Elementuen egitura atomikoa:

Zenbaki Kuantikoak & Orbitalak

USE &Selektibitate batzarretik:

Konfigurazio elektronikoa eta propietate periodikoak (ioi monoatomikoak barne)

Zenbaki Kuantikoak

Itziar Izurieta (2021 apirila)

Gaiari lotutako EDUKIAK (127/2016 Dekretua, Batxilergoko curriculuma)

Elementuen egitura atomikoa eta sailkapen periodikoa Zenbaki kuantikoak. Pauliren esklusio-printzipioa eta Hunden araua. Orbital atomikoak.

Aurkibidea:

1 Atomoa (laburbilduta) ........................................................................................................ 1

1.1 Magnitude atomikoak ................................................................................................. 1

1.2 Isotopoak ..................................................................................................................... 2

1.3 Ioiak ............................................................................................................................. 3

2 Orbital atomikoak eta zenbaki kuantikoak ........................................................................ 4

3 Orbital atomikoen energia ................................................................................................. 7

4 Atomoen konfigurazio elektronikoa .................................................................................. 8

4.1 Paramagnetismoa eta diamagnetismoa ...................................................................... 8

4.2 Azpi-maila erdi betearen egonkortasun gehigarria ..................................................... 9

4.3 Egoera kitzikatua ....................................................................................................... 10

5 Informazio-iturriak ........................................................................................................... 11

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 1

Zer litzateke eraikin bat zementu edo adreilu gabe? Edo zer litzateke tortila bat arrautzarik gabe? Bada, zientzia munduan gauza bera gertatzen da, hau da, atomorik gabe, oinarririk gabe, gainerakoa ezingo litzatekeela aztertu. Horrexegatik, zientzialariak oinarri hori nolakoa zen aztertzeari ekin zioten.

Eredu atomikoen garapena;

lana

1 Atomoa (laburbilduta) Atomoa (grezieratik: ἄτομος, edo atomos, «zatiezina») bakarka edo antzekoekin molekuletan konbinaturik existi daitekeen elementu baten zati txikiena da.

Protoiak eta neutroiak biltzen diren nukleoaz eta horren inguruko elektroiez dago osatua.

Atomo baten nukleoaren tamaina atomo osoaren tamaina baino 100.000 aldiz txikiagoa da; hala ere, masa atomiko gehiena nukleoan dago.

Proportzioen inguruko ideia bat ematearren, atomo osoa futbol-zelai bat balitz, erdian jarritako dilista baten tamainakoa izango litzateke nukleoa, eta gainerako espazio guztia hodei elektroniko bat izango litzateke.

Solido, likido, gas zein plasma guztiak, atomo neutro edo ionizatuz osatuta daude.

Atomoa oinarrizko partikulatzat hartzen bada ere, errealitatean, partikula azpiatomikoz osatua dago: protoiez, neutroiez eta elektroiez. Protoiei eta neutroiei nukleoi ere deitzen zaie, atomoaren nukleoa osatzen dutelako.

Elektroiak dira atomoa osatzen duten partikuletan arinenak. Karga elektriko negatiboa dute, eta, haien azpiegitura arbuiagarria denez, oinarrizko partikula gisa hartzen dira.

Neutroiak eta protoiak, berriz, ez dira oinarrizko partikulak. Protoia u motako bi quark-ez eta d motako quark batez osatua dago. Neutroia berriz, d motako bi quark-ez eta u motako batez osatzen da. Quark-ak elkarrekintza nuklear bortitz baten ondorioz egoten dira elkartuta, zeina gluoien bidez neurtzen baita.

1.1 Magnitude atomikoak

Ondorioz, atomoak oinarrizko hiru partikulaz osatuta daude: protoiz, neutroiz eta elektroiz.

Partikula horien kopuruak atomoak bereizteko erabiltzen dira, eta magnitude atomikoak deritzen kontzeptuekin definitzen dira.

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 2

Atomo baten nukleoan dauden protoien kopurua adierazteko erabiltzen da.

Elementu guztiek zenbaki atomiko bereizgarria dute; bakoitzak berea.

Gainera atomoa elektrikoki neutroa bada, protoi kopurua eta elektroi kopurua berdinak dira.

Atomo baten nukleoan dauden nukleoi kopurua adierazteko erabiltzen da; nukleoan dauden partikula kopurua: protoiak gehi neutroiak.

