ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΔΕΝ ΚΙΝΟΥΝΤΑΙ ΣΕ ΤΡΟΧΙΕΣ

Τα ατομικά τροχιακά και η σύγχυση γύρω από τη δομή του ατόμου. Μια εκλαϊκευμένη προσέγγιση χωρίς αναφορά σε κβαντικούς αριθμούς και μαθηματικές σχέσεις

Τα ατομικά τροχιακά και η σύγχυση γύρω από τη δομή του ατόμου. Μια εκλαϊκευμένη προσέγγιση χωρίς αναφορά σε κβαντικούς αριθμούς και μαθηματικές σχέσεις

Η παλιά, λανθασμένη αντίληψη
για την κίνηση των ηλεκτρονίων.

Μπορείτε να σχεδιάσετε μια ορισμένη διαδρομή που ακολουθεί ένας πλανήτης που κινείται γύρω από τον Ήλιο, η οποία καλείται τροχιά. Μια απλή θεώρηση των ατόμων είναι παρόμοια, με τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.


Όμως, η αλήθεια είναι διαφορετική. Στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν περιοχές του τρισδιάστατου χώρου γύρω από τον πυρήνα, που καλούνται τροχιακά.

Τροχιές και τροχιακά ακούγονται παρόμοια, αλλά έχουν εντελώς διαφορετικό νόημα. Είναι σημαντικό να αντιληφθούμε τη διαφορά μεταξύ τους.


Η αδυναμία σχεδίασης
τροχιών για τα ηλεκτρόνια

Για να σχεδιάσετε τη διαδρομή που ακολουθεί κάτι πρέπει να γνωρίζετε επακριβώς πού βρίσκεται το αντικείμενο και πού θα βρίσκεται μια στιγμή αργότερα. Αυτό δεν μπορεί να γίνει για τα ηλεκτρόνια.

Η Αρχή της Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ συνεπάγεται ότι δεν μπορούμε να ξέρουμε με βεβαιότητα πού βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο και πού θα βρίσκεται μετά. Στην πραγματικότητα, η εν λόγω αρχή λέει ότι είναι αδύνατον να προσδιορίσουμε με απόλυτη ακρίβεια ταυτόχρονα τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου.

Ως αποτέλεσμα, είναι αδύνατο να αποτυπωθεί η τροχιά ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Αυτό είναι πρόβλημα; Όχι. Αν κάτι είναι αδύνατο πρέπει να το αποδεχτείς και να προσεγγίσεις το θέμα διαφορετικά.


Το ηλεκτρόνιο του υδρογόνου - 1s τροχιακό

Υποθέστε ότι έχετε ένα άτομο υδρογόνου και μια συγκεκριμένη στιγμή αποτυπώνετε τη θέση του μοναδικού του ηλεκτρονίου. Λίγο μετά κάνετε το ίδιο πράγμα και ανακαλύπτετε ότι βρίσκεται σε μια νέα θέση. Δεν έχετε ιδέα πώς βρέθηκε από τη μία θέση στην άλλη.
 

Αν συνεχίσετε να επαναλαμβάνετε τη διαδικασία, σταδιακά θα σχεδιάσετε ένα τρισδιάστατο χάρτη με τις θέσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο. Στην περίπτωση του υδρογόνου που είναι η πιο απλή, το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί οπουδήποτε εντός μιας σφαιρικής περιοχής γύρω από τον πυρήνα. Το δισδιάστατο διάγραμμα δεξιά αναπαριστά μια διατομή αυτής της σφαιρικής περιοχής όπου μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο του υδρογόνου.

