p, d, f (ezek megfelelnek az l=0,1,2,3 értékeknek). Az alhéjak és pályák kapacitása a kvantumszámokból adódik:
- egy atompálya (orbitál) legfeljebb 2 elektront fogadhat (spin miatt);
- egy alhéjban 2(2l+1) elektron fér el (például az s-alhéj 2, a p-alhéj 6, a d-alhéj 10 elektronos);
- egy héj teljes kapacitása 2 n 2 {\displaystyle 2n^{2}}
, vagyis az n-edik héj maximum 2n² elektront tartalmazhat.
Bohr-modell és a kifejezés eredete
A „héj” elnevezés a Bohr-modellből származik: ebben az egyszerű, szemléletes modellben az elektronok meghatározott, körpályákon keringenek az atommag körül, és ezek a pályák „héjakat” alkotnak. A fogalmat Niels Bohr dán fizikus vezette be. A Bohr-modell fontos lépés volt az atomelmélet történetében, de ma a kvantummechanikai atompályák és elektronfelhők képe pontosabb leírást ad a valóságról.
Modern kvantummechanikai nézet
A mai megközelítésben az elektronokat hullámfüggvények írják le; az atomi pályák (orbitálok) különböző alakú és energiaértékű regionális „felhők”, ahol az elektron megtalálásának valószínűsége nagy. A héjak és alhéjak energiája nem csak a fő kvantumszámtól függ, ezért bizonyos alhéjak (például 4s és 3d) energiák szerint átfedhetnek, ami meghatározza az elektronok betöltési sorrendjét.
Elektronok beépülése és kémiai jelentőség
Az atomok elektronkonfigurációját (például 1s2 2s2 2p6 ...) az úgynevezett Aufbau-elv, a Pauli-kizárási elv és Hund-szabályok határozzák meg. Röviden:
- a Pauli-kizárási elv szerint minden atomi orbitál legfeljebb két, ellentétes spinű elektront tartalmazhat;
- Hund-szabályai alapján egy alhéjon belül először az elektronok egyenként töltenek be különböző pályákat párba állás nélkül (maximális párosítatlan spin), hogy csökkenjen az összenergia;
- az Aufbau-elv a pályák energiája szerinti feltöltést írja le (a legalacsonyabb energiájútól a magasabb felé).
Az elektronhéjak és különösen a legkülső héjon lévő végétő (valencia) elektronok határozzák meg leginkább az atom kémiai tulajdonságait: kötéseket létesítenek, befolyásolják az atom elektronegativitását és reakcióképességét. Emiatt a periódusos rendszer kémiai periódusai és csoportjai az elektronhéjak és alhéjak kitöltődésével magyarázhatók.
Példák és különleges esetek
Egyszerű példák: a hidrogén elektronkonfigurációja 1s1, a széné 1s2 2s2 2p2, a nátriumé 1s2 2s2 2p6 3s1 — itt jól látszik, hogy a külső héjon lévő elektronok határozzák meg a kémiai viselkedést. Vannak azonban kivételek a „szabályos” betöltési sorrendben (például a króm és a réz elektronszerkezetei), amelyeket az alhéjak energiáinak finom átrendeződése és a stabilabb konfigurációk okoznak.
Összefoglalás
Az elektronhéj és az azon belüli alhéjak a modern atomelmélet kulcsfogalmai: rendszerezik az elektronok eloszlását, meghatározzák az atomok kémiai viselkedését, és segítenek megérteni a periódusos rendszer szerkezetét. Míg a Bohr-modell adta a korai „héj” képet, a kvantummechanika pontosan leírja az orbitálok alakját, energiáit és az elektronok beépülésének szabályait.
Példa egy nátrium elektronhéjmodellre, amely három héjjal rendelkezik
Valenciaburok
A valenciahéj az atom legkülső héja, amely tartalmazza azokat az elektronokat, amelyek a legnagyobb valószínűséggel meghatározzák az atomot érintő reakciók jellegét és a más atomokkal való kötési kölcsönhatásokat. Ügyelni kell arra, hogy az ionok legkülső héját nem szokás valenciahéjnak nevezni. A valenciahéjban lévő elektronokat valenciaelektronoknak nevezzük.
Egy nemesgázban az atom külső héjában általában 8 elektron van (kivéve a héliumot, amely csak 2 elektronnal képes feltölteni a héját). Ez szolgál modellként az oktett-szabályhoz, amely főként a második és harmadik periódusú főcsoportelemekre alkalmazható. Az atomi pályák szempontjából a valenciahéjban lévő elektronok 2 az egyetlen s-orbitálisban és egyenként 2 a három p-orbitálisban oszlanak meg.
Az átmeneti fémeket tartalmazó koordinációs komplexek esetében a valenciahéj az említett s és p pályákon lévő elektronokból, valamint legfeljebb 10 további elektronból áll, amelyekből 2 az 5 d pályán oszlik el, így egy ilyen vegyület teljes valenciahéja összesen 18 elektronból áll. Ezt nevezik a tizennyolc elektronos szabálynak.
| Az elektronok lehetséges száma az 1-5 héjakban | |
| Shell | Elektronok |
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
| 4 | 32 |
| 5 | 32 |
| 6 | 18 |
| 7 | 8 |
Subshells
Az elektron alhéjakat az s, p, d, f, g, h, i stb. betűkkel jelöljük, amelyek megfelelnek a 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 stb. azimutális kvantumszámoknak (l-értékeknek). Minden héjban legfeljebb 2, 6, 10, 14 és 18 elektron, illetve 2(2l + 1) elektron lehet minden alhéjban. Az "s", "p", "d" és "f" jelölés egy mára már elvetett rendszerből származik, amely a spektrális vonalakat a megfigyelt finomszerkezetük alapján "éles", "fő", "diffúz" vagy "alapvető" kategóriákba sorolta. Amikor az első négy orbitáltípust leírták, ezeket a spektrális vonaltípusokhoz társították, de más elnevezések nem voltak. A "g", "h" stb. elnevezéseket az ábécésorrend követésével vezették le.
Kérdések és válaszok
K: Mi az az elektronhéj?
V: Az elektronhéj vagy fő energiaszint az atomnak az a része, ahol az elektronok az atommag körül keringenek.
K: Hány elektron lehet egy adott héjban?
V: Az egy adott héjban lévő elektronok száma 2n2.
K: Mit állít a Bohr-modell az elektronokról?
V: A Bohr-modell szerint az elektronok bizonyos távolságban keringenek az atommag körül úgy, hogy pályájuk "héjakat" alkot.
K: Ki mutatta be ezt a kifejezést?
V: Ezt a kifejezést Niels Henrik David Bohr mutatta be.
K: Mi alkotja az atom elektronkonfigurációját?
V: Az elektronhéjak alkotják az atom elektronkonfigurációját.
K: Minden atom egy vagy több elektronhéjból áll?
V: Igen, minden atom egy vagy több elektronhéjból áll.
K: Minden elektronhéjban különböző számú elektron van?
V: Igen, minden elektronhéjban különböző számú elektron van.
Keres