Poprzedni wykład miał na celu między innymi uświadomić, że wzory

Poprzedni wykład miał na celu między innymi uświadomić, że wzory chemiczne i równania reakcji
to tylko bardzo uproszczone schematy skomplikowanych procesów, w dodatku zapisane w formie
„zaszyfrowanej”. Zrozumienie, co rzeczywiście kryje się pod tym schematycznym zapisem,
wymaga znajomości podstawowych zasad i reguł chemicznych, czyli owego „szyfru”. Podstawą
owego szyfru jest budowa materii, więc dziś o tym trochę więcej i szerzej.
Na początek muszę ostrzec, że w świecie subatomowym, którego elementy będziemy teraz
omawiać, rządzą prawa tzw. mechaniki kwantowej, które są nieco odmienne niż te znane nam z mechaniki niutonowskiej, a czasami wręcz im przeczą (pozornie). Stąd konieczność przyjęcia
niektórych stwierdzeń „na wiarę”, bo na podstawie wiedzy fizycznej, którą mamy, wyjaśnić ich się
nie da (a poznawanie praw i wyjaśnień mechaniki kwantowej – jeśli nie marzymy o zostaniu
fizykami teoretycznymi – raczej nie wchodzi w rachubę). Na razie musi nam wystarczyć
informacja, że podstawą mechaniki kwantowej jest prawo mówiące, że energia w mikroświecie
subatomowym zmienia się nie w sposób ciągły, (jak to przyjmujemy w makroświecie), a w sposób
skokowy, czyli konkretnymi porcjami, zwanymi kwantami (stąd nazwa całej tej dziedziny wiedzy).
I po tym uprzedzającym wstępie możemy przejść do meritum zagadnienia.
Podstawowym elementem biorącym udział w przemianach chemicznych jest atom. Jest to
twór złożony z jądra atomowego, wokół którego w przestrzeni sferycznej (kulistej) rozmieszczone
są elektrony obdarzone elektrycznym ujemnym ładunkiem elementarnym.
Jądro atomowe zbudowane jest głównie z dwóch rodzajów elementów – neutronów,
obojętnych elektrycznie i protonów, prawie identycznych z neutronami, lecz obdarzonych
elementarnym ładunkiem dodatnim. Jądro atomowe zajmuje bardzo niewielką objętość
(w porównaniu do wielkości całego atomu) i skupia w sobie prawie całą masę atomu (ponad
99,95% całkowitej masy atomu). Stąd możemy przyjąć, że masa protonu czy neutronu wynosi 1u
(jednostkę masy atomowej, zwaną też na cześć angielskiego uczonego Johna Daltona - daltonem
Da*). W jądrze atomowym skupiona jest ogromna energia, bowiem dodatnio naładowane protony,
położone bardzo blisko siebie, zgodnie z prawami fizyki, odpychają się, a specjalnego rodzaju
oddziaływania zwane siłami krótkiego zasięgu, utrzymują jądro atomowe w całości. Ta energia
jądra przejawia się w przemianach jądrowych (rozpad promieniotwórczych izotopów, chemia
radiacyjna) i „zwykłych” chemików specjalnie nie interesuje. Bardziej interesujące są dla
chemików elektrony otaczające jądro.
