Podczas tej lekcji zbadamy rolę i cechy elektronów w kontekście atomu. Elektrony to cząstki podstawowe, które odgrywają kluczową rolę w określaniu właściwości chemicznych pierwiastków. Zagłębiając się w ich zachowanie, rozmieszczenie i interakcję z innymi składnikami atomowymi, zyskujemy wgląd w podstawy chemii i fizyki.
Elektrony to cząstki subatomowe o ładunku ujemnym, oznaczone przez \(e^-\) . Są jednym z trzech głównych składników atomu, obok protonów i neutronów. W przeciwieństwie do protonów i neutronów znajdujących się w jądrze atomu, elektrony krążą wokół jądra w obszarach zwanych powłokami elektronowymi lub poziomami energii. Masa elektronu jest znacznie mniejsza niż masa protonów i neutronów, w przybliżeniu \(\frac{1}{1836}\) tej masy protonu. Ta niewielka masa pozwala elektronom zajmować ogromną objętość przestrzeni atomu, pomimo ich znikomego udziału w masie atomu.
Elektrony są rozmieszczone na poziomach energetycznych atomów lub powłokach zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego, zasadą Aufbau i regułą Hunda. Najbardziej stabilną konfigurację osiąga się, gdy elektrony najpierw wypełniają najniższe poziomy energii, a następnie przechodzą na wyższe. Układ ten określa właściwości chemiczne atomu, w tym jego reaktywność i zdolność do tworzenia wiązań z innymi atomami.
Na przykład atom wodoru, który ma jeden elektron, ma ten elektron na swojej pierwszej powłoce. Tlen mający osiem elektronów ma dwa elektrony na pierwszej powłoce i sześć na drugiej powłoce.
Elektrony odgrywają kluczową rolę w tworzeniu wiązań chemicznych, interakcji utrzymujących atomy razem w cząsteczkach lub związkach. Istnieją przede wszystkim trzy rodzaje wiązań chemicznych: jonowe, kowalencyjne i metaliczne, z których wszystkie obejmują elektrony. W wiązaniu jonowym elektrony przenoszone są z jednego atomu na drugi, w wyniku czego jony dodatnie i ujemne przyciągają się nawzajem. Wiązania kowalencyjne obejmują dzielenie się parami elektronów między atomami, podczas gdy wiązania metaliczne powstają w wyniku łączenia się elektronów, które mogą swobodnie poruszać się po metalowej strukturze.
Koncepcję elektronów krążących wokół jądra po określonych ścieżkach lub orbitach po raz pierwszy zaproponował Niels Bohr. Jednak współczesna mechanika kwantowa zapewnia dokładniejszy opis, wprowadzając koncepcję orbitali. Orbitale to obszary przestrzeni wokół jądra, w których prawdopodobnie znajdują się elektrony. W przeciwieństwie do określonych orbit modelu Bohra, mechanika kwantowa opisuje pozycje elektronów w kategoriach prawdopodobieństwa. Zasada nieoznaczoności Heisenberga głosi, że niemożliwe jest jednoczesne określenie dokładnego położenia i prędkości elektronu.
To kwantowe zachowanie elektronów ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia złożonych struktur atomów poza najprostszym atomem wodoru. Elektrony w większych atomach zajmują złożony układ orbitali o różnych kształtach i poziomach energii. Należą do nich orbitale s, p, d i f, każdy o charakterystycznym kształcie i zdolności do zatrzymywania elektronów.
Elektrony walencyjne to elektrony znajdujące się na zewnętrznej powłoce atomu. Odgrywają znaczącą rolę w określaniu właściwości chemicznych atomu i jego zdolności do interakcji z innymi atomami. Liczba elektronów walencyjnych odpowiada numerowi grupy pierwiastka w układzie okresowym dla bloków sip. Na przykład pierwiastki z grupy 1 mają jeden elektron walencyjny, podczas gdy pierwiastki z grupy 18 mają osiem elektronów walencyjnych (z wyjątkiem helu, który ma dwa).
Konfiguracja elektronów walencyjnych wyjaśnia okresowość obserwowaną w układzie okresowym, gdzie pierwiastki z tej samej grupy wykazują podobne zachowania chemiczne. Dzieje się tak, ponieważ mają tę samą liczbę elektronów walencyjnych, co prowadzi do podobnych właściwości i reakcji wiązania.
Elektrony mogą absorbować energię i przeskakiwać na wyższe poziomy energii lub spadać na niższe poziomy energii, emitując energię w postaci fotonów. Proces ten ma fundamentalne znaczenie dla zjawiska spektroskopii, w której widmo emitowanego światła można analizować w celu określenia składu substancji. Energię fotonu wyemitowanego lub pochłoniętego podczas tego przejścia wyraża równanie \(E = h\nu\) , gdzie \(E\) to energia fotonu, \(h\) to stała Plancka, a \(\nu\) to częstotliwość fotonu.
Zasadę tę ilustruje widmo emisyjne wodoru, które składa się z kilku linii odpowiadających przejściom elektronów pomiędzy poziomami energii. Każde przejście uwalnia foton o określonej długości fali, w wyniku czego powstaje widmo liniowe unikalne dla wodoru.
Eksperyment z lampą katodową: Jest to klasyczny eksperyment wykazujący obecność elektronów. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez gaz pod niskim ciśnieniem w lampie elektronopromieniowej, wytwarzana jest wiązka widoczna dla ludzkich oczu. Stwierdzono, że wiązka ta jest odchylana przez pola magnetyczne i elektryczne, co sugeruje obecność ujemnie naładowanych cząstek – później zidentyfikowanych jako elektrony.
Eksperyment z kroplą oleju: w eksperymencie przeprowadzonym przez Roberta A. Millikana i Harveya Fletchera zmierzono ładunek pojedynczego elektronu. Drobne kropelki oleju zawieszono pomiędzy dwiema naładowanymi płytkami, a ich ruch pod wpływem pola elektrycznego pozwolił na obliczenie ładunku każdej kropli. W tym eksperymencie ustalono, że ładunek elementarny wynosi w przybliżeniu \(1.60 \times 10^{-19}\) kulombów, ustanawiając kwantyzację ładunku elektrycznego.
Podczas tej lekcji zbadaliśmy podstawowe aspekty elektronów w kontekście atomów. Od rozkładu poziomów energii po rolę w wiązaniach chemicznych i zachowaniu kwantowym, elektrony są niezbędne do zrozumienia niezliczonych właściwości i reakcji pierwiastków. Wiedza o tym, jak elektrony oddziałują w atomach i z innymi atomami, kładzie podwaliny pod rozległe dziedziny chemii i fizyki, wyjaśniając wszystko, od struktury cząsteczek po zachowanie materiałów.
