Elektronová konfigurace atomů
Elektronová konfigurace atomů (3/9) · 13:38

Orbitaly Úvod do orbitalů. Jak se vlastně chovají elektrony v atomu?

Navazuje na Atomy a prvky.
Ve videu, kde jsme si představili atom, jsem trochu povídal o tom, že uprostřed atomu máme jádro, což je jen velmi malá část celkového objemu atomu. A že elektron, ačkoliv ho nazýváme částicí, může být ve skutečnosti skvěle popsán jako nějaký druh šmouhy kolem jádra. Přestože je to částice, platí pro něj Heisenbergův princip neurčitosti, takže nikdy nemůžeme přesně říci, kde daná částice je ani jakou má hybnost. Popisovat tedy elektron jen jako částici je při nejlepším trochu zvláštní. Také jsme si řekli, že tuto částici nelze popsat, jakoby byla na nějaké oběžné dráze stejně jako jsou planety kolem Slunce. To by tedy bylo jako oběžná dráha Halleyovy komety kolem Slunce. Naopak může to být popsáno jako pravděpodobnostní funkce okolo jádra. Když tedy máme jádro, okolo je jeden orbital, vlastně orbital 1s, o čemž budeme mluvit v tomto videu. Jedná se o takovou kouli okolo jádra, která ve skutečnosti nemá ostré hranice. Tento obrázek nám tedy říká, kde se pravděpodobně elektron nachází 90 % svého času a tento prostor je ohraničen. Víme tedy, že elektron bude uvnitř této koule. Navíc směrem ke středu roste hustota. Tedy kdybyste udělali příčný řez, dostali byste opravdu hodně hustý střed a směrem k okrajům by hustota klesala. Což jen znamená, že s větší pravděpodobností najdete elektron v orbitalu 1s u středu než u kraje. Tato hranice je ovšem vytvořena uměle, elektron tedy můžeme najít i mimo ni, prakticky kdekoli, jen s nižší pravděpodobností než uvnitř koule. Ale k tomu ještě řeknu víc ve zbytku videa. Nejprve se chci vrátit K Bohrovu modelu atomu. Co je vlastně Bohrův model, napíšu to tady. Bohrův model. Tento model je pojmenovaný po Nielsu Bohrovi. Ale nemyslete si, že to byl nějaký lenoch. Byl to vrcholový vědec a to ne zase tak dávno. Bylo to někdy zhruba sto let zpět. Tedy znovu se bavíme o věcech, o kterých si nejspíše můžete vyhledat vědecké publikace a o kterých se ještě nedávno vedly debaty. Tak tedy v Bohrově modelu byly elektrony znázorněny jako planety obíhající okolo hvězdy nebo chcete-li okolo Slunce. Tento model je ve skutečnosti opravdu užitečný, můžeme si na něm vysvětlit koncept energetických stavů. Toto je tedy elektron obíhající kolem jádra, že? Pohybuje se kolem něj po nějaké dráze. Ale my víme, a to bych rád zdůraznil, že tak úplně nejde o dráhy ale o orbitaly. Orbitaly jsou totiž spíš pravděpodobnostní funkce říkající, kde byste mohli najít elektron, zatímco dráha je způsob běžný spíše v klasické mechanice pro popis cest klasických objektů jako jsou planety pohybující se kolem hvězd. Nechci sice tolik používat tuto analogii, ale když se na to takto podíváte, představa energetických hladin začne dávat smysl. Když mám třeba něco, co obíhá po dráze, třeba planetu obíhající kolem hvězdy. Kdyby měla více energie, jejích dráha by se asi změnila a byla více eliptická. Třeba, z nějakého důvodu, bych takto dočasně dodal energii nějakým raketovým pohonem, který by zrovna teď byl na této planetě. Místo toho, aby šla po původní dráze, tak by ji to třeba pošťouchlo tímhle směrem a možná by ji to i trochu urychlilo. Možná, že by šla nějak takto. Nevím přesně, nedělal jsem žádné výpočty. Ale obecně bude mít vyšší kinetickou energii, takže se o kousek dál vzdálí od té planety. A kdybych té planetě znovu dodal energii nějakou raketou, její dráha by mohla vypadat nějak takto. Její oběžná dráha by se vzdálila a jak by se planeta přibližovala k hvězdě, zvyšovala by se jí rychlost, což je dané gravitací těles. Tady vidíme pár zajímavostí. Jedna z těchto planet, která má tuto oběžnou dráhu, má více energie. Právě tato planeta bude mít více energie, než třeba tato. A energie, i přesto že se bavíme o kvantovém světě.. ..toto je pouze přirovnání, protože víme, že ve skutečnosti nejde o oběžné dráhy.. ..je pořád energie, v jakémkoli