O obrotach sfer elektronowych

Błękitnie niebo nad nami. Przypomnijmy sobie nasze lata, kiedy z zachwytem patrzyliśmy na niebo jako małe dzieci, kiedy zastanawialiśmy się czym ono jest. Przypomnijmy sobie czasy, gdy jako dzieci zastanawialiśmy się, dlaczego gwiazdy są  na nocnym niebie i nie spadają z niego. Dlaczego one są przyklejone do nieba? Bo niebo było takim parasolem rozpiętym nad światem, i chciało się tam wznieść i go dotknąć. A czy ktoś kiedyś nie zastanawiał się, czy da się rzucić kamieniem tak wysoko, żeby trafił w niebo? Przypomnijmy sobie te piękne czasy z naszego życia. Oczywiście potem szybko nasze myślenie o niebie zostało sprowadzone na ziemię, bo okazało się, że nie ma nad światem parasolki, do której przyklejone są gwiazdy. A Ziemia, choć okrągła, to nie jest jak żółtko w jajku: otoczona skorupą, do której od środkowej strony są przyklejone gwiazdy. Ponadto gwiazdy wcale nie są w jednej odległości od ziemi, jak się wydaje gołym okiem, tylko są w różnych odległościach od Ziemi. Dorośli zrujnowali nasze dzieciństwo.

Jednakże nocne niebo fascynowało nie tylko nas jako dzieci, ale ludzkość od zarania dziejów. I tak już od wczesnej starożytności ludzie obserwowali nocne, ale i dzienne niebo i budowali obserwatoria astronomiczne. Rysowali mapy nieba, rysowali tory ruchu ciał niebieskich. Bo widzieli, że gwiazdy nie zajmują cały czas tego samego miejsca. Widzieli, że wszystkie gwiazdy, poza siedmioma obiektami o których za moment, zataczają w ciągu jednej doby krąg. Ponieważ przyjęli, że Ziemia jest nieruchomym centrum Wszechświata, to znaczy, że niebo nad nimi się obraca. Nawet znaleźli gwiazdę, która zachowuje swoją stałą pozycję na niebie, czyli oś obrotu nieba przechodzi przez tę gwiazdę, a gwiazda leży na biegunie, stąd do dziś zwiemy ją gwiazdą polarną (greckie polos i łacińskie polus oznacza oś obrotu, czyli biegun). Słowo biegun dawniej oznaczało także po prostu zawias – przecież do dzisiaj to zawias jest osią obrotu, wokół której obracają się drzwi. Biegun to taki typ zawiasu, jaki do dzisiaj mają lodówki, a dawniej drzwi do domów.

biegun
Drzwi lodówki osadzone na biegunach

Ale wróćmy do nieba: im jakaś gwiazda jest dalej od gwiazdy polarnej, tym większe koło zatacza podczas obrotu wokół osi, podobnie jak rysowanie okręgów cyrklem. A zatem niebo nad nami wiruje, wraz z gwiazdami przyklejonymi do niego. Ale siedem obiektów zachowywało się inaczej: poruszały się niezależnie od gwiazd i zataczały inne kręgi: Słońce, Księżyc, Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn. Tych siedem obiektów widocznych gołym okiem starożytni nazwali planetes asteres – gwiazdami błądzącymi lub krócej planetai – wędrowcami. Zwróćmy uwagę, że i Księżyc był wtedy uznawany za błądzącą gwiazdę. Jeśli Ziemia jest kulista, a niebo jest powłoką rozciągniętą jest nad całą Ziemią, to i niebo musi mieć kształt kuli. Niebo musi być SFERĄ, a którą do dziś zwiemy sferą niebieską. A co z ruchem planet? Kopernik zauważył, że jeśli za centrum wszechświata przyjąć nieruchome Słońce, to planety Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn, ale także Ziemia zataczają kręgi wokół Słońca a ich ruch jest w pełni przewidywalny. Można więc przyjąć, że te obiekty leżą na innych sferach niebieskich – o różnym promieniu. Merkury leży na sferze najmniejszej, dalej Wenus na kolejnej itd. Każda z tych sfer obracała się ze jakąś szybkością, dlatego planety “przyklejone do nich” zataczają koła co jakiś okres. Starożytni sądzili, że Ziemia jest centrum wszechświata i tak, panie i panowie, coś przez kilka tysięcy lat uważano. Aż do Kopernika… Koncepcja położenia planet na innych sferach niebieskich niż gwiazdy była znana znacznie przed Kopernikiem, ale Kopernik stwierdził, że wszystko pasuje w logiczną całość, jeśli to Słońce umieścić w centrum, a nie Ziemię, jak przyjęto kilka tysięcy lat wcześniej.   I tak gwiazdy, które wg starożytnych błądziły – stały się ciałami, których ruch daje się obliczyć i jest przewidywalny. Planeta się porusza, bo porusza się cała sfera, na której leży. I do tej koncepcji nawiązuje tytuł dzieła Kopernika: rękopis zatytułowany “De revolutionibus” (“O obrotach”), a wydane drukiem pod szerszym tytułem “De revoliotonibus orbium coelestium” (“O obrotach sfer niebieskich”). Jednakże świadomość Kopernika była większa, niż wskazuje tytuł, o czym na końcu.