Πηγή: chemguide.co

95% του χρόνου το ηλεκτρόνιο θα βρίσκεται εντός μίας επαρκώς καθορισμένης περιοχής κοντά στον πυρήνα. Αυτή η περιοχή καλείταιτροχιακό. Μπορείτε να θεωρείτε το τροχιακό ως την περιοχή του χώρου όπου το ηλεκτρόνιο κατοικεί.
Εάν θέλετε να είσθε απολύτως 100% βέβαιοι πού βρίσκεται το ηλεκτρόνιο, πρέπει να σχεδιάσετε ένα τροχιακό του μεγέθους του σύμπαντος!

Τι κάνει το ηλεκτρόνιο στο τροχιακό; Δεν γνωρίζουμε, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε, τοιουτοτρόπως πρέπει να αγνοήσουμε το πρόβλημα! Όλα όσα μπορούμε να πούμε είναι ότι αν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο τροχιακό θα έχει μια καθορισμένη ενέργεια.

Κάθε τροχιακό έχει ένα όνομα. Το τροχιακό που καταλαμβάνει το ηλεκτρόνιο του υδρογόνου καλείται 1s τροχιακό. Το "1" αντιπροσωπεύει το γεγονός ότι το τροχιακό βρίσκεται στο ενεργειακό επίπεδο (ενεργειακή στάθμη) εγγύτερα στον πυρήνα. Το "s" αντιπροσωπεύει το σχήμα του τροχιακού. Τα s τροχιακά είναι σφαιρικά και συμμετρικά γύρω από τον πυρήνα. Το τροχιακό της εικόνας αριστερά είναι το 2s τροχιακό. Είναι παρόμοιο με το 1s τροχιακό εκτός του ότι η περιοχή όπου υπάρχει η μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο είναι σχετικά πιο μακριά από τον πυρήνα. Είναι ένα τροχιακό της δεύτερης ενεργειακής στάθμης.

Αν κοιτάξετε προσεκτικά θα παρατηρήσετε ότι υπάρχει μία άλλη περιοχή ηλεκτρονιακής πυκνότητας εγγύτερα στον πυρήνα. "Ηλεκτρονιακή πυκνότητα" είναι ένας άλλος τρόπος να πούμε πού μπορεί πιθανότατα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου.

Τα ηλεκτρόνια των τροχιακών 2s, 3s, 4s κ.λπ. αφιερώνουν μέρος του χρόνου τους εγγύτερα στον πυρήνα από ό,τι θα περιμέναμε. Το αποτέλεσμα είναι να μειώνουν την ενέργειά τους. Όσο πιο κοντά βρίσκονται στον πυρήνα, τόσο χαμηλότερη η ενέργειά τους. Τα τροχιακά 3s, 4s κ.λπ. προοδευτικά απομακρύνονται από τον πυρήνα.

 

p τροχιακά Πολύ λίγα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα s τροχιακά. Στην πρώτη ενεργειακή στάθμη μόνο το 1s τροχιακό είναι διαθέσιμο για τα ηλεκτρόνια. Αλλά στη δεύτερη ενεργειακή στάθμη εκτός από το 2s τροχιακό, υπάρχουν και τα 2p τροχιακά. Το p τροχιακό μοιάζει με δύο όμοια μπαλόνια δεμένα στον πυρήνα. Πάλι το δισδιάστατο διάγραμμα είναι μία διατομή του τρισδιάστατου χώρου και το τροχιακό αναπαριστά την περιοχή που θα βρεθεί ένα συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο με πιθανότητα 95%. Πώς μπορεί το ηλεκτρόνιο να περνάει από τον έναν λοβό του τροχιακού στον άλλο χωρίς να περνάει από το επίπεδο του πυρήνα; Πρέπει να αποδεχθείτε ότι μπορεί και αυτό έχει να κάνει με την κυματική του φύση.

Σε αντίθεση με τα s τροχιακά που έχουν σφαιρική συμμετρία, τα p τροχιακά έχουν έναν προσανατολισμό στον χώρο. Είναι δυνατόν να έχουμε τρία απολύτως ισοδύναμα p τροχιακά κάθετα μεταξύ τους. Αυτά συμβολίζονται προς διευκόλυνση ως px, py και pz. Τα p τροχιακά στη δεύτερη ενεργειακή στάθμη καλούνται 2px, 2py, και 2pz. Αντιστοίχως για τα επόμενα επίπεδα: 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py, 4pz κ.λπ..