smyslu. Energie je tedy nějaká schopnost dělat práci, přenášet teplo nebo teplo vytvářet. Jak víte, i když neděláte žádnou práci, máte stejně energii a plýtváte ji generováním tepla. O tom si povíme více v jiném videu. Ale idea je to stále stejná, ne? Kdybych měl malou raketu a dodal bych jí energii nebo ji nějak jinak postrčil, mohl bych se dostat na vzdálenější oběžnou dráhu. Celá myšlenka orbitalů je stejná s tím rozdílem, že nejde o tak přesně definované dráhy. Stejně mohou elektrony dostat energii a ta může být předána elektronu především ze světelné nebo elektromagnetické vlny. Ve videu o kvantové mechanice si o tom řekneme víc. Nicméně, když vezmeme světlo jako svazek fotonů a když se takový foton srazí s elektronem v určitém energetickém stavu, přesune ho to do jiného stavu o vyšší energii. Možná přejde do tohoto pravděpodobnostního rozdělení, které je jako slupka kolem toho původního. A možná, když je takto excitovaný , to je slovo, které uslyšíte mnohokrát od fyziků a chemiků, ale znamená to jen, že elektronu byla dodána energie, a proto přešel do stavu o vyšší energii. Takový elektron tam může zůstat nebo může jít zase zpět do stavu o nižší energii. Když přejde zpět do stavu s nižší energií, vyzáří foton zase do okolí, a právě proto občas vidíme, že některé věci září. O tom ale budu mluvit jindy. Je dobré tuto věc intuitivně pochopit protože jak v chemii tak i ve fyzice lidé často mluví o energetických stavech, nebo o přechodech elektronů do stavu s jinou energii a tohle je právě ta základní myšlenka. Tedy že elektron v některém z vyšších orbitalů získal energii, ačkoli se chce vrátit se zpět do původního nižšího orbitalu. Teď byste se mohli zeptat, jak může elektron zůstat ve vyšším orbitalu? Například, co když tu ten elektron zůstane, a co když je tenhle orbital již obsazený dvěma elektrony? Nebojte se, o zaplňování orbitalů si ještě něco povíme. Nejprve bych vám chtěl ukázat, jak je to intuitivní. Řekněme, že máte dva elektrony a ty jsou tady všude, nemůžete přesně určit, kde jsou. No a k tomu bychom přidali třetí elektron. Na to byste mohli říct, že nejnižší energetický stav je ta vnitřní purpurová oblast, kterou jsem právě nakreslil. Tak proč by tam ten třetí elektron nemohl jít? Intuice mi říká, že už tam jsou dva elektrony a ačkoli jsou elektrony přitahovány jádrem.. ..protože jádro má všechen pozitivní náboj, zatímco elektrony záporný.. ..je třetí elektron odpuzovaný těmi dvěma elektrony. Protože se dva stejné náboje se odpuzují. Tak tedy, tento elektron se bude chtít dostat pryč od těchto dvou a půjde raději do stavu s vyšší energií. Půjde třeba do této slupky. Další zajímavost o energetických stavech.. ..a to je klíčové v chemii, když mluvíme o reaktivitě a o tom, jak něco může reagovat s něčím jiným, a proč to tak funguje.. je, že se věci ve vyšším energetickém stavu, když teď použijeme naši analogii planet a oběžných drah, se dostávají dále od tělesa, ke kterému jsou přitahovány. Čím dále jsou, tím méně na ně působí gravitace tělesa. Nebo v případě elektronů, ty když se dostanou dále z energeticky vyššího stavu, tak se snižuje coulombická síla. O coulombických silách se bavíme, když mluvíme o náboji protonů a elektronů. Tedy toto má negativní náboj a potom tady v centru najdeme pozitivní náboj. Pokud se ale elektron vzdaluje působící přitažlivá síla jádra se bude zmenšovat. Díky tomu je možné atomu odebrat elektron. Kromě odebírání může atom také elektrony sdílet s jiným atomem, nebo mu je předat, což je základem chemické vazby. Ale nejdřív jsem vám to chtěl ukázat intuitivně. Dále by tedy mohla přijít otázka, zaplňují elektrony i jiné orbitaly a jak vlastně tyto orbitaly vůbec vypadají? Proto jsem vám sem zkopíroval pár obrázků z Wikipedie. Tady se na ně můžeme podívat. Vidíme různé tvary orbitalů. S tím se pojí dvě důležité věci. Jednou je energetická slupka orbitalu. Ta je dána tímto číslem "n", které značí energetickou slupku. Teď si ukážeme, že vše spolu nějak souvisí. Tyto energetické