A = Z + N

X, elementu kimiko baten sinboloa bada atomo bat modu honetan adieraz daiteke:

𝑿𝒁𝑨

Elementua bat ala beste bat izatea, atomo zenbakiak zehazten du. Hau da, atomo zenbaki berbera duten bi elementu, elementu berdinak dira. Atomo guztien guneetan neutroiak daude (hidrogenoaren formarik arruntenean izan ezik).

1.2 Isotopoak

Elementu gehienetan, ordea, elementu berdinaren nukleoek neutroi kopuru desberdina izan dezakete, hots, masa zenbaki desberdina, atomo zenbakia berdina izanda ere. Atomo horiei isotopo esaten zaie.

Elementu baten masa atomikoa, isotopo natural guztien batezbestekoa da, kontuan hartuta haien ugaritasuna(%):

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑘𝑜𝑎 = ∑𝑀𝑖𝑠𝑜𝑡𝑜𝑝𝑖𝑘𝑜𝑎 ∗ 𝑈𝑔𝑎𝑟𝑖𝑡𝑎𝑠𝑢𝑛𝑎 (%)

100

Adibidea: Hidrogenoaren isotopoak eta euren arteko proportzioa naturan

Elektroia

Protoia

Neutroia

Hidrogenoa: 𝑯𝟏𝟏 Deuterioa: 𝑯𝟏

𝟐 Tritioa: 𝑯𝟏𝟑

Ugaritasuna %99,985 %0,015 %10-15

Isotopoak zenbaki atomiko berdina baina zenbaki masiko ezberdina duten espezie kimikoak dira.

Ezberdintasuna neutroi-kopuruan datza.

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 3

1.3 Ioiak

Atomo batek elektroiak gal edo irabaz ditzake; hori gertatzen denean, karga elektrikoa hartzen du, eta ioi bihurtzen da.

Atomo batek elektroiak irabazten dituenean, karga negatibo handiagoa hartzen du, eta ioi negatibo edo anioi bihurtzen da.

Atomo batek elektroiak galtzen dituenean, karga negatibo txikiagoa du, eta ioi positibo edo katioi bihurtzen da.

Ad.-

Kloro ioia: 𝐶1735 𝑙−

Sodio ioia: 𝑁1122 𝑎+

Naturan elementu guztiek ez dute isotopoak.

Badira 20 elementu forma natural bakarra dutenak:

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 4

2 Orbital atomikoak eta zenbaki kuantikoak Orbital atomiko bakoitza hiru zenbaki kuantikoren balioak deskribatzen dute, eta energia-balio bereizgarria du, Schrödingerren ekuaziotik lortzen dena.

Geroago laugarren zenbaki bat definitu beharra ikusi zen, orbital bakoitzean elektroiak izan dezakeen orientazioa zehazteko.

Zenbaki kuantikoek orbital atomiko jakin bat eta bertan dagoen elektroia (edo elektroiak) identifikatzeko modua ematen digute; lehen hirurek orbital atomiko bakarra deskribatzen dute, eta laugarrena erabilita elektroia zehaztera heltzen gara.

Zenbaki kuantiko hauek mekanika kuantikoaren ekuazioak (Schrödingerren ekuazioa) atomoari aplikatzean eta ebaztean ageri dira; ez dira arbitrarioki asmatutakoak.

Atomoaren elektroi bakoitza lau zenbaki kuantikoen bidez adierazten da; zenbaki bakoitzak esanahi fisiko desberdina du.

Atomo batek izan ditzazkeen orbitalak ezagututa, eta nola ordenatzen diren jakinda elektroiak orbitaletan zehaztean konfigurazio elektronikoa lortzen da.

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 5

Zenbaki kuantikoa Balio

posibleak Adierazpidea

n Nagusia 1, 2, 3...

- Elektroia (edo orbitala) atomoan zein energia mailatan dagoen adierazten du.

- Orbitalaren tamainarekin erlazionatuta dago; zenbat eta handiagoa orbitala ere handiagoa.

l Sekundarioa,

edo momentu angeluarrarena

0, ... (n-1)

- Orbitalaren forma adierazten du. - Energia-maila jakin baterako existitu daitezkeen

energia-azpimaila kopurua eta orbital mota ere adierazten du.

ml Magnetikoa -l ,..., 0 ,..., +l - Orbital kopurua eta orbital horien orientazio espaziala

adierazten du.

ms Spin-zenbakia + ½ , - ½

- Elektroiak bere ardatzaren inguruan birak ematean sortzen duen eremu magnetikoak zein bi orientazio har ditzakeen adierazten du. Orientazio horiek modulu bera, baina norabide desberdina izango dute.

