Pamiętacie może z lekcji chemii coś takiego jak regułę oktetu względnie regułę helowca? Mówi ona, że atomy chcą osiągnąć konfigurację elektronową najbliższego gazu szlachetnego, aby stać się stabilnymi – stąd wynikać ma powstawanie różnych związków chemicznych.

No, to jako że przypomnieliśmy sobie suchą definicję, spróbujmy się zastanowić, skąd w naszym Wszechświecie taka sytuacja. W szkole nie usłyszałem odpowiedzi, a okazała się ona bardzo prosta: atomy zachowują się w ten sposób nie dlatego, że czegoś chcą lub nie, ale dlatego, że przestrzeń ma trzy wymiary, a atomy podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym.

Chciałoby się rzec: „Pan raczy żartować, panie Feynman!” – bo właśnie wśród jego wykładów znalazłem powyższe stwierdzenie. No to zapomnijmy o lekcjach chemii, bo to wszystko jest o wiele prostsze: wynika z mechaniki kwantowej!

Macie może pod ręką butelkę wody mineralnej? Na etykiecie powinny znajdować się takie hasła jak „kationy” i „aniony” odpowiednio z plusem i minusem, co sugeruje, że ma to jakiś związek z ładunkiem elektrycznym. Jeśli kation ma posiadać ładunek dodatni, to oznacza to, że od atomu musiano w jakiś sposób oderwać elektron, tak aby zmienić sumaryczny ładunek protonów i elektronów. I jeśli tak się stało, z pewnością wymagało to pewnej energii, którą nazywamy energią jonizacji. Atom może również przyłączyć dodatkowy elektron, co zależy od jego powinowactwa elektronowego, którego wartość im wyższa, tym więcej energii wydzieli się w skutek pochwycenia elektronu przez atom.

Łatwo z tego wywnioskować, że atomy, które charakteryzują się niską energią jonizacji i wysokim powinowactwem elektronowym, będą chętniej wchodzić w reakcje chemiczne niż te mające te wartości ustawione w odwrotnej relacji.

Zapewne pamiętacie, iż planetarny model atomu, zawierający określone powłoki energetyczne, na których mają znajdować się elektrony krążące wokół jądra atomowego, nie ma nic wspólnego z rzeczywistością, ale na nasze potrzeby jest w tym przypadku zupełnie wystarczający. Elektrony nie znajdują się na żadnych powłokach; nie zezwala im na to reguła nieoznaczoności. Możemy co najwyżej pokusić się o wyliczenie pewnych obszarów, gdzie mamy największą szansę na ich zlokalizowanie, Nazywa się je orbitalami, z których każdy może zawierać maksymalnie dwa elektrony.

Dlaczego wyglądają tak, a nie inaczej, to temat na osobny wpis, który prędzej czy później również pojawi się na naszym portalu. Chwilowo nie zaprzątajmy sobie głowy orbitalami; nie musimy sięgać aż po tak szczegółowy model, w zupełności wystarczy, jeśli zostaniemy przy modelu powłokowym. Pierwsza może pomieścić dwa elektrony, druga osiem, trzecia osiemnaście i tak dalej. W tym dość naiwnym modelu pominąłem neutrony. Mają one neutralny ładunek elektryczny, a więc ich wpływ na omawiany temat jest zaniedbywalny. Izotopy wszystkich pierwiastków z jakiegoś powodu „chcą” dostosować się do reguły helowca niezależnie od swojej liczby masowej.

