08 wrz Promocja elektronowa i wzbudzenie – czym są i czym się różnią?

W ogólnych zasadach oceniania znajdziemy uwagę: „Wszystkie merytorycznie poprawne odpowiedzi, spełniające warunki zadania, ocenione są pozytywnie”. Od uczniów i wielu nauczycieli (a zatem także w materiałach, które udostępniają uczniom) często można usłyszeć: promocja zachodzi pomiędzy powłokami, a wzbudzenie w obrębie jednej powłoki. Gdyby pojawiło się odpowiednie zadanie otwarte na maturze, to czy za taką odpowiedź uzyskamy nieraz bardzo cenny punkt?

Szansa na to, że na maturze pojawi się pytanie o to wprost jest mała, więc raczej towarzyszyła by temu informacja wstępna, z której można by coś wydedukować, ale zastanówmy się:  czy taka odpowiedź bałaby uznana? Nie, bo takie stwierdzenie jest błędne. Wśród uczniów obserwuje się bardzo niepokojące zjawisko przekazywania sobie łatwych do zapamiętania „regułek”, które na pozór wyjaśniają coś. Ale tylko na pozór, bo w wielu przypadkach spowodują (i powodowały w przeszłości) utratę punktów na maturze. Łatwość zapamiętania często sprawia, że człowiek zamiast przeanalizować sytuację – posługuje się tym, co usłyszał i zapamiętał.

Stan podstawowy, wzbudzenie, promocja elektronowa – pojęcia kluczowe
Stanem podstawowym atomu nazywamy takie obsadzenie poziomów elektronami, w którym atom ten ma najniższą energię. Elektrony obsadzają poziomy energetyczne według pewnych prawidłowości znanych jako reguły zapełniania lub obsadzania poziomów energetycznych. Promocją elektronową nazywamy odstępstwo konfiguracji elektronowej od tych zasad, a pomimo tego atom ma najniższą energię, czyli jest jego stan podstawowy. Na rysunku poniżej widzimy fragment konfiguracji elektronowej atomów węgla i chromu w stanie podstawowym, przy czym konfiguracja atomu węgla jest zgodna z zasadami obsadzania, a dla chromu widoczne jest odstępstwo zwane promocją elektronową: zamiast zapełnienia orbitalu 4s parą elektronową, a orbitalu 3d czterema niesparowanymi elektronami,  mamy 6 niesparowanych elektronów.

A stanem wzbudzonym atomu nazywamy każde odstępstwo konfiguracji elektronowej od zasad obsadzania poziomów energetycznych, w którym atom NIE ma najniższej energii, czyli NIE jest w stanie podstawowym. Rysunek poniżej przedstawia stan wzbudzony atomu węgla, który znamy ze szkolnych książek.

Budowa atomu i tajemnicze powłoki elektronowe
Przez szkolną naukę chemii żyjemy często w błędnym przekonaniu o budowie atomu: atom składa się z powłok elektronowych. Atom nie jest ograniczony fizycznie liczbą powłok elektronowych, bo powłoki elektronowe NIE istnieją! Niżej to wyjaśnimy. Zamiast powłok są tylko elektrony krążące w różnej odległości od jądra – im wyższą energię mają elektrony, tym dalej od jądra mogą krążyć (zajmować wyższe „powłoki”). Pojęcie powłoki jest tylko umowną abstrakcją wynikające z modelu atomu Rutherforda, zmodyfikowanego przez Bohra, a zwanego modelem planetarnym, od podobieństwa modelu do Układu Słonecznego. Dawniej ludzie rozpatrywali niebo jako powłokę, a nawet większą liczbę powłok zwanych sferami niebieskimi. Ale pomyślmy: czy istnieją sfery (powłoki) niebieskie? Nie istnieją, nie ma fizycznej granicy Układu Słonecznego. Układ słoneczny nie jest kulą ograniczoną ostatnią powłoką niebieską, ale pojęcia powłok niebieskich możemy używać w sensie umownym. Także atom nie jest kulką, która ma powierzchnię tworzoną przez ostatnią powłokę. Bo z czego byłyby zbudowane powłoki (sfery) elektronowe? Tzw. liczba powłok oznacza liczbę obsadzonych poziomów energetycznych, a nie czynnik ograniczający fizyczną wielkość atomu – np. atom tlenu ma elektrony na dwóch poziomach energetycznych, czyli w pewnych odległościach od jądra.

