כימיה לבגרות/תוכנית לימודים תשס"ט/הערכות אלקטרונים

הדף נמצא בשלבי עבודה דף זה נמצא כעת בשלבי עריכה. הנכם מתבקשים שלא לערוך אותו בטרם תוסר הודעה זו. במקרה שדף זה לא נערך במשך שבוע או יותר, רשאי כל משתמש להסיר הודעה זו.

הערכות אלקטרונים ברמות אנרגיה

כאמור, האלקטרונים סובבים סביב גרעין האטום בתוך עננים. כל ענן מייצג רמת אנרגיה. לכל רמת אנרגיה יש מספר מוגבל של ממקומות ולכן, מספר מוגבל של אלקטרונים אותם היא יכולה להכיל. כתוצאה מכך לרב היסודות יש יותר מרמת אנרגיה אחת. חלק זה, נסביר על רמות אנרגיה אלה ובסידור האלקטרונים בהם.

רמות אנרגיה

האלקטרון הוא חלק מאטום אשר נמצא סביבו במצבים מסויימים, "קומות". כל "קומה" יכולה להכיל כמות מסויימת של אנרגיה ובשפה הכימית "רמות אנרגיה". כל רמה מכילה כמות אנרגיה על פי האלקטרונים שנמצאים בה.
האנרגיה הנקבעת לכל אלקטרון בכל רמה, מחושבת על פי כמות האנרגיה שיש להשקיע על מנת להוציא, לעקור, את האלקטרון מהאטום. בגלל שיש צורך בלהשקיע אנרגיה, הוגדרה האנרגיה של רמת האנרגיה כשלילית. כלומר אם צריך להשקיע אנרגיה של אלקטרון-וולט אחד, האנרגיה של האלקטרון שווה ל - $\ ^-1$. ככל שהאלקטרון קרוב יותר אל גרעין האטום, כך, הוא נמשך יותר אל הפרוטונים בו ולכן, נצטרך להשקיע (לתת) יותר אנרגיה. לכן, האנרגיה שלו תהיה גבוה יותר. (אלקטרון-וולט היא כמות האנרגיה שיש להשקיע בכדי לשנות פוטנציאל של אלקטרון אחד בוולט אחד)
לא בהכרח תמיד להוציא את האלקטרון מהאטום. ניתן להסתפק בלהעלות אותו רמה. העלאת רמת אנרגיה זהו תהליך שבו אנו מוסיפים אנרגיה לאלקטרון באטום, היא חייבת להיות מותאמת לאנרגיה שיש באותה רמה ("קומה"), אחרת האלקטרון לא יעבור אליה. למשל, אם אלקטרון נמצא ברמת האנרגיה בעלת האנרגיה של $\ -13.6eV$ (כפי שקורה באטום המימן). על מנת להעלות את האלקטרון לרמת האנרגיה הבאה, עלינו להשקיע בדיוק$\ -13.6eV+3.4eV=-10.2eV$. אם ניתן לו פחות אנרגיה, הוא לא יעלה רמה בכלל.

כיצד ניתן להעלות את האלקטרון רמה? ישנן מספר דרכים. למשל, ניתן להאיר עליו אור בעל פוטונים בעלי אנרגיה מתאימה .

על פי עקרון האיכלוס של רמות האנרגיה, בכל רמת אנרגיה יכולים לחיות לכל היותר $\ 2n^2$ אלקטרונים (כש-$\ n$ מייצג את מספר רמת האנרגיה). רמת האנרגייה החיצונית נקראת רמת הערכיות. במצב הכי יציב תמיד יהיו ברמת הערכיות לכל היותר 8 אלקטרונים (למרות שמעשית היא יכולה להכיל יותר). יוצאת דופן במקרה זה היא רמת היסוד (כלומר הרמה הקרובה ביותר לגרעין, עם האנרגיה הכי שלילית) שבה יכולים לחיות לא יותר מ-2 אלקטרונים ולכן היא במצב יציב כאשר יש בה 2 אלקטרונים.

רמות האנרגיה של האטום נקראות גם אורביטלים. ליסודות הטבלה המחזורית יש בין רמת אנרגיה אחת (ליסודות השורה הראשונה) עד לשבע רמות אנרגיה (ליסודות השורה ה- 7).

• ככל שרמת האנרגיה גדולה יותר אלקטרוניה רחוקים יותר מהגרעין.
• ככל שרמת האנרגיה גבוהה יותר אז יש בה יותר מקום והיא יכולה להכיל יותר אלקטרונים.