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 6

Jarraiko taulan elektroien banaketa osoa atomoan ageri da:

Orbitalen eta elektroien banaketa mailaz maila Orokorrean

Energia maila (n) 1 2 3 4 n

Orbital motal (l) 0

s

0

s

1

p

0

s

1

p 2

d

0

s 1

p

2

d

3

f

Orbitalen izena 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f

ml-ren balioak 0 0 -1 0 1

0 -1 0 1

-2 -1 0 1 2

0 -1 0 1

-2 -1 0 1 2

-3 -2 -1 0 1 2 3

Mota bakoitzeko orbital kopurua

1 1 3 1 3 5 1 3 5 7

Orbital kopurua mailaka

1 4 9 16 n2

Elektroi kopurua 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14

Elektroi kopurua maila

2 8 18 32 2n2

Orbital-mota ezberdinak ondokoak dira:

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 7

3 Orbital atomikoen energia Orbitaletan dauden elektroien artean, horien energia erlatiboa ez da berbera elektroi bakarreko atomoen kasuan (hidrogenoa, adibidez) eta atomo polielektroniko edo elektroianitzen kasuan.

Hidrogeno atomorako Schrödingerren ekuazioa ebazten denean, geruza bereko orbital guztiek energia balio berdin-berdina dutela ikusten da. Kasu honetan elektroiaren eta nukleoaren arteko erakarpena bien arteko distantziaren mende baino ez dago; nukleorainoko distantziak (orbitalaren tamaina) baldintzatzen du elektroiaren energia, eta ez elektroia dagoen eskualdeak (orbitalaren forma).

Atomo polielektronikoetan, ordea, energia-diagrama konplexuagoa da, izan ere elektroi bakoitza bi indar hauek baldintzatuta dago: nukleoak harengan eragiten duen erakarpena, eta beste elektroien aldarapena edo pantailatzea.

Horregatik, orbital atomiko desberdinak betetzen doazen heinean elektroien arteko aldarapenek nolabaiteko desegonkortasuna sortzen dute. Horrek

orbitalen eduki energetikoa handitzea dakar, l

zenbaki kuantikoa handitu ahala.

Azaldutakoa ulertzeko, kontuan hartu behar da zein den aldiuneko distantzia nukleotik orbital bakoitzeko elektroietaraino, eta ez batez besteko distantzia, orain arte egin den moduan.

Izan ere, azpi-mailaren formak, l zenbaki kuantikoaren bidez adieraziak,erabakitzen du zein

izan daitekeen aldiuneko hurbilpen maximoa elektroitik nukleoraino. Hurbilpen hori, orbitalaren sarkortasuna deritzona, aldatzen da orbital bakoitzaren kasuan. Beraz, zenbaki kuantiko nagusia, n, bererako, orbitalen sarkortasuna honela ordenatuta dago: s > p > d > f

Sarkortasuna handiagoa denean, elektroiaren energia erlatiboa jaitsi egiten da, une horretan nukleoak sendoago erakartzen duelako, eta gainera, elektroiaren gaineko pantailatze-efektua ahulagoa da, elektroi gutxiago daudelako harengandik nukleora bitartean.

Horren arabera, n edo zenbaki kuantiko nagusi bera duten orbitaletako elektroien artean energien ordena honako hau da: s < p < d < f

Atomo polielektronikoetan, hortaz, energien ordena erlatiboa, energia maila baxuenetik altuenera, jarraikoa da eta orden hori gogoratzeko Moeller-en diagrama erabil daiteke:

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 8

4 Atomoen konfigurazio elektronikoa Konfigurazio elektronikoa atomo edo ioi batek orbitaletan dituen elektroien banaketa da.

- Energia gutxienekoa denean, funtsezko egoeraren konfigurazio elektronikoa deitzen dena lortzen da. Elektroiren bat energia-maila altuagoan dagoenean, egoera kitzikatu baten konfigurazio elektronikoa izango genuke.

Konfigurazio elektronikoaren barruan, oso garrantzitsua da elementu baten elektroiek osatzen duten energia-mailarik kanpokoenari dagokiona eta balentzia-geruzaren konfigurazio elektronikoa deitzen dena. Izan ere bera da elementu horren propietate kimikoak erabakitzen duena.