Ponieważ atom nie jest ograniczony fizycznie liczbą powłok, to każdy atom można wzbudzić – atom tlenu czy nawet (UWAGA!) atom wodoru. W wielu reakcjach powstaje wzbudzony tlen, który świeci na czerwono, a świecąc oddaje energię i osiąga stan podstawowy. Wzbudzenie może zachodzić zarówno w obrębie podpoziomów jednej „powłoki”, albo  pomiędzy „powłokami”. To na podstawie obserwacji zachowania wzbudzonych atomów (m.i. wodoru) powstały używane do dziś modele budowy atomu. To dzięki wzbudzeniu wiemy, że Słońce składa się z wodoru i helu – hel odkryto analizując światło słoneczne (znaleziono w nim sygnały wysyłane przez wzbudzone atomy nieznanego jeszcze na Ziemii pierwiastka). Dopiero potem znaleziono ten pierwiastek także na Ziemi. To dzięki temu też analizujemy z jakich pierwiastków składa się kosmos.

Wzbudzenie, reakcje chemiczne, szkoła i matura
W szkolnej edukacji pojęcie wzbudzenia elektronowego używane jest tylko w przypadku wyjaśniania liczby wiązań tworzonych przez atom. Wyjaśnia się tym np. dlaczego atom węgla jest głównie czterowartościowy, a nie dwuwartościowy, jakby wynikało z jego „normalnej” konfiguracji.  Zakładając, że ulega on wzbudzeniu z przeniesieniem elektronu w obrębie jednego poziomu energetycznego – uzyskujemy w ten sposób 4 niesparowane elektrony walencyjne i może chętnie utworzyć 4 wiązania. Niewzbudzony atom węgla może utworzyć 2 wiązania przez sparowanie swoich elektronów, i ewentualnie trzecie jako donor swojej wolnej pary.

Powtórzenie tej samej operacji w przypadku atomów tlenu czy azotu nie zwiększa dostępnej liczby elektronów niesparowanych na danym poziomie („powłoce”). Dlatego mówimy, że atom węgla tworzy czterowartościowe związki ulegając najpierw wzbudzeniu, podczas gdy w przypadku tlenu czy azotu nie ma konieczności zakładania wzbudzenia, bo nie zmienia to liczby dostępnych wiązań tworzonych przez te atomy. Zobaczmy jak to by wyglądało w przypadku atomu azotu.

Ale to nie znaczy, że atomów azotu czy tlenu nie można ich wzbudzić – bo nie ma powłok elektronowych, czyli nie ma fizycznej granicy uniemożliwiającej elektronom przyjęcie toru ruchu dalej od jądra. Nie jest więc prawdą, że atomu tlenu nie można wzbudzić, bo nie ma dostępnego podpoziomu d w powłoce walencyjnej. Atomy nie są cebulkami, które mają fizyczną granicę rozmiaru w postaci ostatniej warstwy, dlatego nawet hel czy wodór ulegają wzbudzeniu. To dlaczego w szkole mówią tak jak mówią? Po prostu chemicy używają pojęcia wzbudzenia elektronowego w konkretnym celu, bo interesuje ich tworzenie związków przez dane pierwiastki, ale to nie wyczerpuje tematu wzbudzenia. Konkretnie to chemicy rozpatrują wzbudzenia zachodzące w obrębie poziomu walencyjnego, bo właśnie takie jest związane z reakcjami chemicznym, jakim ulega dany pierwiastek, czyli przedmiot zainteresowania chemików. I w tym samym zakresie rozpatrujemy temat wzbudzenia w szkole, ale edukacja szkolna pełna jest niedomówień i dziur.

