24-2 Elektrónové vrstvy a periodická sústava prvkov

24-1 Kvantové čísla; 24-2 Elektrónové vrstvy a periodická sústava prvkov; 24-3 Periodická sústava prvkov; 24-4 Oxidačné číslo a chemické väzby; 24-5 Spektrá mnohoelektrónových atómov; 24-6 Lasery; 24-7 Spojité spektrá; 24-8 Röntgenové lúče;

Úlohy

24-1 Kvantové čísla

24-2 Elektrónové vrstvy a periodická sústava prvkov

Teraz sme už v pozícii, že vieme načrtnúť pohyb elektrónov v atómoch prvkov. Po vodíku nasleduje bezprostredne hélium, v ktorého atóme sú dva elektróny. Pokiaľ orientácia spinu tejto dvojice elektrónov je opačná, potom sa môžu nachádzať na prvej Bohrovej kružnicovej trajektórii atómu spoločne, ako to ukazuje obrázok 24.3. Kvantové čísla týchto dvoch elektrónov sú nasledujúce: $n = 1, l = 0, m = 0, s = + \frac{1}{2},$ a $n = 1, l = 0, m = 0, s = - \frac{1}{2} .$ V stave s hlavným kvantovým číslom $n = 1$ sa môžu nachádzať len tieto dva elektróny, nakoľko možné hodnoty $l$ a $m$ sú 0, a dve možné hodnoty $s$ boli týmito dvomi elektrónmi vyčerpané.

Všetky elektróny, ktorých hlavné kvantové číslo $n$ má rovnakú hodnotu tvoria vrstvu, elektrónovú vrstvu – v zaplnenej vrstve je $2 n^{2}$ elektrónov. Z rannej éry analýzy spektrálnych čiar sme zdedili označenie pre vrstvy: vrstvu $n = 1$ nazývame $K$ -vrstva, vrstvu $n = 2$ nazývame $L$ -vrstva, a tak ďalej.

Tabuľka 21.1:Chemické prvky


Názov	Zn	at. č.	popis	at. hm.	Názov	značka	at. č.	popis	at. hm.