Model może i naiwny, jednak pokazuje coś ciekawego: wodór posiada jeden proton i jeden elektron. Czy oderwanie takiego elektronu będzie wymagać dużej, czy małej porcji energii? Nie ma prostego wzoru, który pozwoliłby obliczyć ile dokładnie, więc wyznaczono tę wartość eksperymentalnie. Stąd wiemy, że oderwanie elektronu od jądra w przypadku wodoru wymaga ok. 13,8 eV (elektronowolta), czyli całkiem sporo. Nie powinno nas to dziwić: elektron znajduje się na pierwszej powłoce, a więc blisko jądra, stąd odczuwa silne przyciąganie związane z posiadanym ładunkiem. W przypadku kolejnego pierwiastka, helu, dodajemy kolejny proton do jądra, zmniejszając rozmiary powłoki, co sprawia, że energia jonizacji takiego atomu z pewnością musi być większa niż w przypadku wodoru, no i tak jest: wyznaczona eksperymentalnie wartość to 24,6 eV, najwięcej wśród wszystkich pierwiastków. A teraz spójrzmy na ilustrację:

A co by było, gdyby do helu dodać kolejny elektron – leci sobie taki przez przestrzeń, napotyka jądro helu i przyciąganie ilu protonów odczuwa efektywnie na kolejnej powłoce? Przypominam: na pierwszej mamy miejsce na dwa, kolejny musi znaleźć się na następnej, mieszczącej osiem. Uśredniając, można powiedzieć, że ładunki protonów i elektronów wzajemnie się znoszą, więc utrzymanie kolejnego wymagałoby dostarczania energii, a w naszym Wszechświecie raczej samorzutnie dzieje się na odwrót, częściej zachodzą procesy wydzielające energię do otoczenia niż te ją pochłaniające, co nie powinno nas dziwić, jeśli przypomnimy sobie pojęcie entropii. Hel, aby być stabilnym, nie musi otwierać kolejnej powłoki – czyli mamy pierwszy pierwiastek spełniający regułę helowca: wysoka energia jonizacji, praktycznie zerowe powinowactwo elektronowe i wypełniona powłoka! No to spójrzmy jak to wygląda dalej:

Hel po lewej, a po prawej pierwiastek, który ma dziesięć protonów w jądrze i tyle samo elektronów, czyli mamy zapełnione dwie powłoki, również wysoką energię jonizacji i ujemną wartość powinowactwa elektronowego, bo jak w przypadku helu – po co otwierać koleją powłokę? Kolejny pierwiastek podobny we właściwościach do helu to oczywiście neon.

I tu ten model przestaje wystarczać. Kolejna powłoka mieści osiemnaście elektronów, ale następny pierwiastek podobny do neonu to nie nikiel, ale argon, posiadający również osiemnaście protonów w jądrze i tyle samo elektronów. Są one jednak rozmieszczone na trzech powłokach, a więc na ostatniej jest jeszcze dziesięć wolnych miejsc. Im dalej, tym robi się dziwniej: krypton i ksenon mają na kolejnych powłokach coraz więcej miejsc, ale ostatnia nigdy nie jest wypełniona do końca. Wystarczy, że znajdzie się tam osiem elektronów i pierwiastek, mówiąc obrazowo, odmawia wchodzenia w dalsze reakcje. Stąd niekiedy nazywa się regułę helowca regułą dubletu i oktetu. No, tylko skąd ten oktet? Gdyby owa stabilność miała się brać z zapełnienia ostatniej powłoki, to helowcem powinien być nikiel, a nie argon, tymczasem nikiel jest metalem, który wykazuje się aktywnością chemiczną, szczególnie sproszkowany. No to o co tu chodzi, panie Feynman?

Podejrzewam, że pewnie w tym momencie poprosiłby, abym narysował atom litu według swojego modelu. No to narysujmy:

W tym naiwnym modelu wychodziłoby na to, że najbardziej zewnętrzny elektron efektywnie odczuwa przyciąganie tylko jednego protonu, a że dodatkowo znajduje się na powłoce bardziej odległej od jądra, to energia jonizacji nie powinna być wysoka. I faktycznie nie jest: wyznaczona eksperymentalnie wartość to jakieś 5,4 eV.