A teraz przenieśmy się od obiektów w skali giga do obiektów w skali mikro. Przenieśmy się do atomów. Mówimy, że materia ma elektryczną budowę. Elektrony krążą wokół jądra, w różnych odległościach. Bardzo często mówimy, że atom ma budowę powłokową – elektrony znajdują się na powłokach elektronowych. A te możemy jeszcze podzielić na podpowłoki. Z tego powodu często można spotkać się porównaniem atomu do cebuli przekrojonej w poprzek – bo możemy tam wskazać powłoki. A teraz zadajmy sobie pytanie: jakie rozmiary mają atomy? Bardzo małe. Zatem czy atom można nazwać cebulką, tylko taką tyci, tyci? I dodatkowe pytania:  czego zależy rozmiar atomu? Ile powłok elektronowych ma atom?

Zanim odpowiemy na pytanie pierwsze to zastanówmy się, czy elektrony muszą obsadzać powłoki akurat tak, jak wynika z reguł obsadzania? Nie, ponieważ reguły obsadzania dotyczą stanu podstawowego – czyli stanu o najniższej możliwej energii. Gdy elektrony są rozmieszczone inaczej, niż wynika to z tych reguł, to mamy do czynienia ze stanem wzbudzonym. W szkole pojęcia wzbudzenia używa się często po to, żeby wyjaśnić, dlaczego atom węgla tworzy 4 wiązania, jak np. w cząsteczce CH4. W stanie podstawowym atom węgla ma dwa niesparowane elektrony. Jeśli dostarczyć odpowiedniej energii, to można przenieść jeden z elektronów walencyjnych i otrzymamy 4 niesparowane elektrony.

węgiel

Dalej idąc w kierunku konfiguracji elektronowych to uczniowie muszą wiedzieć, że konfiguracje atomu chromu czy miedzi nie są takie, jak wynikałoby wprost z reguł obsadzania. W tych konkretnych przypadkach mamy do czynienia z odstępstwem, zwanym promocją elektronową. Po prostu w stanie podstawowym konfiguracja jest inna, niż wynika z reguł obsadzania, ale tak jest w stanie podstawowym atomów tych pierwiastków.

Chrom

I tutaj dochodzimy do pewnej niebezpiecznej sytuacji: wśród uczniów i studentów, oraz części nauczycieli rozpowszechniona jest “reguła”, że wzbudzenie zachodzi w obrębie tej samej powłoki, a promocja elektronowa – pomiędzy dwoma powłokami. Uczniowie dowiadują się zwykle o wzbudzeniu przy omawianiu budowy związków takich pierwiastków jak: Be, B, C. Z kolei o atomach azotu czy tlenu uczniowie zwykle mają wpojone, że  nie można ich wzbudzić. Przyjrzyjmy się konfiguracji walencyjnej atomu azotu.

Azot

Nawet jeśli przeniesiemy jeden elektron z orbitalu 2s na 2p, to i tak otrzymamy 3 niesparowane elektrony i jedną wolną parę elektronową. Takie wzbudzenie nic by nam nie dało, gdybyśmy mieli wyjaśnić tworzenie związków przez atom azotu.

Zastanówmy się: Układ Słoneczny zawiera 8 planet, ale czy jego rozmiar jest ograniczony? Gdyby dostarczyć odpowiedniej energii Ziemi, to mogłaby zająć orbitę Marsa i wraz z nim w jednakowej odległości okrążać Słońce. Przynajmniej przez jakiś czas, bo w końcu planety by się zderzyły – ze względu na różną masę obu planet Ziemia na orbicie Marsa miałaby mniejszą prędkość niż Mars i w końcu doszłoby do zderzenia planet. Dlaczego Ziemia mogłaby krążyć po innej orbicie? Bo jej orbita nie istnieje fizycznie. Nie jest sznurkiem, na który jest nawleczona Ziemia i który jej nie pozwala oddalić się od Słońca. Tak samo nie istnieją sfery niebieskie, które obracają się wraz z przyklejonymi do nich planetami. I gwiazdami. Ziemia nie jest więc ani nawleczona na sznurek zwany orbitą, ani przyklejona do sfery niebieskiej. Układ słoneczny nie jest ograniczony sferą, do której przyklejony jest Neptun. Ani sferą, na której miałby znajdować się Pluton, który stracił rangę planety w 2006 roku. Tak więc Ziemia odpowiednio “kopnięta” mogłaby zająć orbitę za orbitą Neptuna powiększając średnicę układu Słonecznego. W 1911 Rutherford zaproponował taki właśnie model budowy atomu, który nazwano planetarnym. Ale już w 1913 Bohr wprowadził do niego poprawki – uwzględnił to, o czym Rutherford jeszcze nie wiedział, lub nie potrafił wyjaśnić.