aktínium	Ac	89	sb mäkký kov	227,028	molybdén	Mo	42	kovovo sivý	96,000
amerícium+	Am	95	sb kov	243,061	moskóvium+	Mc	115		290,196
antimón	Sb	51	str.sivý ligotavý kov	121,760	neodým	Nd	60	sb kov	144,240
argón	Ar	18	bezfarebný plyn	39,948	neón	Ne	10	bezfarebný plyn	20,180
arzén	As	33	sivý	74,922	neptúnium+	Np	93	kovovo str.	237,048
astát+	At	85		209,987	nihónium+	Nh	113		286,183
bárium	Ba	56	str.sivý kov	137,330	nikel	Ni	28	kovovo str.	58,693
berkélium+	Bk	97	striebristý	247,070	niób	Nb	41	sivo kovový	92,906
berýlium	Be	4	sivobiely kov	9,012	nobélium+	No	102		259,101
bizmut	Bi	83	striebristý kov	208,980	oganesón+	Og	118		294,214
bohrium+	Bh	107		274,144	olovo	Pb	82	kovovo sivý	207,200
bór	B	5	hnedočierny pevný	10,810	ortuť	Hg	80	str.	200,590
bróm	Br	35	hnedý kvapalný	79,904	osmium	Os	76	str., modrý odlesk	190,200
cér	Ce	58	sb kov	140,120	paládium	Pd	46	sb	106,400
cézium	Cs	55	svetlý zlatostriebristý	132,905	platina	Pt	78	sb	195,080
cín	Sn	50	sb, sivý	118,710	plutónium+	Pu	94	sb	244,064
curium+	Cm	96	striebristý kov	247,070	polónium	Po	84	striebristý	208,982
darmštátium+	Ds	110		281,165	prazeodým	Pr	59	sivobiely	140,908
draslík	K	19	str.	39,098	prométium+	Pm	61	kovový	144,913
dubnium+	Db	105		268,126	protaktínium	Pa	91	svetlý striebristý kov	231,036
dusík	N	7	bezfarebný plyn	14,007	rádium	Ra	88	sb kov	226,025
dysprózium	Dy	66	sb kov	162,500	radón	Rn	86	bezfarebný plyn	222,018
einsteinium+	Es	99	striebristý (modro žiari)	252,083	rénium	Re	75	str kov	186,210
erbium	Er	68	sb	167,260	ródium	Rh	45	sb kov	102,906
európium	Eu	63	sb	151,960	röntgénium+	Rg	111		282,169
fermium+	Fm	100		257,095	rubídium	Rb	37	sb kov	85,468
fleróvium+	Fl	114		289,191	ruténium	Ru	44	sb kov	101,100
fluór	F	9	svetložltá kv., zel.žltý plyn	18,998	rutherfordium+	Rf	104		267,122
fosfor	P	15	bezf., biely, červený pevný	30,974	samárium	Sm	62	sb kov	150,400
francium+	Fr	87		223,020	seaborgium+	Sg	106		271,134
gadolínium	Gd	64	sb kov	157,200	selén	Se	34	čierny, červený, sivý pevný	78,970
gálium	Ga	31	striebristobelasý kov	69,720	síra	S	16	žltá kryštalická pevná	32,070
germánium	Ge	32	sivobiely polokov	72,630	skandium	Sc	21	sb	44,956
hafnium	Hf	72	oceľovo sivý kov	178,500	sodík	Na	11	sb kov	22,990
hásium+	Hs	108		277,152	striebro	Ag	47	lesklý biely kov	107,868
hélium	He	2	bezfarebný plyn	4,003	stroncium	Sr	38	sb sv.žltý nádych	87,600
hliník	Al	13	str.sivý kov	26,982	tálium	Tl	81	sb kov	204,383
holmium	Ho	67	sb kov	164,930	tantál	Ta	73	sivý kov	180,948
horčík	Mg	12	lesklo str. pevný	24,305	technécium+	Tc	43	lesklý sivý kov	97,907
chlór	Cl	17	svetlý žltozelený plyn	35,450	telúr	Te	52	lesklý sivý kov	127,600
chróm	Cr	24	striebristý kov	51,996	tenés+	Ts	117		294,211
indium	In	49	lesklý str. kov	114,820	terbium	Tb	65	sb kov	158,925
irídium	Ir	77	sb kov	192,220	titán	Ti	22	striebornebielosivý	47,870
jód	I	53	lesk. sivý kov., fialový plyn	126,905	tórium	Th	90	sb kov	232,038
kadmium	Cd	48	str.sivý kov	112,410	túlium	Tm	69	striebornesivý	168,934
kalifornium+	Cf	98	striebristý	251,080	uhlík	C	6	priehľ. kryšt., čierny pevný	12,011
kobalt	Co	27	modro-sivý lig. tvrdý kov	58,933	urán	U	92	striebornesivý kov	238,029
kopernícium+	Cn	112		285,177	vanád	V	23	modrosivostr. kov	50,941
kremík	Si	14	lesklý kryštalický	28,085	vápnik	Ca	20	matný str.sivý kov	40,080
kryptón	Kr	36	bezfarebný plyn	83,798	vodík	H	1	bezfarebný plyn	1,008
kyslík	O	8	bezfarebný plyn	15,999	volfrám	W	74	bielosivý lesklý	183,800
lantán	La	57	sb	138,906	xenón	Xe	54	bezfarebný plyn	131,290
lawrencium+	Lr	103		262,110	yterbium	Yb	70	sb, so sv.žltý nádych	173,040
lítium	Li	3	sb	7,000	ytrium	Y	39	sb	88,906
livermórium+	Lv	116		293,205	zinok	Zn	30	sivostr. kov	65,400
lutécium	Lu	71	sb	174,967	zirkónium	Zr	40	sb kov	91,220
mangán	Mn	25	kovovo str.	54,938	zlato	Au	79	žltý kov	196,967
meď	Cu	29	oranžovo-červený lesk. kov	63,550	železo	Fe	26	str., sivý nádych	55,840
meitnérium+	Mt	109		278,156
mendelévium+	Md	101		258,098

¹ kurzíva - rádioaktívne prvky ² + v prírode sa nevyskytuje, alebo len stopové množstvo ³ sb - striebrobiely ⁴ str.-striebristý ⁵ sv.-svetlý ⁶ lig.-ligotavý ⁷ lesk.-lesklý

