Escudo do elétron - Electron shell

Em química e física atómica , uma concha de electrões pode ser pensado como uma órbita seguido de electrões em torno de um átomo de núcleo . A camada mais próxima do núcleo é chamada de " camada 1 " (também chamada de "camada K"), seguida pela " camada 2 " (ou "camada L") e, em seguida, a " camada 3 " (ou "camada M" ), e assim por diante, cada vez mais longe do núcleo. As camadas correspondem aos números quânticos principais ( n = 1, 2, 3, 4 ...) ou são rotuladas em ordem alfabética com as letras usadas na notação de raios-X (K, L, M, ...).

Cada camada pode conter apenas um número fixo de elétrons: a primeira camada pode conter até dois elétrons, a segunda camada pode conter até oito (2 + 6) elétrons, a terceira camada pode conter até 18 (2 + 6 + 10 ) e assim por diante. A fórmula geral é que a n- ésima camada pode, em princípio, conter até 2 ( n ² ) elétrons. Para uma explicação de por que existem elétrons nessas camadas, consulte a configuração de elétrons .

Cada camada consiste em uma ou mais sub camadas , e cada sub camada consiste em um ou mais orbitais atômicos .

História

A terminologia shell vem da modificação de Arnold Sommerfeld do modelo de Bohr . Sommerfeld manteve o modelo planetário de Bohr, mas acrescentou órbitas ligeiramente elípticas (caracterizadas por números quânticos adicionais ℓ e m ) para explicar a estrutura espectroscópica fina de alguns elementos. Os múltiplos elétrons com o mesmo número quântico principal ( n ) tinham órbitas próximas que formavam uma "camada" de espessura positiva em vez da órbita circular infinitamente fina do modelo de Bohr.

A existência de reservatórios de electrões foi primeiro observado experimentalmente em Charles Barkla 's e Henry Moseley ' s de raios X , estudos de absorção. Barkla os rotulou com as letras K, L, M, N, O, P e Q. A origem dessa terminologia era alfabética. Uma série "J" também foi suspeitada, embora experimentos posteriores indicassem que as linhas de absorção K são produzidas pelos elétrons mais internos. Posteriormente, descobriu-se que essas letras correspondiam aos valores n 1, 2, 3, etc. Elas são usadas na notação espectroscópica de Siegbahn .

Subshells

Vistas 3D de alguns orbitais atômicos semelhantes ao hidrogênio mostrando densidade de probabilidade e fase ( orbitais g e superiores não são mostrados).

Cada camada é composta por uma ou mais sub-camadas, que são compostas por orbitais atômicos . Por exemplo, o primeiro (K) shell possui um subshell, denominado 1s ; o segundo (L) shell tem dois subshells, chamados 2s e 2p ; o terceiro shell tem 3s , 3p e 3d ; a quarta camada tem 4s , 4p , 4d e 4f ; a quinta camada tem 5s , 5p , 5d e 5f e pode teoricamente conter mais na sub camada 5g que não está ocupada na configuração eletrônica do estado fundamental de qualquer elemento conhecido. Os vários subshells possíveis são mostrados na tabela a seguir:

• A primeira coluna é o "rótulo do subshell", um rótulo com letra minúscula para o tipo de subshell. Por exemplo, a " subcamada 4s " é uma subcamada da quarta (N) camada, com o ( s ) tipo ( s ) descrito ( s ) na primeira linha.
• A segunda coluna é o número quântico azimutal (ℓ) da subcamada. A definição precisa envolve a mecânica quântica , mas é um número que caracteriza a subcamada.
• A terceira coluna é o número máximo de elétrons que podem ser colocados em uma subcamada desse tipo. Por exemplo, a linha superior diz que cada subcamada do tipo s ( 1s , 2s , etc.) pode ter no máximo dois elétrons. Em cada caso, o número é 4 maior do que o acima.
• A quarta coluna informa quais camadas possuem uma subcamada desse tipo. Por exemplo, olhando para as duas linhas superiores, cada shell possui um subshell s , enquanto apenas o segundo shell e superior têm um subshell p (ou seja, não há nenhum subshell "1p").
• A coluna final fornece a origem histórica dos rótulos s , p , d e f . Eles vêm de estudos iniciais de linhas espectrais atômicas . Os outros rótulos, a saber g , h e i , são uma continuação alfabética seguindo o último rótulo historicamente originado de f .