Funtsezko konfigurazio elektronikoa hiru arau edo printzipio aplikatuz lortzen da:

Funtsezko konfigurazio elektronikoa lortzeko, elektroiak banan-banan eta energia gutxienekotik gehienekora kokatu behar dira atomoan, ahal den orbitaletan.

Atomo bereko bi elektroik ezin ditzakete lau zenbaki kuantikoak berdinak izan.

Zenbait elektroi orbital degeneratuetan —energia berekoetan— daudenean, ahal den neurrian orbital desberdinetan eta spin paraleloekin (elektroi desparekatuak) egongo dira.

Elektroiek elkar aldaratzen dutenez, energia minimoko konfigurazioa izango da elektroiak elkarrengandik urrunen ageri direna, eta horregatik, elektroiak, ahal dela, bananduta kokatzen dira orbital berean agertu baino.

Adibidez, hiru elektroik 2 p orbitaletan egon behar badute, desparekatuta kokatuko dira: 2p3

↑ ↑ ↑

Baina lau elektroi badira 2 p orbitaletan egon beharrekoak, bi parekatu egingo dira, eta beste biek desparekatuta jarraituko dute: 2p4

↑↓ ↑ ↑

4.1 Paramagnetismoa eta diamagnetismoa

Hunden anizkoiztasun maximoaren araua guztiz koherentea da materiaren sailkapen magnetikoarekin, hau da, paramagnetismoaren eta diamagnetismoaren ereduarekin.

Imanek erakartzen dituzten substantziei paramagnetikoak deitzen zaie.

Imanek ez dituzte erakartzen, ordea, beste substantzia batzuk, diamagnetikoak, eta batzuetan, zertxobait aldaratu ere egiten dituzte.

Portaera horren arrazoia elektroien spina da:

— Elektroiak desparekatuta badaude, spin berdina dute, eta beraz, eremu magnetiko netoa edo garbia. Eremu horrek, imanaren eremu magnetikoarekin elkarreragitean, erakarpen-indarra edo paramagnetismoa agerrarazten du.

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 9

— Elektroiak parekatuta badaude, kontrako spinak dituzte, eta horrenbestez, ez dago eremu magnetiko netorik. Horren ondorioa diamagnetismoa da.

4.2 Azpi-maila erdi betearen egonkortasun gehigarria

Eredu mekaniko-kuantikoak planteatzen duenaren arabera, azpi-maila beteek eta erdibeteek egonkortasun gehigarria ematen diote atomoari. Hori salbuespen bat da elementuen konfigurazio elektronikoan.

Izan ere, trantsizio-elementu batzuen (“d” orbitalak) eta barne-trantsizioko (“f” orbitalak) beste elementu batzuen konfigurazio elektronikoa ez da orain arte azaldutako arau eta printzipioetatik espero zitekeena:

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 10

Eraikuntza-arauaren edo energia-minimoaren desbiderapen horiek aurresateko, baliagarriak dira arau praktiko hauek:

np eta (n + 1)s azpimailen arteko energia-diferentzia —adibidez 2 p eta 3 s artekoa edo eta 3 p eta 4 s artekoa— handia izaten da.

(n − 1)d eta ns azpimailen arteko energia-diferentzia —esaterako, 3 d eta 4 s— txikia da. Azpimailak (n − 2)f eta ns badira —esaterako, 4 f eta 6 s—, haien arteko energia-

diferentzia aurreko kasuan baino are txikiagoa da.

4.3 Egoera kitzikatua

Funtsezko egoera: energia gutxieneko konfigurazio elektronikoa.

Egoera kitzikatua: funtsezko egoera ez den beste edozein konfigurazio elektronikoa; energia altuagokoa eta ezegonkorragoa.

Funtsezko egoera: 1s1 Egoera kitzikatua:4s1

Egitura Atomikoa – Zenbaki kuantikoak eta Orbitalak (I.I) 11

5 Informazio-iturriak “Batxilergoa 2 Kimika”, Erein argitaletxea

“Kimika batxilergoa”, Giltza argitaletxea

“Batxilergoa 2 Kimika – Ikertu Saila”, Santillana argitaletxea

“Batxilergoa 2 Kimika”, Anaya-Haritza argitaletxea

Ritxientzia

https://rafamunoa.wordpress.com/

https://eu.wikipedia.org/wiki/Atomo