Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ: 5ο μέρος. Μετατροπή ατόμων σε ιόντα . Ο ρόλος της μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων

Δήμητρα Σπανού, χημικός, μόνιμη καθηγήτρια 1ου Γυμνασίου Δάφνης

• ΣΤΟΙΒΑΔΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΣΤΟ ΑΤΟΜΟ (ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΑ ΚΕΛΥΦΗ), ΥΠΟΣΤΟΙΒΑΔΕΣ ΤΩΝ ΣΤΟΙΒΑΔΩΝ,   ΑΤΟΜΙΚΑ ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΤΩΝ ΥΠΟΣΤΟΙΒΑΔΩΝ

• 

• 

  Θυμόμαστε ότι: Κέλυφος ηλεκτρονίων στα  άτομα λέμε την περιοχή του ατόμου που περιέχει ηλεκτρόνια με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό, δηλαδή ΄σε ίδιες περίπου αποστάσεις από τον πυρήνα και σε κοντινά ενεργειακά επίπεδα . Το εξωτερικό κέλυφος (στιβάδα) λέγεται και στιβάσα σθένους

• 
  

  Οι συμπληρωμένες εξωτερικές στοιβάδες    δεν συνεισφέρουν στην ολική ροπή του ατόμου διότι, η μαγνητική ροπή των συμπληρωμένων τροχιακών τους είναι μηδέν. Άρα και η ολική εσωτερική τους ενέργεια είναι η μικρότερη δύνατή σε σχέση με το μέγεθός τους. Τέτοια στοιχεία είναι τα Ευγενή Αέρια (Ήλιον (He) Νέον (Ne), Αργόν (Ar), Κρυπτόν (Kr)  Ξένον (Xe), Ραδόνιο (Rn),

  Τα γεμάτα εσωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων έχουν συνολική μαγνητική ροπή από περιστροφή ηλεκτρονίων ίση με μηδέν αφού όλα τα ηλεκτρόνια είναι με αντίθετες περιστροφές

• Κάθε κέλυφος αποτελείται από ένα ή περισσότερα υποεπίπεδα (υποστοιβάδες) και καθέ υποστοιβάδα από αυτά διαθέτει ατομιικά τροχιακά    Το ατομικό τροχιακό συμπληρώνεται με 2 ηλεκτρόνια που κινούνται αντίθετα και έχουν αντίθετες μαγνητικές ροπές.                    

  

•    Όταν  το τροχιακό είναι συμπληρωμένο, και το αλγευρικό άθροισμα των ροπών του  είναι μηδέν. 

•  

•  

•  

• •  
  • ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΣΕ ΣΤΟΙΒΑΔΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΣΤΟΙΒΑΔΕΣ ΒΑΣΕΙ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΥΤΩΝ
  •  
  • Τα ηλεκτρόνια τοποθετούνται γ'υρω από τον πυρήνα πρωτονίων και νετρονίων, ώστε να συμπληρώνονται πρώτα τροχιακά  μικρότερης ενέργειας (θεμελιώδης κατάσταση). Έτσι πετυχαίνουν την μικρότερη δυνατή ενέργεια για το άτομο άρα και την μεγαλύτερη σταθερότητα 

  • Οι υποστοιβάδες των φλοιών με την μικρότερη ενέργεια  συμπληρώνονται πρώτα από αυτές με την μεγαλύτερη  ως εξής:

    1s<2s< 2p< 3s<3p< 4s<= 3d < 4p< 5s= 4d< 5p < 6s =4f =5d< 6p <7s  

Επίσης, κατά στην τοποθέτηση των ηλεκτρονίων στα τροχιακά των υποστοιβάδων ευννοείται η ευσταθής ισορροπία 

Τα ηλεκτρόνια που κατανέμονται στα τροχιακά ιδιων  υποστοιβάδων τοποθετούνται έτσι ώστε να συμπληρώνονται πρώτα αυτά με την θετική φορά του spin (και επομένως παράλληλλα), ώστε να υπάρχει η μεγαλύτερη τιμή του spin (θετικές τιμές) που είναι προϋπόθεση για την ευσταθή ισορροπία. Στην συνέχεια τα τροχιακά πληρώνονται με τα ηλεκτρόνια αντιπαράλληλου spin  (αρνητικές τιμές) Αυτός είναι ο κανόνας του Hund 

Η εξωτερική στοιβάδα ή εξωτερικό κέλυφος ή στοιβάδα σθένους διαθέτει από 1 έως 8 ηλεκτρόνια, εκτός από την πρώτη που διαθέτει από 1 έως 2

 Από τα ηλεκτρόνια αυτά

Εάν  είναι όλα ζευγαρωμένα και επομένως η ολική τροχιακή ροπή  ηλεκτρονίων να είναι μηδέν και εξωτερική στοιβάδα είναι  συμπληρωμένη.

Αυτά είναι τα Ευγενή αέρια ή Αδρανή αέρια 

που είπαμε παραπάνω

 Έχουν μηδενική ροπή από περιστροφή ηλεκτρονίων και την μικρότερη ολική ροπή του ατόμου και επίσης έχουν την μικρότερη ενέργεια. 

