Η δομή των ουσιών ήταν ενδιαφέρουσα για τους ανθρώπους από τότε που δόθηκε η ευκαιρία να μην ανησυχούμε για το φαγητό και να μελετήσουμε τον κόσμο γύρω μας. Τέτοια φαινόμενα όπως ξηρασίες, πλημμύρες, κεραυνοί, τρομοκρατούσαν την ανθρωπότητα. Η άγνοια των εξηγήσεών τους οδήγησε στην πίστη σε διάφορους κακούς θεούς που απαιτούσαν θυσίες. Γι' αυτό οι άνθρωποι άρχισαν να μελετούν τα φυσικά φαινόμενα, προσπαθώντας να τα προβλέψουν και να εμβαθύνουν στη δομή των ουσιών. Μελέτησαν τη δομή του ατόμου και εισήγαγαν τις ακόλουθες δύο σημαντικές έννοιες στη χημεία: ενεργειακό επίπεδο και υποεπίπεδο.
Προϋποθέσεις για την ανακάλυψη των μικρότερων χημικών ουσιών
Οι αρχαίοι Έλληνες μάντευαν για τα μικρά σωματίδια που αποτελούν τις ουσίες. Έκαναν μια περίεργη ανακάλυψη: τα μαρμάρινα σκαλοπάτια, που πολλοί άνθρωποι έχουν περάσει εδώ και αρκετές δεκαετίες, άλλαξαν σχήμα! Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το πόδι του παρελθόντος παίρνει μαζί του και κάποιο κομμάτι πέτρας. Αυτό το φαινόμενο απέχει πολύ από την κατανόηση της ύπαρξης ενός ενεργειακού επιπέδου στη χημεία, αλλά ακριβώς μεΌλα ξεκίνησαν. Η επιστήμη άρχισε να αναπτύσσεται σταδιακά και να εμβαθύνει στη δομή των χημικών στοιχείων και των ενώσεων τους.
Η αρχή της μελέτης της δομής του ατόμου
Το Το άτομο ανακαλύφθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα μέσω πειραμάτων με τον ηλεκτρισμό. Θεωρήθηκε ηλεκτρικά ουδέτερο, αλλά είχε θετικά και αρνητικά συστατικά. Οι επιστήμονες ήθελαν να ανακαλύψουν την κατανομή τους μέσα στο άτομο. Προτάθηκαν αρκετά μοντέλα, ένα από τα οποία είχε ακόμη και το όνομα «σταφιδόψωλο». Ο Βρετανός φυσικός Ernest Rutherford διεξήγαγε ένα πείραμα που έδειξε ότι ένας θετικός πυρήνας βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και το αρνητικό φορτίο βρίσκεται στα μικρά ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω του.
Η ανακάλυψη του ενεργειακού επιπέδου στη χημεία ήταν μια μεγάλη ανακάλυψη στη μελέτη της δομής των ουσιών και των φαινομένων.
Επίπεδο ενέργειας
Κατά τη διάρκεια της μελέτης των ιδιοτήτων των χημικών ουσιών, αποδείχθηκε ότι κάθε στοιχείο έχει τα δικά του επίπεδα. Για παράδειγμα, το οξυγόνο έχει ένα σχήμα δομής, ενώ το άζωτο έχει εντελώς διαφορετικό, αν και οι αριθμοί των ατόμων τους διαφέρουν μόνο κατά ένα. Τι είναι λοιπόν το ενεργειακό επίπεδο; Πρόκειται για ηλεκτρονικά στρώματα, που αποτελούνται από ηλεκτρόνια, τα οποία σχηματίζονται λόγω της διαφορετικής δύναμης έλξης τους προς τον πυρήνα ενός ατόμου. Κάποια είναι πιο κοντά, ενώ άλλα είναι πιο μακριά. Δηλαδή, τα ανώτερα ηλεκτρόνια «πατάνε» στα κάτω.
Ο αριθμός των ενεργειακών επιπέδων στη χημεία είναι ίσος με τον αριθμό της περιόδου στον Περιοδικό πίνακα του D. I. Mendeleev. Ο μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε ένα δεδομένο επίπεδο ενέργειας καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο: 2n2, όπου n είναι ο αριθμός επιπέδου. Έτσι, δεν μπορούν να βρίσκονται περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια στο πρώτο ενεργειακό επίπεδο, όχι περισσότερα από οκτώ στο δεύτερο, δεκαοκτώ στο τρίτο και ούτω καθεξής.
Κάθε άτομο έχει ένα επίπεδο που βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα του. Είναι το ακραίο, ή το τελευταίο, και ονομάζεται εξωτερικό ενεργειακό επίπεδο. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό για στοιχεία των κύριων υποομάδων είναι ίσος με τον αριθμό της ομάδας.
Για να δημιουργήσετε ένα διάγραμμα ενός ατόμου και των επιπέδων ενέργειας του στη χημεία, πρέπει να ακολουθήσετε αυτό το σχέδιο:
- προσδιορίστε τον αριθμό όλων των ηλεκτρονίων ενός ατόμου ενός δεδομένου στοιχείου, ο οποίος είναι ίσος με τον αύξοντα αριθμό του;
- προσδιορίστε τον αριθμό των ενεργειακών επιπέδων με βάση τον αριθμό περιόδου;
- προσδιορίστε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε κάθε ενεργειακό επίπεδο.
Δείτε παρακάτω για παραδείγματα ενεργειακών επιπέδων ορισμένων στοιχείων.
Ενεργειακά υποεπίπεδα
Στα άτομα, εκτός από τα ενεργειακά επίπεδα, υπάρχουν και υποεπίπεδα. Σε κάθε επίπεδο, ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε αυτό, γεμίζονται ορισμένα υποεπίπεδα. Από τον τρόπο πλήρωσης του υποεπίπεδου, διακρίνονται τέσσερις τύποι στοιχείων:
- S-στοιχεία. Τα υποεπίπεδα s είναι γεμάτα, τα οποία δεν μπορούν να περιέχουν περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια. Αυτά περιλαμβάνουν τα δύο πρώτα στοιχεία από κάθε περίοδο·
- P-στοιχεία. Σε αυτά τα στοιχεία, δεν μπορούν να υπάρχουν περισσότερα από έξι ηλεκτρόνια στο υποεπίπεδο p.
- Δ-στοιχεία. Αυτά περιλαμβάνουν στοιχεία μεγάλων περιόδων (δεκαετιών) που βρίσκονται μεταξύ s- καιp-στοιχεία;
- F-στοιχεία. Η πλήρωση του υποεπίπεδου f εμφανίζεται σε ακτινίδες και λανθανίδες που βρίσκονται στην έκτη και έβδομη περίοδο.
