Simularea Configuratiei Electronice a Elementelor

Este o combinație dintre teoria lui Rutherford privind modelul planetar și teoria cuantelor, elaborată de Max Plank în anul 1900. Concepția lui Bohr cu privire la structura atomului se bazează pe două postulate:

Electronul gravitează în jurul nucleului pe orbite corespunzătoare unor energii determinate, numite orbite staționare.

Pentru cuantificarea orbitelor, Bohr propune următorul postulat adițional:

Momentul unghiular al electronului este un multiplu întreg de h/(2π).

Pe baza primului postulat și a postulatului adițional se pot calcula razele diferitelor orbite pe care poate gravita electronul în atomul de hidrogen, cu ajutorul relației:

(1) R = 0,5292 n2 Å

Dacă un electron trece de pe orbita cu numărul cuantic principal n1 și energia E1 pe o orbită cu numărul cuantic principal n2 și energia E2 prin absorbția sau emisia unui foton, energia hν a fotonului va reprezenta diferența dintre energiile electronului pe orbitele respective.

Poate ar trebui ca modelul atomic Bohr să fie numit tot planetar, deoarece și planetele se rotesc în jurul stelelor pe traiectorii riguros determinate.

Cu ajutorul unui program propriu, elaborat în limbajul Turbo-Pascal, am obținut simularea pe PC a acestui model pentru toate elementele, un exemplu fiind cel din fig. 1 preluată de pe monitor.

Fig. 1. – Modelul atomic Bohr pentru crom (preluare de pe monitor)

2. Ordinea completării cu electroni a substraturilor și straturilor

Completarea cu electroni a substraturilor și straturilor se bazează pe trei principii:

Principiul stabilității. Electronii ocupă, în stare fundamentală, nivelele cu cea mai joasă energie, ceea ce conferă atomului o energie minimă și o stabilitate maximă.

Principiul excluziunii ( P a u l i ). Doi electroni ai aceluiași atom nu pot avea toate cele patru numere cuantice identice sau, într-o formulare mai accesibilă: pe același orbital pot exista maxim doi electroni cu spin opus (antiparaleli).

Regula lui H u n d. În orbitalii de aceeași energie și cu aceleași numere cuantice n și l, electronii se distribuie astfel încât numărul electronilor cu spin paralel necuplați să fie cât mai mare sau, într-o formă mai accesibilă: în același substrat se completează mai întâi orbitalii cu câte un electron cu spin paralel (↑) și apoi se continuă completarea cu al doilea electron cu spin antiparalel (↓) cu momentul cinetic orbital.

Straturile electronice se întrepătrund și, pentru a reține mai ușor ordinea creșterii energiei substraturilor, se poate folosi o regulă empirică, numită regula tablei de șah:

se desenează o tablă de șah cu pătratul alb în colțul din stânga sus;

pe diagonala mare se trec, în ordine, substraturile s, pornind de la pătratul alb din stânga sus; pătratul alb din dreapta jos rămâne liber;

sub diagonala mare se trec, spre stânga, în pătratele albe, substraturile p, d și f cu același număr de strat cu substratul s din diagonala mare;

se citește ordinea crescătoare a energiei substraturilor privind succesiv, de sus în jos și de la stânga la dreapta liniile orizontale, ca în fig. 2, preluată de pe monitor [1].

Fig. 2 – Ilustrarea regulii empirice a tablei de șah pentru

reținerea ordinii creșterii energiei substraturilor (G o l d a n s k i)

Ordinea creșterii nivelurilor energetice ale substraturilor, deci ordinea completării cu electroni va fi: 1 s; 2 s; 2 p; 3 s; 3 p; 4 s; 3 d; 4 p; 5 s; 4 d; 5 p; 6 s; 4 f; 5 d; 6 p; 7 s; 5 f; 6 d. Se deduce, din cele anterior prezentate, numărul maxim de electroni pe substraturi este: s – 2, p – 6, d – 10, f – 14.