Więc to nie znaczy, że moglibyśmy napisać odpowiedź: „promocja elektronowa zachodzi pomiędzy powłokami, a wzbudzenie w obrębie jednej powłoki” na maturze, bo jest ona błędna. To (błędny i wygodny) wniosek wyciągnięty na podstawie kilku konkretnych przypadków poruszanych w szkole w konkretnym celu, a nie ze znajomości  kluczowych pojęć: stan podstawowy, stan wzbudzony i promocja elektronowa. Zatem odpowiedź, że wzbudzenie zachodzi w obrębie jednej powłoki, a promocja pomiędzy powłokami jest merytorycznie niepoprawna i spowoduje utratę punktów. Sytuację ratuje fakt, że takie zadanie raczej zawierałoby jakąś informację, z której należy coś wywnioskować. W tej sytuacji, nawet gdy mamy wpojoną do głowy powtarzaną na szkolnym korytarzu „regułę”, to mamy szansę udzielić odpowiedź poprawną merytorycznie i uratować punkty. A zresztą przekonajmy się na konkretnym przykładzie. Zgodnie z wymaganiami egzaminacyjnymi: zapisuje konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków do Z=36 i jonów o podanym ładunku, uwzględniając rozmieszczenie elektronów na podpowłokach (zapisy konfiguracji: pełne, skrócone i schematy klatkowe). Oznacza to konfiguracje w 4 pierwszych okresach układu okresowego. Czy widoczny poniżej fragment konfiguracji elektronowej przedstawia stan wzbudzony, czy stan podstawowy, ale tzw. promocję elektronową?

Pierwiastkiem tym jest wanad, czyli pierwiastek mieszczący się w zakresie wymagań maturalnych. A przedstawiony fragment konfiguracji przedstawia stan wzbudzony. Dlaczego? Dlatego, że konfiguracja elektronowa atomu wanadu w stanie podstawowym jest zgodna z regułami obsadzania, zatem zjawisko promocja elektronowa nie może mieć miejsca. Rysunek przedstawia więc stan wzbudzony.

Podsumowując: nie ma reguły, że promocja elektronowa zachodzi pomiędzy powłokami, a wzbudzenie w jej obrębie. Jest za to lista pierwiastków, w przypadku których obserwuje się odstępstwo konfiguracji w stanie podstawowym od reguł obsadzania – odstępstwo to zwiemy promocją elektronową, a sama lista służy temu, byśmy wiedzieli, czy w danym przypadku mamy do czynienia z promocja elektronową, czy wzbudzeniem. Z tej listy obejmującej 15 pierwiastków tylko dwa: Cr i Cu mieszczą się w zakresie wymagań maturalnych. Łatwo je zapamiętać ze względu na  sprzyjającą konfigurację ku temu, by doszło do promocji. Zatem w pozostałych przypadkach, z którymi na ogół spotykają się maturzyści, a zwykle jest to atom węgla – mamy do czynienie ze stanami wzbudzonymi. A te trzy najczęściej rozpatrywane przypadki, czyli: C, Cu, Cr,  spośród 33 pozostałych, z czego jeszcze rozpatrujemy wzbudzenie w konkretnym celu – to trochę za mało, by wyciągać tak dalece posunięte wnioski o tym, czym różni się wzbudzenie od promocji elektronowej. I niestety błędne.

Pamiętajmy, że takich błędnych, ale rozpowszechnionych i powtarzanych w szkole stwierdzeń jest więcej. A siadając do arkusza maturalnego trzeba mieć umysł otwarty na informację do zadania, a nie na regułki, które w pewnych okolicznościach, ale tylko w pewnych okolicznościach, na pozór pracują, choć są niepoprawne. Przygotowując się do egzaminu maturalnego pamiętajmy, że:

„Czym niedobrym skorupka za młodu nasiąknie, tym na maturze trąca”

A o to chodzi w maturze, by poznać, u kogo trąca, a u kogo nie trąca 🙂 Tak więc od początku zwracajmy na pewne rzeczy uwagę i z pewną nieufnością podchodźmy do niektórych „regułek” 🙂

Pozdrawiam,

Damian Mickiewicz