Ďalší prvok v poradí je lítium, ktorý má 3 elektróny. (Atómové čísla, ktoré sme udali v tabuľke 21.1, určujú počet protónov v jadre atómu; v prípade elektrický neutrálneho atómu, jeho prirodzenej formy, sa atómové číslo zhoduje s počtom elektrónov atómu.) V prípade lítia vo vrstve $K$ niet viac miesta (obidve sú obsadené), preto tretí elektrón sa musí umiestniť na vrstve $L$ ( $n = 2$ ). Táto energetická hladina (trajektória – pokiaľ sa vrátime k Bohrovmu znázorneniu) má kvantové čísla $n = 2, l = 0, m = 0, s = + \frac{1}{2} .$

elektrónové vrstvy — Obr. 24.3:Ako sa napĺňajú podvrstvy a vrstvy v atómoch rastom atómového čísla. Tak, ako sa zvyšuje atómové číslo, rozmer vrstiev sa zmenšuje, lebo väčší náboj jadra pôsobí väčšou silou. Dôsledkom je, že rozmer všetkých atómov je približne rovnaký – čo je prijateľné, lebo posledný elektrón cíti len jeden elementárny náboj jadra, zvyšok je odtienený.

Berýlium má 4 elektróny, z ktorých prvé tri majú rovnaké kvantové čísla, ako trojica elektrónov v lítiu. Štvrtý elektrón berýlia má rovnaké kvantové čísla ako tretí elektrón s jediným rozdielom, že jeho spinové kvantové číslo musí byť $s = - \frac{1}{2}$ , aby sa líšili aspoň v jednom kvantovom čísle. Takto tretí a štvrtý elektrón berýlia sa nachádzajú stále na tej istej podvrstve, – povedali sme, že elektróny s rovnakým hlavným kvantovým číslom $n$ tvoria vrstvu elektrónov v atóme, a podobne tomu, z týchto elektrónov tvoria podvrstvu tie, ktoré majú rovnaké vedľajšie kvantové číslo $l .$ Nakoľko pre dané $l$ magnetické kvantové číslo $m$ môže nadobudnúť $2 l + 1$ rôznych hodnôt a tiež 2 hodnoty $s,$ na podvrstve s kvantovým číslom $l$ môže byť celkom $2 (2 l + 1)$ elektrónov.

Ďalšie a ďalšie elektróny nasledujúcich 6 prvkov (bór, uhlík, dusík, kyslík, fluór a neón) zaplnia podvrstvu $l = 1$ vrstvy $L$ ( $n = 2$ ), ktorá sa tým uzavrie – povieme tak, keď na danej vrstve už nie sú ďalšie voľné miesta (vyčerpali sa kvantové čísla pre danú vrstvu).

Ak zoberieme v poradí atómových čísiel ďalších 8 prvkov (od sodíka po argón) naplnia sa podvrstvy $l = 0$ a $l = 1$ vrstvy $M$ ( $n = 3$ ).

Vrstva $M$ ( $n = 3$ ) dovoľuje maximálnu hodnotu pre vedľajšie kvantové číslo $l = 2$ a očakávali by sme, že elektróny ďalších atómov v poradí, teda atómy po argónu (začínajúc draslíkom, ktorý má atómové číslo $Z = 19$ ) postupne zaplnia túto podvrstvu, ale nestane sa tak. Vrstva $M$ zostáva nezaplnená, a 19-tý elektrón draslíka si „sadne“ na novú vrstvu $N$ ( $n = 4$ ) do podvrstvy $l = 0 .$ Energia dráh s menším $l$ je nižšia, než s vyšším $l$ a v tomto prípade dokonca $l = 0$ z vrstvy $n = 4$ má nižšiu energiu, než $l = 2$ z vrstvy $n = 3 .$ Tak sa stane, že posledné elektróny draslíka ( $Z = 19$ ) a vápnika ( $Z = 20$ ) zaplnia podvrstvu $l = 0$ na vrstve $N$ ( $n = 4$ ), ktorá sa stáva novou valenčnou vrstvou (najvzdialenejšou vrstvou, ktorá určuje chemické vlastnosti) napriek tomu, že vrstva $M$ ešte nie je zaplnená úplne – podvrstva $l = 2$ je prázdna. Túto podvrstvu $l = 2$ vrstvy $M$ zaplnia až elektróny ďalších 10 prvkov v poradí od skandia ( $Z = 21$ ) po zinok ( $Z = 30$ ), pričom valenčnou vrstvou je stále vrstva $N$ ( $n = 4$ ) s dvomi elektrónmi na podvrstve $l = 0$ , ako to má vápnik.² Až v tomto okamihu pokračuje napĺňanie vrstvy $N$ ( $n = 4$ ), ktorá je stále valenčnou vrstvou. Podvrstva $l = 1$ je postupne doplnená elektrónmi prvkov od gália ( $Z = 31$ ) po kryptón ( $Z = 36$ ).

