כימיה לבגרות/רמות אנרגיה

כאמור, כאשר אלקטרון הוא חלק מאטום הוא יכול להתקיים רק במצבים מסויימים. מצבים אלו נקראים 'רמות אנרגיה משום שהם מתוארים על ידי כמה אנרגיה יש לאלקטרון שנמצא ברמה זו. אלקטרון שנמצא ברמת אנרגיה מסויימת באטום זהו אלקטרון שעל מנת לעקרו מכוח המשיכה שיש לגרעין שלו עליו יש צורך "לתת" לו את אותה אנרגיה. מכיוון שצריך להשקיע "עבודה" על מנת לעקור את האלקטרון ממקום מרבצו, הוגדרה האנרגיה של רמת האנרגיה כשלילית. כלומר אם צריך להשקיע אנרגיה של אלקטרון-וולט אחד על מנת להוציא את האלקטרון מהאטום, האנרגיה של האלקטרון היא $\ -1$. אולם אין הכרח להוציא אלקטרון מהאטום. ניתן להסתפק בלהעלות אותו רמה. העלאת רמת אנרגיה זהו תהליך שבו אנו מוסיפים אנרגיה לאלקטרון באטום. מכיוון שאלקטרון יכול להתקיים רק ברמות מסויימות, רק אנרגיה מסויימת יכולה להשפיע עליו. למשל, אם אלקטרון נמצא ברמת האנרגיה בעלת האנרגיה של $\ -13.6eV$ כפי שקורה באטום המימן, על מנת להעלות את האלקטרון לרמת האנרגיה הבאה, עלינו להשקיע בדיוק $\ -13.6eV+3.4eV=-10.2eV$. אם ניתן לו פחות אנרגיה, הוא לא יעלה רמה בכלל. כיצד ניתן להעלות את האלקטרון רמה? ישנן מספר דרכים. למשל, ניתן להאיר עליו אור בעל פוטונים בעלי אנרגיה מתאימה. בכימיה מתייחסים לרוב לאור כעל חלקיקים ולא כגלים מכיוון שאנו מעוניינים באינטראקציה שלהם עם חומר בעיקר. לכל חלקיק, הצבע שהוא מייצג קובע גם את האנרגיה שלו. למשל, פוטון אדום הוא בעל אנרגיה של $\ 1.89eV$ . אותו פוטון גם מאופיין בגודל שתלוי בתדירות שלו ונקרא אורך הגל. במקרה של הפוטון האדום שלנו, אורך הגל הוא $\ 656.1$ ננו-מטר, שזהו החלק המילארד של המטר. כלומר, קטן מאוד. בכל רמת אנרגיה יכולים לחיות לכל היותר $\ 2n^{2}$ אלקטרונים (כש-n הוא מספר רמת האנרגיה). עקרון זה הוא עקרון האיכלוס של רמות האנרגיה וזהו עקרון חשוב מאוד בכימיה ובפיסיקה. רמת האנרגייה החיצונית נקראת רמת הערכיות. במצב הכי יציב תמיד יהיו ברמת הערכיות לכל היותר 8 אלקטרונים (למרות שמעשית היא יכולה להכיל יותר). יוצאת דופן במקרה זה היא רמת היסוד (כלומר הרמה הקרובה ביותר לגרעין, עם האנרגיה הכי שלילית) שבה יכולים לחיות לא יותר מ-2 אלקטרונים ולכן היא במצב יציב כאשר יש בה 2 אלקטרונים.

הערכות אלקטרונים ברמות אנרגיה

כאמור, האלקטרונים סובבים סביב גרעין האטום בתוך עננים הנקראים אורביטלים. כל אורביטל מייצג רמת אנרגיה. לכל רמת אנרגיה יש מספר מוגבל של ממקומות ולכן, מספר מוגבל של אלקטרונים אותם היא יכולה להכיל. כתוצאה מכך לרב היסודות יש יותר מרמת אנרגיה אחת. חלק זה, נסביר על רמות אנרגיה אלה ובסידור האלקטרונים בהם.

רמות אנרגיה

האלקטרון הוא חלק מאטום אשר נמצא סביבו במצבים מסויימים, "קומות". כל "קומה" יכולה להכיל כמות מסויימת של אנרגיה ובשפה הכימית "רמות אנרגיה". כל רמה מכילה כמות אנרגיה על פי האלקטרונים שנמצאים בה.
האנרגיה הנקבעת לכל אלקטרון בכל רמה, מחושבת על פי כמות האנרגיה שיש להשקיע על מנת להוציא, לעקור, את האלקטרון מהאטום. בגלל שיש צורך בלהשקיע אנרגיה, הוגדרה האנרגיה של רמת האנרגיה כשלילית. כלומר אם צריך להשקיע אנרגיה של אלקטרון כשווה לוולט אחד, האנרגיה של האלקטרון שווה ל - $\ ^{-}1$. ככל שהאלקטרון קרוב יותר אל גרעין האטום, כך, הוא נמשך יותר אל הפרוטונים בו ולכן, נצטרך להשקיע (לתת) יותר אנרגיה. לכן, האנרגיה שלו תהיה גבוה יותר.
לא בהכרח תמיד להוציא את האלקטרון מהאטום. ניתן להסתפק בלהעלות אותו רמה. העלאת רמת אנרגיה זהו תהליך שבו אנו מוסיפים אנרגיה לאלקטרון באטום, היא חייבת להיות מותאמת לאנרגיה שיש באותה רמה ("קומה"), אחרת האלקטרון לא יעבור אליה. למשל, אם אלקטרון נמצא ברמת האנרגיה בעלת האנרגיה של $\ -13.6eV$ (כפי שקורה באטום המימן). על מנת להעלות את האלקטרון לרמת האנרגיה הבאה, עלינו להשקיע בדיוק$\ -13.6eV+3.4eV=-10.2eV$. אם ניתן לו פחות אנרגיה, הוא לא יעלה רמה בכלל.

