Structura atomului (modelul Bohr, modelul cuantic, configurații electronice)

Structura atomului a evoluat de la modelul planetar al lui Rutherford la modelul semiclasic al lui Bohr și apoi la modelul cuantic modern, bazat pe mecanica ondulatorie. Modelul Bohr (1913) propune electroni care se mișcă pe orbite circulare în jurul nucleului, cu momente cinetice cuantificate: m*v*r = n*h/(2π), unde n este numărul cuantic principal (1, 2, 3...). Pe aceste orbite „permise”, electronul nu emite energie, iar tranzițiile între nivele corespund emisiei sau absorbției de fotoni cu energia ΔE = hν = R_H*(1/n₁² - 1/n₂²).

Deși modelul Bohr explică spectrul hidrogenului, eșuează pentru atomii cu mai mulți electroni. Modelul cuantic, dezvoltat de Schrödinger, Heisenberg și Dirac, înlocuiește orbitele definite cu orbitali – regiuni de probabilitate maximă de a găsi electronul. Fiecare orbital este descris de trei numere cuantice: n (nivel energetic, 1,2,3...), l (subnivel, 0...n-1, notat s,p,d,f) și m_l (orientarea orbitalului, de la -l la +l).

Al patrulea număr cuantic, spinul (m_s = +½ sau -½), descrie rotația intrinsecă a electronului. Configurația electronică se bazează pe principiul Aufbau (umplerea orbitalilor în ordinea energetică crescătoare: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p...), principiul Pauli (maximum 2 electroni pe orbital, cu spini opuși) și regula lui Hund (orbitalii degenerați se umplu cu câte un electron cu spini paraleli înainte de a se perechea). Excepții apar pentru elemente de tranziție (de exemplu, cuprul și cromul) unde stabilitatea subnivelelor semi-umplute sau complet umplute modifică ordinea.

Pentru Bacalaureat, elevii trebuie să poată scrie configurațiile electronice pentru elemente cu Z ≤ 36, să identifice numerele cuantice ale electronului distinctiv și să explice tranziții spectrale. În plus, modelele atomice sunt esențiale pentru înțelegerea legăturii chimice, a proprietăților periodice și a reacțiilor redox.

Exemple

• Exemplul 1: Scrieți configurația electronică pentru atomul de fier (Z=26) și identificați numerele cuantice ale electronului distinctiv (ultimul electron). Rezolvare: Conform principiului Aufbau, ordinea de umplere: 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s², 3d⁶. Configurația completă: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. Ultimul electron intră în orbitalul 3d. Pentru a identifica numerele cuantice, aplicăm regula lui Hund: cei 6 electroni din 3d se distribuie astfel: primii 5 electroni ocupă orbitalii d_{xy}, d_{xz}, d_{yz}, d_{x²-y²}, d_{z²} cu spin +½; al șaselea electron se perechează cu unul dintre ei, de exemplu pe d_{xy} cu spin -½. Astfel, pentru electronul distinctiv (al 6-lea din 3d): n=3, l=2 (subnivel d), m_l = +2 (pentru d_{xy}, deși convenția poate varia; în general se acceptă orice m_l de la -2 la +2, dar spinul este -½ dacă se perechează). Răspuns corect la Bac: n=3, l=2, m_l = +2 (sau +1,0,-1,-2), m_s = -1/2.
• Exemplul 2: Calculați energia fotonului emis când electronul hidrogenului trece de pe nivelul n=4 pe n=2. Constanta Rydberg R_H = 2.18×10⁻¹⁸ J. Rezolvare: Folosim formula ΔE = R_H * (1/n_f² - 1/n_i²) = 2.18×10⁻¹⁸ * (1/4 - 1/16) = 2.18×10⁻¹⁸ * (4/16 - 1/16) = 2.18×10⁻¹⁸ * (3/16) = 2.18×10⁻¹⁸ * 0.1875 = 4.0875×10⁻¹⁹ J. Deci energia fotonului este 4.09×10⁻¹⁹ J (aproximativ 4.09×10⁻¹⁹ J). Această tranziție corespunde liniei Hβ din seria Balmer.
• Exemplul 3: Pentru ionul He⁺, care este numărul cuantic principal pentru care energia nivelului este egală cu energia nivelului n=2 al hidrogenului? (Se știe că pentru atomi hidrogenoizi, E_n = -Z² * R_H / n²). Rezolvare: Pentru He⁺, Z=2. Energia nivelului n pentru He⁺: E_n(He) = -4 * R_H / n². Pentru H, n=2: E_2(H) = -R_H / 4. Egalăm: -4R_H/n² = -R_H/4 => 4/n² = 1/4 => n² = 16 => n=4. Așadar, nivelul n=4 al He⁺ are aceeași energie ca nivelul n=2 al H.

Concepte cheie: Modelul Bohr: orbite cuantificate și tranziții spectrale pentru hidrogen, Numere cuantice: n, l, m_l, m_s și semnificația lor fizică, Principiul Aufbau: ordinea de umplere a orbitalilor (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p etc.), Principiul Pauli: maximum 2 electroni per orbital cu spini opuși, Regula lui Hund: orbitalii degenerați se umplu cu electroni cu spini paraleli, Excepții în configurațiile electronice (Cr, Cu, Mo, Ag, etc.), Interpretarea probabilistică a orbitalilor (nor electronic, densitate de probabilitate)