Odpowiedź na dwa ostatnie pytania wydaje się oczywista: rozmiar atomu zależy od liczby protonów w jądrze oraz liczby powłok elektronowych i liczby elektronów obsadzających te powłoki. Ile powłok elektronowych ma atom? wystarczy sprawdzić, w którym okresie leży w układzie okresowym, np. atom wodoru ma jedną powłokę elektronową, atom tlenu dwie, a atom siarki trzy.

Ale wróćmy do układu słonecznego. Nie istnieją przecież wirujące sfery niebieskie, na których znajdują się planety i gwiazdy, są tylko planety w różnej odległości od Słońca. Nie ma żadnej powłoki rozciągniętej dookoła słońca. Żadnego wirującego elementu, który fizycznie utrzymywał by planetę. Układ Słoneczny nie jest cebulą, tylko taką wielką, że aż strach (gigacebulą).

Podobnie cebulą nie jest atom. Nie istnieją sferyczne powłoki elektronowe, które jeszcze możemy podzielić na podpowłoki. Istnieją za to elektrony poruszające się w jakiejś odległości od jądra. Tym dalej od jądra, im wyższą energię ma dany elektron. Krótko i zwięźle: atom nie jest kulką, którą można nawiercić i zajrzeć do środka. Bo nie ma żadnej zewnętrznej powłoki istniejącej fizycznie, która by ograniczała jego rozmiar. Mowa o powłokach elektronowych sprowadza nasze myślenie o atomach do koncepcji sfer niebieskich i planet czy gwiazd na nich umieszczonych. Różnica tylko taka, że starożytni założyli, że to sferyczne powłoki wirują z przyklejonymi do nich obiektami, a w przypadku atomów, że elektrony krążą na powłokach – ale równie dobrze można by założyć, że elektrony są przyklejone do powłok i są nieruchome, za to wirują całe powłoki. Zwróćmy uwagę na to, że przecież nazwę powłoka elektronowa lub warstwa elektronowa to sfera – podobnie jak sfera niebieska. I z tego powodu można ją nazwać po prostu sferą elektronową – nazwa ta była dawniej rozpowszechniona. Poniżej widzimy fragment podręcznika S. Prebendowskiego z 1961 roku. Naszej ery.

prebendowski

Niels Bohr skorygował model Rutherforda: wprowadził elementy kwantowe do niego. Uwzględnił, że elektrony nie mają byle jakiej energii, tylko przyjmują jej konkretne wartości. Tak jakby Ziemia mogła zająć tylko orbitę (powłokę) innej planety (np. Marsa lub Jowisza), ale nie mogła przyjąć żadnej orbity pośredniej – np. pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Skoro atom nie ma  żadnej wewnętrznej ani zewnętrznej powłoki ograniczającej jego rozmiar, tylko są elektrony obsadzające różne dozwolone poziomy energetyczne (i w różnej odległości od jądra), to jak jest z tym wzbudzeniem? Czy atom wodoru można wzbudzić? Można, bo tzw. pierwsza powłoka, którą “ma” to nie fizyczny obiekt ograniczający, tylko poziom energetyczny wiążący się z pewną odległością elektronu od jądra. Jeśli dostarczyć odpowiedniej energii, to ten elektron obsadzi wyższy poziom energetyczny – dalej od jądra. Czyli zmieni się średnica atomu i przybędzie mu powłoka elektronowa – bo będzie obsadzał drugą “powłokę” – pierwsza będzie pusta (czytaj: elektron mógłby krążyć bliżej jądra). Tak więc można wzbudzić nawet atomy wodoru czy helu, które “mają tylko jedną powłokę”. Powiem więcej – można tak wzbudzić atomy, że główna liczba kwantowa co najmniej jednego elektronu osiągnie wartości setek, a co za tym idzie, średnice atomów osiągają rozmiary rzędu 0,001 milimetra, czyli byłyby widoczne pod mikroskopem optycznym – gdyby tylko atom był obiektem, który da się zobaczyć… Atomy o takich rozmiarach zwiemy atomami Rydberga. Niestety, jako że większy rozmiar atomu nie oznacza spuchniętej cebuli, to atomu nadal nie zobaczymy, mimo że tej wielkości obiekty możemy obserwować pod mikroskopem optycznym. Ale za to pod mikroskopem optycznym widzimy obiekty zbudowane z wielu atomów, ale w swoich “normalnych” rozmiarach. I choć atomów nawet tak wzbudzonych jak atomy Rydberga nie zobaczymy, to jednak mogą “żyć” na tyle długo, że można zdążyć je badać i poobserwować ich zachowanie innymi technikami. A w ogóle to sporo cudzysłowów już w tym artykule wyszło.