•  
• ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΤΟΜΩΝ ΧΗΜΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ: 
•  ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ, ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΓΕΝΕΙΑ
•  
• Κελυφος, κέλυφος σθένους, μαγνητική ροπή, τροχιακή στροφορμή, ενέργεια ιοντισμού, 
•  Άτομα με συμπληρωμένο κέλυφος είναι χημικά αδρανή (αδρανή αέρια) Η προφανής ερμηνεία έρχεται από το συμπέρασμα ότι 
• Ολική Ενέργεια του ατόμου είναι η μικρότερη δυνατή, εφόσον 
•  η τροχιακή Μαγνητική Ροπή  ηλεκτρονίων το άτομο αυτό είναι μηδέν 
• και η Ολική Μαγνητική Ροπή του συυνολικά παίρνει την  μικρότερη τιμή
•  
• Κέλυφος σθένους είναι το εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου και μπορεί να έχει από 1 έως 8 ηλεκτρόνια ΄(1 έως η πρώτη)
•  

• Τα ηλεκτρόνια σθένους καθορίζουν την συμπεριφορά το ατόμου στις χημικές αντιδράσεις και την δημιουργία χημικών δεσμών
•  
• Άτομα που διαθέτουν στην εξωτερική στοιβάδα μη ζευγαρωμένα τροχιακά δηλαδή μονήρη ηλεκτρόνια, τείνουν κι αυτά να αποκτήσουν την ηλεκτρονιακή δομή ευγενούς αερίου ή όσο γίνεται πιο κοντά σε αυτήν,  
• όπου θα έχουν ολική τροχιακή μαγνητική ροπή μηδενική, για μεγαλύτερη σταθερότητα
• Αυτό συμβαίνει με δύο τρόπους, είτε απομακρύνοντας μη συζευγμένα ηλεκτρόνια της εξωτερικής τους στοβάδας,(ΙΟΝΤΑ και ΙΟΝΤΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ)
• Αυτό εξαρτάται
• 1. από το μέγεθος της Ενέργειας Ιοντισμού ( I _E) που είναι η Ελεύθερη Ενθαλπία Ιονισμού που περιγράφει την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο άτομο ή μερικώς ιονισμένο. Για ηλεκτρόνια δίνεται σε eV/ άτομο   A + I _E → A ⁺ + e ^- .
• 2. από την ηλεκτροσυγγένεια είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται (ή απορροφάται) κατά την σύνδεση ενός ηλεκτρονίου σε ένα ελεύθερο άτομο στην θεμελιώδη κατάσταση για να μετατραπεί σε αρνητικό ιόν.   Για ηλεκτρόνια δίνεται σε eV/ άτομο    A +  e → A - + ε
•  
• Μετατροπή σε θετικά ιόντα
•  Άτομα με ένα ηλεκτρόνιο στο κελύφους σθένους και συμπληρωμένες τις εσωτερικές στοιβάδες, είναι τα περισσότερο δραστικά, επειδή έχουν μικρή ενέργεια πρώτου ιοντισμού, έτσι, μπορούν σχετικά εύκολα να απομακρύνουν το μοναδικό ηλεκτρόνιο της εξωτερικής τους στοιβάδας και να μείνουν με τις εσωτερικές που είναι συμπληρωμένες που σημαίνει ότι:
•  α. μετατρέπονται σε θετικά ιόντα  
• β. αποκτούν δομή ευγενούς αερίου (αυτήν του αμέσως προηγούμενου στοιχείου στον περιοδικό πίνακα):
•  

•  Άτομα με δύο ηλεκτρόνια στο κελύφους σθένους και συμπληρωμένες τις εσωτερικές στοιβάδες απομακρύνουν τα δύο ηλεκτρόνιά τους.  Ευκολότερα  απομακρύνουν το πρώτο ηλεκτρόνιο από το δεύτερο γιατί 

Αυτή ακριβώς είναι η έννοια των ελαφρών ατόμων και ιόντων με ένα

ασύζευκτο ηλεκτρόνιο: H, Li, Be+

, Β, κ.λπ.

Λαμβάνοντας υπόψη τη λεγόμενη αλληλεπίδραση σπιν-τροχίας όπου η συνολική ορμή των ηλεκτρονίων είναι I = L+S (L είναι το σύνολο

τροχιακή ορμή, S είναι το συνολικό σπιν των ηλεκτρονίων), το g είναι έτσι

που ονομάζεται παράγοντας γης Κατά το σχηματισμό κρυστάλλων, μια σειρά από παραμαγνητικές ουσίες

(τα άτομα του οποίου έχουν σταθερό σπιν ή

τροχιακή μαγνητική ροπή, ιδιαίτερα για άτομα με

ελλιπή εσωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων)

μπορεί να εμφανίσει το λεγόμενο σιδηρομαγνητικό (ferrum

– σίδηρος) ιδιότητες. Η ουσιαστική διαφορά

σιδηρομαγνήτες από διαμαγνητικούς και παραμαγνητικούς απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου σημαίνει ότι

σπιν ηλεκτρονίων και μαγνητικές ροπές ατόμων

προσανατολισμένος στην ύλη με διατεταγμένο τρόπο,

για παράδειγμα παράλληλα