Świat na poziomie atomów działa według zasad mechaniki kwantowej. Znajomość podstawowych informacji o budowie atomu jest niezbędna do właściwego zrozumienia otaczającej nas rzeczywistości i stanowi fundament do dalszego poznawania świata chemii oraz zależności w nim występujących.
Atom i jego budowa
Pojedyncze drobiny, z których składa się materia to atomy. Wszystko co nas otacza to atomy. Pierwiastki to suma atomów – żelazo składa się z atomów żelaza, miedź składa się z atomów miedzi itd.
Zatem z czego składa się atom?
Odpowiedź zna większość z nas: z dodatnio naładowanych protonów, ujemnie naładowanych elektronów oraz neutronów, które nie posiadają ładunku. Czy jest to odpowiedź poprawna? Jak najbardziej, ale jeżeli spojrzymy na atom „okiem chemika” to odpowiemy, że atom składa się z dwóch zasadniczych elementów: jądra oraz otaczającej go chmury elektronowej.
Jądro atomowe
Jądro atomu stanowi jego centrum i najważniejszą część. Składa się z protonów (o dodatnim ładunku) oraz z neutronów (obojętnych elektrycznie). Nie są to elementy niepodzielne. Zarówno protony jak i neutrony posiadają wewnętrzną strukturę – są zbudowane z mniejszych cząstek, nazywanych kwarkami. Proton jest zbudowany z dwóch kwarków tzw. górnych oraz z jednego kwarku tzw. dolnego. Natomiast neutron w swej strukturze posiada jeden kwark górny i dwa kwarki dolne.
Chmura elektronowa
Atom nie posiada wyraźnie zarysowanej krawędzi – jest to spowodowane obecnością chmury elektronowej. Chmurą elektronową nazywa się obszar, w którym prawdopodobieństwo obecności elektronu jest największe (ważne: nie można jednoznacznie określić dla elektronu toru, po którym się porusza. Możliwe jest wyznaczenie jedynie prawdopodobieństwa znalezienia go w różnych obszarach w przestrzeni). Chmura elektronowa składa się z krążących wokół jądra atomowego elektronów. Tuz przy jądrze, gęstość chmury elektronowej jest największa, natomiast im dalej od jądra, tym chmura jest bardziej rozmyta.
Kwantowy opis atomu
Stan każdego elektronu w atomie jest opisywany za pomocą tak zwanych funkcji falowych. Funkcje falowe stanowią matematyczne rozwiązanie równania Schrödingera. Z kolei równanie to jest możliwe do rozwiązania, jeśli zostanie wprowadzonych kilka podstawowych warunków. Z tego powodu zaczęto stosować liczby kwantowe, które to umożliwiają. Poniżej krótko scharakteryzowano liczby kwantowe, które opisują jednoznacznie stan kwantowy każdego elektronu w danym atomie:
- główna liczba kwantowa n:
odpowiada za energię elektronu. Przyjmuje wartości kolejnych liczb naturalnych. Może mieć wartości od 1 do nieskończoności. W praktyce tak się nie dzieje i najczęściej n wynosi od 1 do 7. Poziomy o tej samej głównej liczbie kwantowej nazywane są powłoką elektronową.
- poboczna liczba kwantowa l:
w sposób bardziej precyzyjny definiuje energie. Wartość pobocznej liczby kwantowej określa podpowłokę danej powłoki w atomie. Również od wartości tej liczby, uzależniony jest kształt orbitali atomowych. Poboczna liczba kwantowa przyjmuje wartości od zera do (n-1).
- magnetyczna liczba kwantowa m:
wartość magnetycznej liczby kwantowej jest uzależniona od pobocznej liczby kwantowej. Magnetyczna liczba kwantowa m przyjmuje wartości od –l do l (łącznie z wartością równą 0). Dzięki znajomości magnetycznej liczby kwantowej określane są wzajemne położenia orbitali w przestrzeni, co daje informacje na temat ilości orbitali na danym podpoziomie.
- magnetyczna, spinowa liczba kwantowa:
elektrony poruszając się wokół jądra atomowego, wykonują także ruchy wokół własnej osi. Ruch ten nazywany jest spinem elektronu i z nim powiązana jest magnetyczna, spinowa liczba kwantowa. Przyjmuje jedynie dwie wartości: + ½ i – ½ . Każdy orbital atomowy może zawierać dwa elektrony różniące się między sobą wartością magnetycznej, spinowej liczby kwantowej.
Opisując liczby kwantowe, nie sposób nie wspomnieć o jednym z podstawowych praw w chemii, mianowicie o zakazie Pauliego. Według tego prawa, w danym atomie nie mogą znaleźć się dwa elektrony, które posiadają takie same, wszystkie liczby kwantowe. Elektrony w atomie muszą różnić się wartością przynajmniej jednej liczby kwantowej.
Powłoki elektronowe i podpowłoki
Jądro atomowe jest otoczone chmurą elektronową, w której z określonym prawdopodobieństwem można znaleźć elektron. Elektrony te rozmieszczone są na odpowiednich powłokach elektronowych. Powłoki elektronowe to nic innego jak poziomy o tej samej głównej liczbie kwantowej n. Powłoka najbardziej oddalona od jądra atomowego, jest nazywana powłoką walencyjną – krążące na niej elektrony określane są jako elektrony walencyjne (one tworzą wiązania chemiczne pomiędzy atomami różnych pierwiastków, lub atomami tego samego pierwiastka). Każda powłoka elektronowa jest określana symbolem literowym. Tak też dla n=1, symbol powłoki literowej to K, dla n=2 powłoka jest oznaczana jako L itd. (dla n od 1 do 7, oznaczenie literowe powłok: od K do Q).
Każda z powłok elektronowych w atomie, składa się z podpowłok. Podpowłoki określane są przez poboczne liczby kwantowe l. Na podpowłokach znajdują się elektrony, które mają ściśle określone, jednakowe wartości energii. Podpowłoki mają także określoną „pojemność” – mogą pomieścić 2*(2*l+1) elektronów, gdzie l to poboczna liczba kwantowa. Podpowłoki również mają swoje oznaczenia literowe: s, p, d, f, g, h itd.
Konfiguracja elektronowa
Aby poprawie ustalić konfigurację elektronową w atomie, niezbędna jest znajomość kolejności poziomów energetycznych (kolejność poszczególnych podpowłok oraz powłok według wzrastającej wartości energii). Konfiguracja jest niczym innym jak przyporządkowaniem poszczególnych elektronów do poziomów energetycznych.
Można wyróżnić dwa stany energetyczne atomu: stan podstawowy i stan wzbudzony. Ze stanem podstawowym mamy do czynienia, gdy elektrony są rozmieszczone na poszczególnych orbitalach zgodnie z zasadami rozbudowy. Posiada on wtedy najniższą energie. Jeśli atom przyjmie określoną porcję energii, wtedy elektron może zostać przeniesiony z orbitalu o niższej energii na wolny orbital o wyższej energii – wtedy mówimy o stanie wzbudzonym atomu.
Zatem, aby znaleźć właściwą konfigurację elektronową atomu w stanie podstawowym, należy zapełniać poszczególne orbitale według wzrastającej energii, z zachowaniem zakazu Pauliego. Zgodnie z tymi zasadami tworzy się tzw. pełny zapis konfiguracji uwzględniający numery kolejnych powłok, oznaczenia literowe kolejnych podpowłok oraz zapis ilości elektronów na określonych orbitalach. Skrócony zapis konfiguracji elektronowej, zawiera natomiast początkowo rdzeń w postaci konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego i uzupełnienie pozostałymi elektronami.