Όλες οι ενεργειακές στάθμες εκτός της πρώτης διαθέτουν p τροχιακά. Στα υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα οι λοβοί επιμηκύνονται, με αποτέλεσμα η πιθανή θέση του ηλεκτρονίου να βρίσκεται όλο και μακρύτερα από τον πυρήνα.


d και f τροχιακά

Επιπρόσθετα των s και p τροχιακών, υπάρχουν άλλες δύο ομάδες τροχιακών οι οποίες εμφανίζονται σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες. Στην τρίτη ενεργειακή στάθμη υπάρχει μια ομάδα πέντε d τροχιακών με περίπλοκα σχήματα και ονομασίες, όπως και τα τροχιακά 3s και 3p (3p_x, 3p_y, 3p_z), συνολικά 9 τροχιακά.

Στην τέταρτη ενεργειακή στάθμη εκτός από τα 4s, 4p και 4d τροχιακά υπάρχουν και επτά f τροχιακά, συνολικά 16 τροχιακά. Τα s, p, d, f τροχιακά είναι επίσης διαθέσιμα σε όλες τις ακόμα υψηλότερες ενεργειακές στάθμες.


Ταιριάζοντας ηλεκτρόνια σε τροχιακά

Μπορείτε να φανταστείτε το άτομο ως ένα παράξενο σπίτι, όπως μια ανεστραμμένη πυραμίδα! Ο πυρήνας κατοικεί στο ισόγειο και μετά διάφορα δωμάτια (τροχιακά) στους ανώτερους ορόφους καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια. Στον πρώτο όροφο υπάρχει μόνο 1 δωμάτιο (1s τροχιακό). Στο δεύτερο όροφο υπάρχουν 4 δωμάτια (ένα 2s τροχιακό και τα τρία 2p τροχιακά). Στον τρίτο όροφο υπάρχουν 9 δωμάτια (ένα 3s τροχιακό, τρία 3p τροχιακά και πέντε 3d τροχιακά). Αλλά τα δωμάτια είναι μικρά. Καθένα τροχιακό μπορεί να φιλοξενήσει μόνο δύο ηλεκτρόνια.

Ένας βολικός τρόπος να δείξετε τα τροχιακά στα οποία κατοικούν τα ηλεκτρόνια είναι να σχεδιάσετε "ηλεκτρόνια σε κουτιά".


"Ηλεκτρόνια σε κουτιά"
Τα τροχιακά μπορούν να αναπαρασταθούν με κουτιά με τα ηλεκτρόνιά τους σε μορφή βελών. Συνήθως ένα πάνω και ένα κάτω βέλος χρησιμοποιούνται για να δείξουν ότι τα ηλεκτρόνια είναι διαφορετικά.

Η ανάγκη όλα τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου να είναι διαφορετικά προέρχεται από την Κβαντική Θεωρία (Απαγορευτική Αρχή του Pauli). Αν καταλαμβάνουν διαφορετικά τροχιακά δεν υπάρχει πρόβλημα. Αλλά αν βρίσκονται στο ίδιο τροχιακό απαιτείται να υπάρχει μία διάκριση μεταξύ τους. Η Κβαντική Θεωρία τα προικοδοτεί με μια ιδιότητα γνωστή ως "σπιν", εξ ου και η χρήση των βελών. Σημείωση: το κβαντικό σπιν δεν έχει καμία σχέση με το σπιν ή ιδιοστροφορμή της Κλασικής Φυσικής.
  