No i w tym momencie Feynman pewnie uśmiechnąłby się i tradycyjnie przypomniał, że nigdy nie powinniśmy oszukiwać sami siebie. I zapewne poprosiłby, abym cofnął się do akapitu, w którym wspomniałem, że powłoki nie przypominają orbit, ale składają się z matematycznie wyliczonych map prawdopodobieństwa, które nazywamy orbitalami. Elektrony po nich nie krążą, a nawet nie mają dobrze określonego położenia, a jedynie prawdopodobieństwo znalezienia się w pewnej odległości od jądra atomu.

O tym, skąd ich kształty, jak również obiecałem – w kolejnym tekście. Pierwsza z powłok zawiera jeden orbital typu s; kolejna, mogąca pomieścić osiem elektronów, składa się z jednego orbitalu typu s i trzech typu p; kolejna mieści osiemnaście elektronów, gdyż składa się z jednego orbitalu s, trzech p i pięciu d (przypominam: każdy orbital mieści maksymalnie dwa elektrony).

W przypadku litu trzeci elektron musi znaleźć się na drugim z dostępnych poziomów energetycznych, ale czy orbitale s i p są faktycznie dokładnie na tym samym poziomie?

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5 f → 6 d → 7 p

Z powyższej reguły można łatwo wywnioskować, iż nie. Jeśli orbital 2s ulega zapełnieniu przed orbitalem 2p, to znaczy to, że jego energia jest niższa; tak samo, jeśli 4s ulega zapełnieniu przed 3d, to jest to niższy poziom energetyczny niż 3d.

Jeśli ktoś ma potrzebę, może rozrysować sobie to na kolejne powłoki, ale myślę, że nagle stało się to bardziej widoczne: reguła oktetu bierze się nie z powodu tego, że atomy czegoś chcą, ale z różnic energetycznych orbitali, które powodują, że po wypełnieniu tych typu 3s i 3p kolejny elektron zajmuje poziom 4s a nie 3d, a po 4p następuje 5s a nie 4d, i z tego, że elektrony są identycznymi fermionami, a więc na każdym orbitalu mogą być tylko dwa. Atom dla stabilności nie musi mieć zapełnionej ostatniej powłoki. Wystarczy, że zapełnią się orbitale s i p, których jest dokładnie cztery:

Jeden przypominający sferę i jeden przypominający ściśnięty pośrodku balonik, który możemy obrócić w trzech wymiarach.

Gdyby przestrzeń miała więcej lub mniej wymiarów, ładunki elektryczne wzajemnie by nie oddziaływały lub na orbitalu mieściło się więcej elektronów, to reguła oktetu przestałaby obowiązywać. A tak zawsze, gdy mamy przed sobą jądro atomowe zawierające tyle protonów, iż elektrony wypełniają kompletnie orbitale s i p, to mamy do czynienia z pierwiastkiem o wysokiej energii jonizacji i zerowym lub ujemnym powinowactwie elektronowym: hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon (oraz najprawdopodobniej syntetyczny oganeson).

Od tej reguły są oczywiście pewne wyjątki. Wyznaczone eksperymentalnie powinowactwo elektronowe berylu i azotu jest również bliskie zeru, co można łatwo wyjaśnić przy pomocy ilustracji z poziomami energetycznymi. Beryl ma w pełni wypełnione orbitale s, więc piąty elektron musiałby trafić na kolejny orbital s. Wiązałoby się to z otwarciem „podpowłoki”, a to dla czteroprotonowego jądra duże energetycznie wyzwanie. Przypadek azotu można wyjaśnić równie prosto: mamy wypełnione orbitale s i dokładnie po jednym elektronie na każdym z orbitali p. Każdy kolejny elektron, zamiast stabilizować ten układ, tylko burzyłby jego harmonię.

A już kolejnym razem o tym, skąd te fantazyjne kształty orbitali oraz o tym, dlaczego niektórzy potrafią grać na gitarze, a inni nie.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.