Atomy wzbudzone mają to do siebie, że mają wolne niższe poziomy energetyczne. Stąd też tendencja elektronów z wyższych stanów energetycznych do oddania części energii i wypełnienia luki. Elektron emituje wtedy foton, a foton może oznaczać światło o konkretnym kolorze – kolor światła zależy od energii fotonu, a ta zależy od długości fali elektromagnetycznej: im krótsza fala, tym wyższa energia fali. Najwyższą energię z zakresu widzialnego ma światło fioletowe, najniższą – czerwone. Dlatego fale o energii wyższej zwiemy nadfioletem (ultrafioletem), a o energii niższej – podczerwienią. Już w XIX wieku badano tzw. widma emisyjne gorących atomów, nawet wodoru. Przyjrzyjmy się widmu liniowemu atomu wodoru:

liniowe

Widmo przedstawia tzw. serię Balmera atomów wodoru. Odpowiada ona emisji światła podczas przejścia elektronów z poziomów wyższych na poziom L, czyli drugą powłokę! Tak, atom wodoru i druga “powłoka”. Przejście z poziomów wyższych na poziom K, czyli pierwszą “powłokę”, jest w zakresie ultrafioletu, czyli niewidoczna dla ludzkiego oka. Przedstawia to poniższy rysunek, gdzie linie przejścia oznaczono odpowiednim kolorem z widma liniowego.

Balmer

To dzięki badaniu widma światła słonecznego odkryto nowy pierwiastek: hel – na Słońcu, a nie na Ziemii! Dopiero kilka lat później znaleziono go na Ziemii w rudach uranu. Było to możliwe, bo każdy atom można wzbudzić. Po prostu badacze odkryli w widmie liniowym sygnał nie należący do żadnego znanego pierwiastka. Dlatego, że położenie linii na widmie emisyjnym zależy nie tylko od rodzaju przejścia, ale także od rodzaju atomu – absoprbcji  innej porcji energii wymagaprzejście elektronu pomiędzy poziomem K i L dla atomu wodoru, a inne dla tego samego przejścia w przypadku atomu helu. Tak samo jest z emisją energii podczas przejścia elektronów na niższe stany energetyczne. Dlatego możliwe jest wykrycie pierwiastków na podstawie analizy widma misyjnego.

A teraz wróćmy do rozpowszechnionej reguły, że wzbudzenie zachodzi w obrębie jednej powłoki, a promocja elektronowa pomiędzy powłokami. Na podstawie czego sformułowana jest ta “reguła”? I kolejny cudzysłów – zresztą słusznie. Na podstawie zaledwie kilku szczególnych przypadków, które uczniowie muszą znać. Dodajmy, że jest to zupełnie błędne rozumowanie oparte na nieznajomości istoty pojęcia, jakim jest wzbudzenie elektronowe. Bo chodzi tylko o szczególny przypadek wzbudzenia, który ma wyjaśniać wartościowość/wiązalność atomu danego pierwiastka. Ale nie można na tej podstawie wysnuć tak daleko idącego wniosku, bo jak widać, jest błędny. Każde przeniesienie elektronu na wyższy stan energetyczny nazywamy wzbudzeniem, ale nie każde wzbudzenie musi zachodzić w obrębie powłoki. W niektórych przypadkach jest to zresztą niemożliwe, a atomy i tak ulegają wzbudzeniu. A co z liczbami powłok i promieniami atomowymi, które możemy odczytać z układów okresowych pierwiastków? To prawda jest, ale gdy rozpatrujemy atomy w stanie podstawowym.

PS Jak można znaleźć w części źródeł Kopernik zdał sobie sprawę że sfery niebieskie nie istnieją, a Ziemia jest tylko jedną z planet (w teorii geocentrycznej nie była uznawana za planetę) i że Ziemię może czekać naturalna katastrofa z kosmosu (kroniki od starożytności zawierają opisy upadków meteorytów na Ziemię), a nie tylko biblijny Armageddon, co uznano za herezję.

PS2 Jeden z nauczycieli po przeczytaniu tego artykułu powiedział, że omawiał z uczniami eksperyment Rutherforda i zapytał uczniów, czemu atomy się nie przenikają, skoro są puste. To usłyszał odpowiedź, że to przez powłoki elektronowe.

Print Friendly, PDF & Email

Kategorie: Artykuły chemiczne,Chemia,Chemia Matura

Pozostaw odpowiedź

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.