Número de elétrons em cada camada

Cada subcamada é restrita a conter 4 ℓ + 2 elétrons no máximo, a saber:

• Cada subcamada s contém no máximo 2 elétrons
• Cada subcamada p contém no máximo 6 elétrons
• Cada subcamada d contém no máximo 10 elétrons
• Cada subcamada f contém no máximo 14 elétrons
• Cada subcamada g contém no máximo 18 elétrons

Portanto, a camada K, que contém apenas uma subcamada s , pode conter até 2 elétrons; a camada L, que contém um s e uma p , pode realizar-se a 2 + 6 = 8 electrões, e assim por diante; em geral, o n º shell pode armazenar até 2 n ² elétrons.

Embora essa fórmula forneça o máximo em princípio, na verdade esse máximo só é alcançado (por elementos conhecidos) para as primeiras quatro camadas (K, L, M, N). Nenhum elemento conhecido tem mais de 32 elétrons em qualquer camada. Isso ocorre porque as subcamadas são preenchidas de acordo com o princípio Aufbau . Os primeiros elementos com mais de 32 elétrons em uma camada pertenceriam ao bloco g do período 8 da tabela periódica . Esses elementos teriam alguns elétrons em sua subcamada 5g e, portanto, teriam mais de 32 elétrons na camada O (quinta camada principal).

Energias de subcamada e ordem de preenchimento

Para átomos multielétrons, n é um indicador pobre da energia do elétron. Os espectros de energia de algumas conchas se intercalam.

Os estados cruzados pela mesma seta vermelha têm o mesmo valor. A direção da seta vermelha indica a ordem de preenchimento do estado.${\ displaystyle n + \ ell}$

Embora às vezes seja afirmado que todos os elétrons em uma camada têm a mesma energia, esta é uma aproximação. No entanto, os elétrons em uma subcamada têm exatamente o mesmo nível de energia, com as subcamadas posteriores tendo mais energia por elétron do que as anteriores. Este efeito é grande o suficiente para que as faixas de energia associadas às camadas possam se sobrepor.

O preenchimento das camadas e subcamadas com elétrons procede de subcamadas de menor energia para subcamadas de alta energia. Isso segue a regra n + ℓ, que também é comumente conhecida como regra de Madelung. Subshells com um valor n + ℓ mais baixo são preenchidos antes daqueles com valores n + ℓ mais altos. No caso de valores n + ℓ iguais , a subcamada com um valor n inferior é preenchida primeiro.

Lista de elementos com elétrons por camada

A lista abaixo fornece os elementos organizados por número atômico crescente e mostra o número de elétrons por camada. À primeira vista, os subconjuntos da lista mostram padrões óbvios. Em particular, cada conjunto de cinco elementos (em  azul elétrico ) antes de cada gás nobre (grupo 18, em  amarelo ) mais pesado do que o hélio têm números sucessivos de elétrons na camada mais externa, ou seja, três a sete.

A classificação da tabela por grupo químico mostra padrões adicionais, especialmente com relação às duas últimas camadas mais externas. (Os elementos 57 a 71 pertencem aos lantanídeos , enquanto 89 a 103 são os actinídeos .)

A lista abaixo é principalmente consistente com o princípio Aufbau . No entanto, há várias exceções à regra; por exemplo, paládio (número atômico 46) não tem elétrons na quinta camada, ao contrário de outros átomos com número atômico mais baixo . Algumas entradas na tabela são incertas, quando os dados experimentais não estão disponíveis. (Por exemplo, os elementos anteriores a 108 têm meias-vidas tão curtas que suas configurações de elétrons ainda não foram medidas.)

Veja também

• Tabela periódica (configurações eletrônicas)
• Contagem de elétrons
• Regra de 18 elétrons
• Carga central

Referências