סידור הרמות (מודל האטום של בוהר)

כאמור, האלקטרונים מקפים את הגרעין האטום בו נמצאים הפרוטונים והניטרונים. כדי לדעת כמה אלקטרונים יש מסביב לגרעין ובאיזה מעגל (רמה) הם מסודרים, אנו מבצעים את השלבים הבאים :

כיתוב תמונה

1. בדיקה באיזה שורה נמצא היסוד, כאשר השורות מסמנות את הרמות ("המעגלים") שיש לאטום.
2. בדיקה באיזה טור נמצא. הטור הוא מספר האלקטרונים האחרונים ברמה.
3. מילואי השורות החסרות על פי הנוסחא 2n² (כאשר n מייצג את מספר הרמה).
4. שינוי מספר האלקטרונים האחרונים לפי מטען האטום (אם אינו טעון אין מה לשנות). זכור :
   • כשיש מינוס ( - ) – מוסיפים אלקטרונים (ראה דוגמא).
   • כשיש פלוס ( + ) – מורידים אלקטרונים.
5. בדיקה – ספרית המספרים ובדיקת התאמתם למספר האטומי של האטום במערכה המחזורית.

דוגמא

נתון : האטום ^2-Cl סדר את האלקטרונים בו.

• האטום נמצא בשורה שלישית ולכן מספר הרמות שלו שוות לשלוש :
  Cl ..., ..., ...

• האטום נמצא בטור 7 ולכן אלקטרו ערכיות (מספר אלקטרונים האחרונים אצלו ברמה האחרונה) הם שבע :

Cl ..., ..., 7

• שימוש בנוסחא 2n² למילואי החסר.

Cl 2, 8, 7

רמה 1 : 2X1²

רמה 2 : 2X2²

רמה 3 : מצאנו בסעיף הקודם

• אטום Cl^-2 קיבל 2 אלקטרונים ולכן אנו נוסיף לרמתו האחרונה שני אלקטרונים.

Cl^-22, 8, 7+2

Cl^-2 2, 8, 9

• בדיקה : בטבלה המחזורית המספר האטומי של היסוד הוא 17 כיוון שהאטום יקבל שני אלקטרונים אז מספר האטומי שלו הוא 19.

עתה נחשב את סכום האטומים שיצא לנו בסעיף 4 (2+8+9 = 19).

כיוון שהמספרים זההים אז התשובה שהתקבלה הגיונית!

יוצאי דופן

כמו בכל נוסחא תמיד ישנם אטומים יוצאים דופן. אטומים אלה הם אטומים שלהם מילאנו את כל המקומות ונשארו שני מקומות פנויים והסכום שעלינו להוסיף הוא 16,26. במקרים כאלו, נשלים את החסר 8,18,18,8...

דוגמא Cs

• נמצא בשורה 6 - יש לו 6 רמות.
• טור 1 - ברמה 6 נמצא המספר 1.

Cs ..., ...,...,...,...,1

• נמלא על פי 2n². כלומר, אנו יודעים את המספרים : 2,8,18,1.

Cs 2, 8,18,...,...,1

• אנחנו לא יכולים במצב כזה להשתמש בנוסחא, ולכן, נממלא את המקום הראשון ב- 18 והשני ב- 8.

Cs 2, 8,18,18,8,1

לאחד

היערכות האלקטרונים ברמות אנרגיה

מבנה ענן האלקטרונים

הצורה של חמשת האורביטלים הראשונים:1s, 2s, 2p_x,2p_y, 2p_z.

עכשיו אנחנו יכולים להתקדם לענן האלקטרונים. הזכרנו בקצרה את מיקומו של האלקטרון באטום כחלקיק דינאמי שיכול להימצא בכל הנפח של אטום מלבד בתוך הגרעין. אם כן, עד כמה יכול האלקטרון להתרחק מהגרעין? ואיפה בכל הנפח הזה הוא נמצא?

עד להתפתחות הפיזיקה המודרנית ניתן היה לדמות את האלקטרון לכדור טניס בחדר, כאשר הכדור נמצא בנקודה כלשהיא וכל עוד הוא בחדר הוא "שייך" לאטום. אבל, הפיזיקה המודרנית קובעת שאין לשום חלקיק מיקום שאנחנו יכולים לקבוע אותו, ולכן על פי חישובים שעשו פיזיקאים גילו שלכל אלקטרון יש פונקציה של המרחב בו הוא יכול להימצא. ובמילים פשוטות אנחנו יכולים ליצור תמונה של איפה האלקטרון יכול להיות ולדעת מה האחוזים שהוא באמת שם. לפונקציה הזאת קוראים אורביטל אטומי. בכל אורביטל יכולים להיות עד שני אלקטרונים שיש להם ספין הפוך (לא נרחיב על הספין אבל נסמן את ההבדל בין האלקטרונים ע"י חצים אלקטרון אחד יסומן על ידי חץ למעלה או למטה ושני אלקטרונים בעלי ספין הפוך יסומנו על ידי שני חיצים למעלה ולמטה אחד על יד השני)