Ένα 1s τροχιακό που διαθέτει δύο ηλεκτρόνια μπορεί να σχεδιαστεί όπως στην εικόνα, αλλά μπορεί και να γραφτεί εν συντομία ως 1s2. Αυτό διαβάζεται "ένα ες δύο", όχι "ένα ες στο τετράγωνο".

  

Δεν πρέπει να συγχέονται οι δύο αριθμοί. Ο πρώτος αντιπροσωπεύει την ενεργειακή στάθμη και ο εκθέτης τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο τροχιακό.

Το σύστημα συμπλήρωσης των τροχιακών
H Αρχή Aufbau

Aufbau είναι γερμανικός όρος και σημαίνει δόμηση ή κατασκευή. Το φανταζόμαστε σαν να πηγαίνουμε από το ένα άτομο στο άλλο στον Περιοδικό Πίνακα. Μπορείτε να υπολογίσετε την ηλεκτρονιακή δομή του επόμενου ατόμου προσθέτοντας ένα ηλεκτρόνιο στο επόμενο διαθέσιμο τροχιακό.

Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν χαμηλά ενεργειακά τροχιακά (εγγύτερα στον πυρήνα) πριν συμπληρώσουν τα υψηλότερα. Όπου υπάρχει επιλογή μεταξύ τροχιακών με ίδια ενέργεια, συμπληρώνουν τα τροχιακά όσο γίνεται πιο μεμονωμένα.

Αυτός ο μεμονωμένος τρόπος συμπλήρωσης ονομάζεται Κανόνας του Hund. Εφαρμόζεται μόνο όπου τα τροχιακά έχουν ίδιες ενέργειες και βοηθάει να ελαχιστοποιήσει τις απωθήσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων με συνέπεια τη μεγαλύτερη σταθερότητα του ατόμου.
 

Το διάγραμμα δεξιά (όχι σε κλίμακα) περιλαμβάνει τις ενέργειες των τροχιακών μέχρι το 4p επίπεδο. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, το s τροχιακό πάντα έχει ελαφρώς χαμηλότερη ενέργεια από το p τροχιακό στην ίδια ενεργειακή στάθμη (2, 3, 4), οπότε το s τροχιακό πάντα συμπληρώνεται με ηλεκτρόνια πριν τα αντίστοιχα p τροχιακά.

Το αλλόκοτο είναι η θέση των 3d τροχιακών. Βρίσκονται σε ελαφρώς υψηλότερο επίπεδο από το 4s. Οπότε είναι το 4s τροχιακό που θα συμπληρώσετε πρώτα και μετά τα 3d τροχιακά και ακολούθως τα 4p τροχιακά.

Παρόμοια αταξία λαμβάνει χώρα σε υψηλότερα επίπεδα με τόση πολύ επικάλυψη μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων που δεν συμπληρώνετε τα 4f τροχιακά μέχρι να συμπληρωθούν πρώτα τα 6s για παράδειγμα.


Η σύγχυση
γύρω από από τη δομή του ατόμου
Οι περισσότερες δημοφιλείς εικόνες του ατόμου είναι λάθος!

Οι περισσότερες επιστημονικές απεικονίσεις του ατόμου δείχνουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται γύρω από τον πυρήνα όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Αυτές οι εικόνες είναι απλά εντελώς λανθασμένες. Προέρχονται από μια παλιά ιδέα για τη δομή του ατόμου και συντηρούνται εν μέρει λόγω συνήθειας και εν μέρει επειδή η μοντέρνα αντίληψη για τα ηλεκτρόνια των ατόμων είναι πολύ δύσκολη για να αναπαρασταθεί με απλές εικόνες.

Μπορείτε να πείτε ότι γνωρίζετε ότι δεν είναι έτσι. Ότι τα ηλεκτρόνια διευθετούνται με ένα συγκεκριμένο τρόπο, όπως στο παρακάτω διάγραμμα με το νάτριο:
 

Αυτό είναι αποδεκτό με τον όρο ότι γνωρίζετε τί σημαίνουν οι κύκλοι. Οι κύκλοι δεν είναι τροχιές. Τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε κύκλους. Οι κύκλοι στην περίπτωση αυτή αντιπροσωπεύουν ενεργειακές στάθμες. Όσο πιο κοντά στον πυρήνα τόσο λιγότερη ενέργεια έχουν.