Se preferă, de asemenea, ca ultimul substrat d sau f să fie ocupat pe jumătate sau total cu electroni, caz în care este mai stabil [2]. Dacă în ultimul substrat d sunt 4 sau 9 electroni, un electron din substratul s trece în substratul d, cu excepția elementului cu Z = 74 (W). Elementele Cr, Mo, Cu, Ag, Au respectă această regulă. Cu ajutorul programului sursă Turbo-Pascal s-a reușit simularea pe calculator a redării configurației electronice și a reprezentării acesteia într-o diagramă energetică aproximativă [3]. În fig. 3., preluată de pe monitor, este prezentată configurația electronică a Cr, preluată de pe monitor.

Fig. 3 – Simularea configurației electronice a Cr

Și alte metale tranziționale de tip d [2] prezintă salturi de electroni din ultimul substrat s în substratul d cu energie mai mare: Nb, Ru, Rh, Pt. O excepție interesantă este prezentă la paladiu (Z = 42) la care doi electroni din substratul 5 s sar în substratul 4 d, substratul 5 s rămânând vacant.

La Ac și La se completează mai întâi substratul (n – 1) d și nu (n – 2) f. La lantanide elementul cu Z = 64, Gd, are un electron în substratul 5 d și 7 electroni în 4 f, saltul electronului în substratul 5 d asigurând completarea pe jumătate a substratului 4 f, mai stabilă energetic.

Aceeași comportare o are și actinidul cu Z = 96, Cm. Jumătate dintre actinide prezintă electron în 6 d (Pa, U, Np, Cm, Bk, Lr), dar cealaltă jumătate nu are electroni în substratul 6 d. Interesant este faptul că la actinide jumătate prezintă electron în 6 d (Pa, U, Np, Cm, Bk, Lr), dar cealaltă jumătate nu are electroni în substratul 6 d. De remarcat faptul că actinidul cu Z = 90 nu are electroni în substratul 5 f, dar are 2 electroni în 6 d. Programul realizat ține seama de aceste excepții de configurație electronică.

Pe baza configurației electronice se poate stabili poziția elementului în sistemul periodic al elementelor: numărul perioadei este dat de cel mai mare număr de strat iar, pentru elementele reprezentative, din grupele principale, numărul grupei este dat de suma electronilor din substraturile s și p ai ultimului strat.

Pentru stabilirea caracterului chimic (metalic, nemetalic, semimetalic, gaz rar) pentru elementele reprezentative, notându-se cu p – numărul perioadei și cu g – numărul grupei, p – numărul perioadei, pentru Z > 2, s-au aplicat regulile:

dacă g < p, elementul are caracter metalic;

dacă g = p, elementul are caracter semimetalic;

dacă g > p, elementul are caracter nemetalic;

dacă g = 8, elementul este un gaz rar.

3. Particularități la simularea pe calculator

Pentru simularea pe calculator a configurației electronice a elementelor [1] s-a elaborat un program sursă în Turbo-Pascal, care a permis obținerea configurațiilor electronice pentru toate elementele, după cum se arată în figuri. Pentru că folosit o bibliotecă proprie de module, care oferă facilități de programare și – deoarece programul este mare – prezentăm orientativ doar instrucțiunea compusă principală, dar putem pune la dispoziție programul celor interesați. Alte date despre element obținute cu ajutorul programului elaborat sunt prezentate în fig. 4.

Fig. 4 – Alte date privind elementul chimic (exemplificare pentru crom)

preluare de pe monitor

Bibliografie

Sturzu T.M., Popa N. – „Configurația electronică a elementelor“, Chimia, nr. 8, 2005, pp. 27-37;

Nenițescu C. D. – Chimie generală, Ed. Did. și Ped., București, 1985;

Ciubotaru D., Angelescu T și colab. – Fizică, manual pentru clasa a XII-a, Ed. Did. și Ped., București, 1998.