האורביטלים נחלקים למספר סוגים על פי הצורה שלהם, וכל סוג של אורביטל יכול להופיע במספר צורות. הסוג הראשון הוא אורביטל s ויש לו רק צורה אחת. האורביטל השני הוא אורביטל p עם 3 צורות שהוא יכול להופיע. אחריהם מופעים אורביטל d ואורביטל f בעלי 5 ו-7 הופעות בהתאמה. האורביטלים מסודרים ברמות אנרגיה כשבכל רמה יכולים להיות n סוגי אורביטלים וסך הכל n² אורביטלים. ברמה הראשונה יש רק אורביטל s אחד (המסומן ככה: 1s מספר הרמה וסמל האורביטל). ברמה השניה יש אורביטל 2s ושלושה אורביטלי 2p המסומנים 2p_x,2p_y,2p_z וכן הלאה. נזכור שככל שהאלקטרון נמצא ברמה גבוהה יותר או באורביטל גבוהה יותר באותה הרמה יש לו יותר אנרגיה שממנה האטום ישאף להפטר ולחזור לאנרגיה נמוכה, ולכן באיכלוס של אלקטרונים באטום מתחילים ברמה הנמוכה ביותר ומשם עולים לפי סדר האנרגיה.

בכל אורביטל יכולים להיות עד שני אלקטרונים, ולכן בכל רמת אנרגיה יכולים להיות עד 2n² אלקטרונים. ברמה האחרונה שמתמלאת באטום יכולים להיות עד שמונה אלקטרונים באורביטלי ה- s וה-p של אותה הרמה, אותה רמה נקראת רמת הערכיות. כמובן שאם רמת הערכיות היא הרמה הראשונה היא יכולה להתמלא רק בשני אלקטרונים כמו שאמרנו.

הערכות האלקטרונים ברמות האנרגיה

לסדר בו נערכים האלקטרונים באטום אנו קוראים כלל האוטובוס. דמיינו את עצמכם עולים על האוטובוס ומחפשים מקום לשבת, אתם רוצים לשבת כמה שיותר קרוב, אבל תעדיפו מושב ריק על מושב מלא.

גם האלקטרונים ממלאים את האורביטלים בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר, אלקטרון בכל אורביטל, עד שכל האורביטלים בעלי אותה הרמה מאוכלסים עם אלקטרון אחד ואז האלקטרון הבא נכנס לאורביטל שכבר יש בו אלקטרון נוסף.

נעבור על הערכות האלקטרונים באטום נתרן בעל המספר האטומי 11 ויש לו 11 אלקטרונים (כל אטום בעל מספר אטומי נמוך יותר מתמלא באותה השיטה אך עוצר את איכלוס האלקטרונים כאשר אין לו עוד אלקטרונים לאכלס). האלקטרון הראשון מאכלס את האורביטל 1s. האלקטרון השני שלו מאכלס גם הוא את האורביטל 1s והוא יהיה בעל ספין הפוך לאלקטרון הראשון באורביטל. ומלאנו את רמת האנרגיה הראשונה.

האלקטרון השלישי בנתרן יאכלס את האורביטל 2s, ובכך יעביר את רמת הערכיות לרמת אנרגיה השניה. האלקטרון הרביעי יאכלס גם את 2s ויהיה בעל ספין הפוך. האלקטרונים החמישי, השישי והשביעי וימלאו כל אחד אורביטל 2p שונה, מכיוון ששלושת האורבילים בעלי אנרגיה זהה האלקטרונים לא ימלאו אורביטל אחד וישאירו אורביטל אחר ריק. האלקטרונים השמיני עד העשירי ימלאו את האורביטלי 2p כך שיהיה בכל אחד שני אלקטרונים (מה יהיה היחס בין האלקטרונים?) והרמה השניה תהיה מלאה.

האלקטרון האחרון של הנתרן יאכלס את האורביטל 3s ויקבע את רמת הערכיות של האטום ברמת האנרגיה שלישית. באטום הנתרן יש רק אלקטרון אחד ברמת הערכיות.