Μπορείτε απλά να ισιώσετε τους κύκλους και να σχεδιάσετε το νάτριο όπως στο διάγραμμα.
 

Με αυτό τον τρόπο οποιαδήποτε ιδέα κίνησης γύρω από τον πυρήνα εξαφανίζεται. (Στην πραγματικότητα αυτός ο απλός τρόπος απεικόνισης είναι απλουστευμένος, όπως εξάλλου και η απεικόνιση με κύκλους. Π.χ. τα οκτώ ηλεκτρόνια στη δεύτερη ενεργειακή στάθμη δεν έχουν όλα την ίδια ακριβώς ενέργεια.

Τα δύο από αυτά έχουν ελαφρώς χαμηλότερη ενέργεια από τα υπόλοιπα έξι).


Πώς τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα;

Η σύντομη απάντηση είναι είναι ότι δεν ξέρουμε. Για την ακρίβεια η ισχύουσα θεωρία λέει ότι είναι αδύνατο να ξέρουμε. Όλα όσα ξέρουμε είναι η ενέργειά τους και σε ποια περιοχή του χώρου είναι πιο πιθανό να βρεθούν.

Το μεγάλο πρόβλημα είναι η σύγχυση μεταξύ των όρων "τροχιά" και "τροχιακό". Ηχούν σαν να αναφέρονται σε κάτι παρόμοιο. Θα ήταν πολύ καλύτερα αν χρησιμοποιούταν ένας εντελώς διαφορετικός όρος για τα τροχιακά.
 

Στην εικόνα δεξιά, δύο άτομα φθορίου σχηματίζουν ομοιοπολικό δεσμό. Στην περίπτωση αυτή ένα τροχιακό από το ένα άτομο επικαλύπτεται στο χώρο με ένα τροχιακό από το άλλο άτομο. Το καθένα τροχιακό περιλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο και συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα νέο τροχιακό που περιλαμβάνει και τα δύο ηλεκτρόνια - ένα μοριακό τροχιακό.

Το μοριακό τροχιακό έχει διαφορετικό σχήμα από τα αρχικά τροχιακά. Δεν έχουμε ιδέα πώς τα ηλεκτρόνια κινούνται εντός του νέου τροχιακού.


Γιατί οι περισσότεροι άνθρωποι
βρίσκονται σε σύγχυση;

Η απάντηση βρίσκεται στον αμελή και επιπόλαιο τρόπο που το θέμα της ατομικής δομής διδάσκεται είτε στις αίθουσες είτε στα σχολικά βιβλία.

Η ακολουθία των γεγονότων έχει περίπου ως εξής:

─ Ήδη έχετε μία λανθασμένη ιδέα όσον αφορά τη διευθέτηση των ηλεκτρονίων στο άτομο από διάφορα δημοφιλή επιστημονικά διαγράμματα.

─ Ο δάσκαλός σας λέει κάτι σαν: "Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα". Ή ακόμα χειρότερα: "Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα".

─ Κατόπιν σχεδιάζει τα οικεία σχεδιαγράμματα με τα ηλεκτρόνια σε κύκλους και προφανώς υποθέτετε ότι οι κύκλοι είναι τροχιές, όπως οι πλανήτες στο ηλιακό σύστημα.

─ Και η ζημιά έχει γίνει. Η πλήρως λανθασμένη εικόνα με τα ηλεκτρόνια σε τροχιές κλειδώνει μέσα στο μυαλό με τις βασικές ιδέες σας πάνω στη Χημεία.