slupky korespondují s periodami v periodické tabulce. Perioda v periodické tabulce je prostě její řádek. Toto je tedy jedna perioda v periodické tabulce jdoucí až k heliu. Říkáme jí první perioda. Je to jen první řádek, jak vidíte. A to znamená, že elektrony prvků v této první periodě, zaplní první energetickou slupku. Tak například, vodík má jeden proton. Budeme se teď bavit o neutrálních atomech. Z minulého videa již víme, že protonové číslo nám říká, kolik protonů daný atom má, že? Udává nám kolik protonů má vodík. A pokud tedy jde o neutrální atom, můžeme říct, že počet elektronů je stejný. Takže můžeme použít protonové číslo i jako indikátor počtu elektronů v neutrálním atomu. Tento atom má tedy 1 elektron. Kam ten elektron patří? Je v první periodě, tak půjde do první energetické slupky (prvního orbitalu). První elektron jde tedy přímo sem do první energetické slupky, 1s. Když tedy chceme napsat elektronovou konfiguraci vodíku, musíme si uvědomit, že v první energetické slupce, tedy v 1s, je jen jeden elektron. A jak vlastně vypadá ta podslupka prvního orbitalu, ta "s" slupka? Je to jen koule. Je to přesně to, co jsem na začátku kreslil, opravdu jen koule. Kdybych měl nakreslit její příčný řez, tak ve středu je vysoká hustota a směrem od středu se hustota snižuje. V posledním videu jsem vám také ukázal, jak vypadá takový orbital helia. A viděli jste, že byl ve středu hodně tmavý a směrem ke kraji byl světlejší až přecházel do bíla. Jaká je tedy elektronová konfigurace helia? Do každé této podslupky můžeme dát 2 elektrony ...více o tom řeknu příště, už mi dochází čas... V každé konfiguraci můžete do každé podslupky dát 2 elektrony. Na což se podíváme více jindy. Tak tedy konfigurace hélia. Hélium je v první periodě, bude to tedy 1s2. V "s" podslupce v první periodě, v první energetické slupce má helium 2 elektrony. Úžasné. Tak co třeba lithium? Lithium je přesně tady. Je to také název jedné skladby od Evanescence. Myslím, že je to název skladby, protože se lithium používá na léčbu deprese, nebo se alespoň používalo v minulosti. Tak tedy lithium. Jaké je jeho elektronová konfigurace? První elektron jde do orbitalu 1s1, druhý elektron do 1s2. Ta první jednička je energetický stav, druhé číslo je počet elektronů. První elektron, chce tedy jít do stavu o nejnižší energii. To je stav 1s. Druhý elektron chce také do tohoto stavu. Protože 2 elektrony se vejdou do prvního energetického stavu, tedy prvního podorbitalu, do té naší první slupky, a tak se z toho stává 1s2. Tak tedy, lithium zaplňuje první orbital 1s2. Zaplňuje první energetickou slupku, což je ta slupka "s". Teď musíme přejít na druhou energetickou slupku, což funguje úplně stejně jako v předchozím případě. Lithium je ve druhé periodě. Druhá perioda je tady. Že? Lithium je tedy v druhé periodě. jeho konfigurace tedy bude 1s2, První dva elektrony zaplní 1s orbital stejně jako hélium. Potom třetí elektron půjde do slupky 2s, tedy 2s1. No a to je elektronová konfigurace lithia. Co myslím tím 2s1? No, lithium má dva elektrony v té malé tečce, kterou jsem pokreslil a kolem téhle tečky je další slupka, tedy druhá energetická slupka. A ta bude mít právě 1 elektron. Schválně, jestli to dokážu nakreslit. Bude to mít jednu pravděpodobnost, nejspíš kouli. Kde budou sídlit první dva elektrony. No a jestli toto je průřez, tak třetí elektron bude sídlit v pravděpodobnostní slupce kolem této první. Když to takto kreslím, tak to neznamená, že elektron je přesně v tomhle orbitalu. Jen kreslím nějakou hranici, ve které s 90% pravděpodobností můžeme elektron najít. Ten elektron by se mohl objevit kdekoli, tady nebo tam nebo tady. Ale tady bude s daleko menší pravděpodobností než tady, kde je pravděpodobnost daleko vyšší. V každém případě, už toto video ukončím. V tomto tématu budu pokračovat v dalším videu, kde budu mluvit o daleko bizarnějších tvarech orbitalů a možná vám i dokážu, že tyto bizarní tvary nejsou tak zvláštní, jak to na první pohled vypadá.
video