סך הכל נסמן את ההערכות האלקטרונית של הנתרן בצורה הבאה: $Na(2,8,1)$

תרגיל 1: מהי היערכות האלקטרונים באטום חמצן $_{8}O$ ואטום זרחן $_{15}P$?
$O(2,6)$ $P(2,8,5)$

יונים

מצב בו מסירים או מוסיפים אלקטרונים לאטום נקרא יינון, על ידי יינון אנחנו יכולים לשנות את המטען של האטום, אם נסיר אלקטרון מהאטום המטען הכולל שלו יהיה חיובי ואם נוסיף אלקטרון המטען יהיה שלילי. לאטום שעבר יינון ויש לו מטען (לא משנה אם חיובי או שלילי) אנחנו קוראים יוֹן. את היון מסמנים על ידי הסימן המתאים וכמות האלקטרונים שנוספו או חוסרו מהאטום בצד הימני העליון של הסימון של האטום (לדוגמא יון של חמצן שנוספו לו 2 אלקטרונים הוא:$^{16}_{8}O^{2-}$ או $O^{2-}$ אם אנחנו לא מתעסקים במספר האטומי ובמסה האטומית)

הערה: שים לב שהסימן מייצג את המטען ולא את השינוי במספר האלקטרונים ולכן אם הוצאנו אלקטרונים הסימן יהיה חיובי!

יון בעל מטען חיובי נקרא קטיון ויון בעל מטען שלילי נקרא אניון. על פי חוקי הפיזיקה מטענים מנוגדים נמשכים זה לזה ולכן נמצא הרבה פעמים קטיונים ואניונים אחד על יד השני. ישנו קשר בין אטומים הנקרא "קשר יוני" עליו תלמדו בהמשך.

האלקטרונים הנוספים מאכלסים את האורביטלים באטום על פי כלל האוטובוס שלמדנו קודם, והאלקטרונים היוצאים מהאטום יוצאים בסדר הפוך לסדר הכניסה, האחרון שנכנס יהיה הראשון שיצא.

תרגיל 2: לוקחים אטום כלור $_{17}Cl$ ומוסיפים לו אלקטרון אחד, איך נסמן את היון? מהי היערכות האלקטרונים ביון?
הסימון של יון הכלור הוא $Cl^{-}$ היערכות האלקטרונים היא $Cl^{-}(2,8,8)$

רדיוס אטומי

אנחנו מתייחסים לרדיוס של האטום על פי המרחק בין הגרעין לרמת הערכיות. השימוש באורביטלים הוא חלקי בכך שהוא מתאר את ההסתברות למצוא אלקטרון במרחב של האטום והחל מהסתברות מסויימת אנחנו מתייחסים למיקום כאילו לא יתכן שיהיה שם אלקטרון.

בכאופן כללי כדי לדעת את היחס בין הגדלים של אטומים שונים אנחנו מסתכלים על גודל הגרעין ועל מספר רמות האנרגיה המלאות באטום. מצד אחד, כאשר הגרעין גדול יותר המטען שלו מושך את האלקטרונים יותר לכיוון הגרעין ומקטין את הרדיוס האטומי. מצד שני, אם הגרעין גדל עד כדי כך שנוספה רמת אנרגיה כדי להכיל את האלקטרונים שנוספו אז הרדיוס גדל.

לדוגמא באטומים בעלי כמות אלקטרונים שווה כמו $_{9}F^{-}$, $_{10}Ne$ ו- $_{11}Na^{+}$ רדיוס האטום יקבע על פי גודל הגרעין, ככל שהגרעין, ליתר דיוק המספר האטומי מכיוון שהנויטרונים לא משפיעים, גדול יותר (ובעקבות כך, בעל מטען חשמלי גדול יותר) הרדיוס של האטום יקטן.

תרגיל 3: מי מהאטומים הבאים הוא בעל הרדיוס הקטן ביותר ומי בעל הגדול? $_{9}F^{-}$, $_{10}Ne$ ו- $_{11}Na^{+}$
$_{9}F^{-}$ הוא בעל הרדיוס הגדול ביותר, ו- $_{11}Na^{+}$ בעל הרדיוס הקטן ביותר

יון הוא אטום טעון. אטום טעון מתקבל רק על ידי מסירה או קבלה של אלקטרונים :

• יון חיובי/קטיון – אטום שמסר אלקטרון או יותר.
• יון שלילי/אניונן – אטום שקיבל אלקטרון או יותר.

קטגוריה	3+Al	O-2
מטען	3+	2-
כיצד נוצר היון?	נתן 3 אלקטרונים מהאטום.	קיבל 2 אלקטרונים.