Όλο αυτό μπορεί εύκολα να αποφευχθεί. Η ακολουθία πρέπει να έχει περίπου ως εξής:

─ Ο δάσκαλός σας ξεκινάει λέγοντας κάτι σαν: "Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται μακριά από τον πυρήνα σε μια σειρά επιπέδων που ονομάζονται ενεργειακές στάθμες. Κάθε ενεργειακή στάθμη μπορεί να κατέχει ένα συγκεκριμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Η πρώτη στάθμη (εγγύτερα του πυρήνα) περιλαμβάνει μόνο δύο ηλεκτρόνια" κ.τ.λ..

─ Έπειτα, μπορεί να δείξει τις ηλεκτρονιακές δομές των είκοσι πρώτων στοιχείων του Περιοδικού Πίνακα με απλούς όρους ενεργειακών σταθμών, όπως στο παράδειγμα με το νάτριο.

─ Μόνο τότε λέει κάτι σαν "συχνά δεχόμαστε αυτά τις ενεργειακές διαβαθμίσεις ως κύκλους" και μετά παρουσιάζει τα γνωστά διαγράμματα με κύκλους.

─ Και καθώς σχεδιάζει το πρώτο από αυτά, λέει: "Ούτε για μια στιγμή μην θεωρήσετε αυτούς τους κύκλους σαν τις τροχιές των πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Για πολύ σύνθετους λόγους είναι αδύνατο να ξέρουμε πώς ένα ηλεκτρόνιο κινείται μέσα στο άτομο. Αυτοί οι κύκλοι αντιπροσωπεύουν ενεργειακές στάθμες".

─ Και ποτέ κανείς δεν θα χρησιμοποιήσει τον κάκιστο όρο "τροχιά" στη Χημεία ξανά! 



Πηγή: freeinquiry.gr

Οι απόψεις του ιστολογίου μπορεί να μην συμπίπτουν με τα περιεχόμενα του άρθρου

Συνδεθείτε στη σελίδα μας στο Facebook

Tο greek1.blogspot.com δημοσιεύει άρθρα της καθημερινότητας και της πολιτικής μέσα από τα οποία ο καθένας έχει το δικαίωμα να εκφράζει ελεύθερα τις απόψεις του. 

Kείμενα ή εικόνες (με σχετική σημείωση της πηγής), θεωρούμε ότι είναι δημόσια.

 Αν υπάρχουν δικαιώματα συγγραφέων, ή ότιάλλο παρακαλούμε ενημερώστε μας στο 1greek.wordpress.com@gmail.comγια να τα αφαιρέσουμε. 

Επίσης σημειώνεται ότι οι απόψεις του ιστολόγιου μπορεί να μην συμπίπτουν με τα περιεχόμενα του άρθρου. 

Για τα άρθρα που δημοσιεύονται εδώ, ουδεμία ευθύνη εκ του νόμου φέρουμε καθώς απηχούν αποκλειστικά τις απόψεις των συντακτών τους και δεν δεσμεύουν καθ’ οιονδήποτε τρόπο το ιστολόγιο. 

Ο διαχειριστής του ιστολόγιου δεν ευθύνεται για τα σχόλια και τους δεσμούς που περιλαμβάνει. Τονίζουμε ότι υφίσταται μετριασμός των σχολίων και παρακαλούμε πριν δημοσιεύσετε το σχόλιό σας, έχετε υπόψιν σας τα ακόλουθα: 
● Κάθε γνώμη είναι σεβαστή, αρκεί να αποφεύγονται ύβρεις, ειρωνείες, ασυνάρτητος λόγος και προσβλητικοί χαρακτηρισμοί, πολύ περισσότερο σε προσωπικό επίπεδο, εναντίον των συνομιλητών ή και των συγγραφέων, με υποτιμητικές προσφωνήσεις, ύβρεις, υπονοούμενα, απειλές, ή χυδαιολογίες. 
● Μην δημοσιεύετε άσχετα, με το θέμα, σχόλια.