Ponieważ atom jako całość jest elektrycznie obojętny, ujemnie naładowanych elektronów
dookoła jądra musi być tyle ile jest protonów w jądrze. Na każdy elektron oddziałuje pole elektryczne jądra (przyciąga elektrony do jądra, bo ładunki o przeciwnych znakach przyciągają się)
i pola elektryczne pozostałych elektronów (ponieważ mają ten sam znak – odpychają się). Ponadto
wszystkie elementy atomu wykonują ruch wirowy dookoła własnej osi (tzw. spin), co powoduje
powstanie pola magnetycznego wokół elementów obdarzonych ładunkiem. Dołóżmy do tego
energie ruchu elektronów i zasady mechaniki kwantowej a w konsekwencji otrzymamy doniosłe dla
chemii skutki tej subtelnej gry sił wokół jądra. Wypunktujmy konsekwencje tych wewnątrzatomowych oddziaływań:
• elektrony mogą przebywać w przestrzeni okołojądrowej tylko w dość ściśle określonych
obszarach zwanych orbitalami**, gdzie ich energia własna wystarcza do zrównoważenia
energii oddziaływania otoczenia (pole elektryczne jądra i innych elektronów itp.);
• orbitale wokół jądra są pogrupowane w tzw. powłoki elektronowe, czyli sferyczne przestrzenie rozmieszczone wokół jądra w różnych odległościach od niego; kolejne powłoki,
zaczynając od najbliższej jadra, oznaczamy zazwyczaj literami: K, L, M, … lub kolejnymi
liczbami 1, 2, 3, ...
• na poszczególnych powłokach może znaleźć się ściśle określona ilość orbitali:
–
na K 1 orbital
–
na L 4 orbitale (1+3)
–
na M 9 orbitali (1+3+5)
• energia elektronów rozmieszczonych na różnych powłokach jest wyraźnie różna;
• wyróżniamy cztery typy orbitali, różniących się kształtem i energią, są to orbitale typu s,
p, d, f; na każdym orbitalu mogą się znajdować najwyżej 2 elektrony, różniące się kierunkiem wirowania (spinem);
• na poszczególnych powłokach wyróżniamy podpowłoki, złożone z orbitali tego samego
typu;
• orbitale budują odpowiednio kolejne powłoki w sposób następujący:
na powłoce K - 1 orbital s (maksymalnie 2 elektrony)
na powłoce L - 1 orbital s i 3 orbitale p (maksymalnie 2+6=8 elektronów)
na powłoce M - 1 orbital s, 3 orbitale p i 5 orbitali d (maksymalnie 2+6+10=18 elektronów)
• energia elektronów umieszczonych na tej samej podpowłoce (na orbitalach tego samego
typu) danej powłoki jest identyczna; (np. wszystkie elektrony na orbitalach p powłoki M
mają energię identyczną, ale różną od energii elektronów umieszczonych na orbitalach p
powłoki L);
• zajmowanie powłok i podpowłok w miarę wzrostu ilości elektronów w kolejnych pierwiastkach odbywa się w sposób systematyczny, zgodny ze wzrostem energii potrzebnej do
obsadzenia danego orbitala, systematyczność ta ulega jednak pewnym zmianom, począwszy od potasu;
(patrz http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/pierwiastki/nieorganiczna/ogolne.html#top
i ewentualnie http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/pierwiastki/grupa_3_12.html )
• rozmieszczenie elektronów w atomie konkretnego pierwiastka nazywamy jego konfiguracją elektronową i przedstawiamy skrótowym, symbolicznym zapisem: 1s 2 2s2p6 3s2p6d10
…. lub Ks2 Ls2p6 Ms2p6d10 …. lub K2 L8 M18 …. ; gdzie duże litery lub liczby oznaczają
rodzaj powłoki, małe litery typ orbitali (podpowłoki) a cyferki w postaci górnego indeksu
ilość elektronów na danej podpowłoce czy powłoce;
np. dla węgla jest to zapis 1s2 2s2p2 lub K2 L4, a dla chloru K2 L8 M7 lub precyzyjniej
1s2 2s2p6 3s2p5
No a teraz najważniejsze – jak te informacje podane powyżej możemy zamienić na wiedzę,
czyli wykorzystać je w praktyce. Pokażmy to na prostym przykładzie. Jeśli z układu okresowego
pierwiastków czy jakiejkolwiek innej bazy danych dowiemy się, że atom węgla ma sześć protonów
w jądrze (liczbę atomowa równą 6), to wiemy, że ma też sześć elektronów wokół jądra. Spróbujmy
je rozmieścić na orbitalach zgodnie z informacjami zamieszczonymi powyżej:
–
powłoka 1 zawiera 1 orbital s i na nim mogą być tylko 2 elektrony, pozostało jeszcze
cztery;
–
powłoka 2 zawiera 1 orbital s i na nim 2 elektrony, pozostałe dwa musimy umieścić
na orbitalach p; może to być tak, że oba są na tym samym orbitalu p lub każdy z nich
na innym orbitalu p: 1s2 2s2p2 lub 1s2 2s2 px1py1pz0 ;
–
może też się zdarzyć, w szczególnych warunkach, że uzyskamy konfigurację:
1s2 2s1 px1py1pz1, na przykład po podgrzaniu środowiska reakcji – dostarczenie dodatkowej energii na sposób ciepła, wystarczy do przeniesienia elektronu z s na p, bowiem różnice energetyczne w obrębie powłoki (między różnymi typami orbitali) są
niewielkie.