כיצד ניתן להעלות את האלקטרון רמה? ישנן מספר דרכים. למשל, ניתן להאיר עליו אור בעל פוטונים בעלי אנרגיה מתאימה .

על פי עקרון האיכלוס של רמות האנרגיה, בכל רמת אנרגיה יכולים לחיות לכל היותר $\ 2n^{2}$ אלקטרונים (כש-$\ n$ מייצג את מספר רמת האנרגיה). רמת האנרגייה החיצונית נקראת רמת הערכיות. במצב הכי יציב תמיד יהיו ברמת הערכיות לכל היותר 8 אלקטרונים (למרות שמעשית היא יכולה להכיל יותר). יוצאת דופן במקרה זה היא רמת היסוד (כלומר הרמה הקרובה ביותר לגרעין, עם האנרגיה הכי שלילית) שבה יכולים לחיות לא יותר מ-2 אלקטרונים ולכן היא במצב יציב כאשר יש בה 2 אלקטרונים.

רמות האנרגיה של האטום נקראות גם אורביטלים. ליסודות הטבלה המחזורית יש בין רמת אנרגיה אחת (ליסודות השורה הראשונה) עד לשבע רמות אנרגיה (ליסודות השורה ה- 7).

• ככל שרמת האנרגיה גדולה יותר אלקטרוניה רחוקים יותר מהגרעין.
• ככל שרמת האנרגיה גבוהה יותר אז יש בה יותר מקום והיא יכולה להכיל יותר אלקטרונים.

מבנה ענן האלקטרונים

הצורה של חמשת האורביטלים הראשונים:1s, 2s, 2p_x,2p_y, 2p_z.

עכשיו אנחנו יכולים להתקדם לענן האלקטרונים. הזכרנו בקצרה את מיקומו של האלקטרון באטום כחלקיק דינאמי שיכול להימצא בכל הנפח של אטום מלבד בתוך הגרעין. אם כן, עד כמה יכול האלקטרון להתרחק מהגרעין? ואיפה בכל הנפח הזה הוא נמצא?

עד להתפתחות הפיזיקה המודרנית ניתן היה לדמות את האלקטרון לכדור טניס בחדר, כאשר הכדור נמצא בנקודה כלשהיא וכל עוד הוא בחדר הוא "שייך" לאטום. אבל, הפיזיקה המודרנית קובעת שאין לשום חלקיק מיקום שאנחנו יכולים לקבוע אותו, ולכן על פי חישובים שעשו פיזיקאים גילו שלכל אלקטרון יש פונקציה של המרחב בו הוא יכול להימצא. ובמילים פשוטות אנחנו יכולים ליצור תמונה של איפה האלקטרון יכול להיות ולדעת מה האחוזים שהוא באמת שם. לפונקציה הזאת קוראים אורביטל אטומי. בכל אורביטל יכולים להיות עד שני אלקטרונים שיש להם ספין הפוך (לא נרחיב על הספין אבל נסמן את ההבדל בין האלקטרונים ע"י חצים אלקטרון אחד יסומן על ידי חץ למעלה או למטה ושני אלקטרונים בעלי ספין הפוך יסומנו על ידי שני חיצים למעלה ולמטה אחד על יד השני)

האורביטלים נחלקים למספר סוגים על פי הצורה שלהם, וכל סוג של אורביטל יכול להופיע במספר צורות. הסוג הראשון הוא אורביטל s ויש לו רק צורה אחת. האורביטל השני הוא אורביטל p עם 3 צורות שהוא יכול להופיע. אחריהם מופעים אורביטל d ואורביטל f בעלי 5 ו-7 הופעות בהתאמה. האורביטלים מסודרים ברמות אנרגיה כשבכל רמה יכולים להיות n סוגי אורביטלים וסך הכל n² אורביטלים. ברמה הראשונה יש רק אורביטל s אחד (המסומן ככה: 1s מספר הרמה וסמל האורביטל). ברמה השניה יש אורביטל 2s ושלושה אורביטלי 2p המסומנים 2p_x,2p_y,2p_z וכן הלאה. נזכור שככל שהאלקטרון נמצא ברמה גבוהה יותר או באורביטל גבוהה יותר באותה הרמה יש לו יותר אנרגיה שממנה האטום ישאף להפטר ולחזור לאנרגיה נמוכה, ולכן באיכלוס של אלקטרונים באטום מתחילים ברמה הנמוכה ביותר ומשם עולים לפי סדר האנרגיה.

בכל אורביטל יכולים להיות עד שני אלקטרונים, ולכן בכל רמת אנרגיה יכולים להיות עד 2n² אלקטרונים. ברמה האחרונה שמתמלאת באטום יכולים להיות עד שמונה אלקטרונים באורביטלי ה- s וה-p של אותה הרמה, אותה רמה נקראת רמת הערכיות. כמובן שאם רמת הערכיות היא הרמה הראשונה היא יכולה להתמלא רק בשני אלקטרונים כמו שאמרנו.