Box 24-3 Madelungovo pravidlo

Elektróny nasledujúcich 10 prvkov (od ytria po kadmium) zaplnia podvrstvu $l = 2$ vrstvy $N$ ( $n = 4$ ); elektróny ďalších 6 prvkov v poradí (od india po xenón) zaplnia podvrstvu $l = 1$ vrstvy $O$ (n=5), a než by elektróny ďalších prvkov začali „sadať“ do ešte otvorených vrstiev $N$ a $O$ , sadnú si na novú vrstvu $P$ ( $n = 6$ ), čím tá sa stáva valenčnou vrstvou napriek tomu, že pod ňou sú ešte otvorené dve vrstvy. Takto to pokračuje až do konca všetkých známych prvkov.
Pre jednoduchší popis podvrstiev sa používa tzv. spektroskopické značenie. Najprv sa uvedie hlavné kvantové číslo $n$ vrstvy a k nemu sa pripojí písmenové označenie vedľajšieho kvantového čísla:

„s“ pre $l = 0$ , „p“ pre $l = 1$ , „d“ pre $l = 2$ , „f“ pre $l = 3$ , „g“ pre $l = 4$ atď. v poradí písmen abecedy (teda s,p,d,f,g,h,i,k,…– písmeno „j“ sa nepoužije).
Značenie potom vyzerá nasledovne: podvrstva $l = 0$ na vrstve $K$ ( $n = 1$ ) sa značí 1s, vrstva $l = 0$ na vrstve $L$ ( $n = 2$ ) zase 2s, $l = 1$ na vrstve $K$ je 2p, atď. Teraz už jednoduchým spôsobom môžeme zapísať poradie, v akom sa zapĺňajú podvrstvy (výsledok Madolungovho pravidla, ktoré sme nepopísali) – začatie novej vrstvy je vždy nový riadok (nové vrstvy sa stávajú valenčnými a rozhodujúcimi pre chemické vlastnosti prvkov)
1s
2s 2p
3s 3p
4s 3d 4p
5s 4d 5p
6s 4f 5d 6p
7s 5f 6d 7p
Madelungovo pravidlo je presné v tom, že v akom poradí sa načnú podvrstvy. Vôbec ale nie je pravda, že by sa najprv vždy zaplnili dané podvrstvy, a potom by sa začali obsadzovať podvrstvy uvedené v Madelungovom poradí. Nie je ťažké nájsť systém Madelungovho pravidla, ale neučte sa to naspamäť, nájdite radšej ten jednoduchý systém.

Teraz už asi nikoho neprekvapí, že elektróny nasledujúcich prvkov nepokračujú napĺňaním podvrstvy $l = 2$ vrstvy $N$ ( $n = 4$ ), ale elektróny si začnú sadať na novú vrstvu $O$ ( $n = 5$ ) a posledné elektróny prvkov v poradí (rubídium a stroncium) postupne zaplnia podvrstvu $l = 0$ vrstvy $O$ . Valenčnou vrstvou sa teda stáva vrstva $O$ ( $n = 5$ ) a to napriek tomu, že vrstva $N$ ( $n = 4$ ) má prázdne podvrstvy $l = 2$ a $l = 3$ . Situácia sa bude len komplikovať.

²Tu sa nám rysuje tzv. Madelungovo pravidlo, ktoré nebudeme popisovať, len ju naznačíme (presnejšie pozri Box 24-3). Jedná sa len o približné pravidlo popisujúce v akom poradí sa zapĺňajú podvrstvy jednotlivých vrstiev. Ďalej sa používajú prvé dve Hundove pravidlá k určeniu poradia, v akom sa zapĺňajú stavy s kvantovými číslami $m$ a $s$ na danej podvrstve – takto sa to používa relatívne úspešne, aj keď Hundove pravidlá sú o inom. Príroda obsadzuje v atómoch elektróny vždy tak, aby si „sadli“ do stavu s najnižšou energiou, čo je výsledkom zložitej interakcie medzi jadrom a ďalšími elektrónmi atómu.

24-3 Periodická sústava prvkov