No dobrze, potrafimy przewidzieć konfiguracje elektronowe na podstawie ilości elektronów
w atomie, i co z tego? Jakie praktyczne wnioski?
Otóż na przykład pamiętając, że wiązania kowalencyjne tworzą się przez nałożenie się
orbitala z jednym elektronem z ostatniej (walencyjnej) powłoki jednego atomu, na orbital innego
atomu, też z jednym elektronem z powłoki walencyjnej, możemy wyciągnąć wnioski, że węgiel
może być chemicznie nieaktywny (konfiguracja 1s2 2s2p2, brak orbitali z jednym elektronem), może
występować jako pierwiastek dwuwartościowy i np. z dwuwartościowym tlenem tworzyć tlenek
węgla(II) C=O (konfiguracja 1s2 2s2 px1py1, dwa orbitale jednoelektronowe, zdolne do tworzenia
wiązań chemicznych) lub po podgrzaniu zamienić się w węgiel czterowartościowy (konfiguracja
1s2 2s1 px1py1pz1) i z tlenem stworzyć tlenek węgla (IV) CO2. Wiemy też, że węgiel nie wystąpi nigdy
jako pierwiastek jedno-, trój- czy pięciowartościowy. Potrafimy też zrozumieć, dlaczego czad
(tlenek węgla(II) CO) jest taki zabójczy. Z konfiguracji elektronowej wynika, że jest tam wolna
para elektronowa na atomie węgla. Ta para elektronowa, łącząc wiązaniem koordynacyjnym tlenek
węgla z atomem żelaza w hemoglobinie, blokuje go na stałe i uniemożliwia transport tlenu z płuc
do organizmu i „wywóz” dwutlenku węgla z organizmu do płuc i do wydechiwanego powietrza.
Następuje „komórkowe uduszenie”.
Im więcej takich „teoretycznych” informacji będziemy znali i pamiętali, tym mniej będzie do
„zakuwania”. Po prostu to, czego inni będą uczyć się na pamięć, dla Ciebie będzie logiczną
konsekwencją wcześniej poznanych zasad. I choć może na początek trzeba zainwestować troszkę
więcej intelektualnego wysiłku, to per saldo zwróci Ci się to w przyszłości dziesięciokrotnie.
*Problemy związane z pojęciem masy atomowej i mola zostanie bardziej szczegółowo omówiony w pliku
4_mol.pdf
** Orbital, to część przestrzeni okołojądrowej, gdzie nastąpiło zrównoważenie, zminimalizowanie sił
działających na elektrony atomu. Granice tej przestrzeni są dość rozmyte a sam orbital, o czym nie należy nigdy
zapominać, nie jest obiektem materialnym. Przypominam o tym, bo sposób, w jaki jest on opisywany w
większości podręczników („kształt orbitalu”; „nakładanie się orbitali”; „kąty między orbitalami”;
„przeniesienie na orbital”; „uśrednienie orbitali” itp.), u nieobytego z tym pojęciem czytelnika może
podświadomie wywołać wrażenie, że orbital to coś materialnego.